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Trotz
Verbreitung der Massenlötverfahren wie
Wellenlöten
oder Reflowlöten
gibt es zahlreiche Lötstellen,
die einzelnen gelötet
werden müssen. Dies
geschieht häufig
manuell, wobei aus Qualitäts- und
Kostengründen
eine Automatisierung angestrebt wird. Beim punktuellen Löten muss
der Lötstelle
Wärme und
Lot zugeführt
werden. Der Lotauftrag kann erfolgen, indem
- • das Lot
auf einen der Fügepartner
aufgebracht wird (Festlotdepots),
- • das
Lot als Formteil um die Fügepartner
gelegt wird (Lot-Pre-Forms),
- • das
Lot als pastöse
Masse aufgetragen wird (Lotpaste).
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Bei
diesen Lötverfahren
wird im ersten Prozessschritt das Lot aufgetragen und anschließend bei
der Erwärmung
der Lötstelle
aufgeschmolzen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
besteht darin, zunächst
das Lot aufzuschmelzen und anschließend die Lötstelle in das Lotbad zu tauchen
oder das flüssige
Lot der Lötstelle
mit einer Düse
oder einem Tiegel zuzuführen.
In Abgrenzung zum Wellenlöten,
bei dem der gesamte Lötbereich
mit flüssigem
Lot umspült
wird, werden diese Verfahren als „Selektivlöten" bezeichnet. Da bei diesem Selektivlöten die
Schwerkraft des Lotes ausgenutzt wird, kann in der Regel nur von
unten gelötet
werden. Der große
Tiegel erfordert entweder eine massive Bewegungsvorrichtung für den Tiegel
oder die zu lötende
Baugruppe muß entsprechend
bewegt werden. Beides grenzt den Anwendungsbereich ein. Meist wird
das Lot im Überfluß zugeführt. Die
Menge, welche tatsächlich
an der Lötstelle
verbleibt, hängt
damit extrem von den Oberflächen
ab. Eine exakt gleichmäßige Dosierung
ist nur bedingt möglich.
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Das
bevorzugte Verfahren ist jedoch, die Lötstelle mit einer Wärmequelle,
beispielsweise einem Lötkolben,
zu erwärmen
und das Lot in Form von Lotdraht zuzuführen. Bei diesem Verfahren,
das manuell und automatisiert eingesetzt werden kann, sind die Kosten
geringer als bei den zuvor genannten Lötverfahren. Außerdem ist
es möglich,
in nahezu allen Raumlagen, also auch von oben bzw. von unten, zu löten. Jedoch
ergibt sich das Problem, daß beim punktuellen
Löten mit
Lotdraht, der zugeführte
Lotdraht innerhalb kürzester
Zeit vom Lötwerkzeug
oder der heißen
Lötstelle
erhitzt und aufgeschmolzen werden muß. Infolge von Schwankungen
bei der Prozeßtemperatur,
dem Andruckwiderstand und den Benetzungseigenschaften variiert das
Abschmelzverhalten des Lotdrahtes, so das keine exakten Mengen dosiert werden
können.
Zusätzlich
verschlechtert die Temperaturdifferenz zwischen Lotdraht und Lötstelle
die Prozessstabilität
beim automatisierten Löten,
weil der Lötstelle
thermische Energie zum Aufheizen und Aufschmelzen des Lotdrahtes
entzogen wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Löten
zu schaffen, die die Herstellung fehlerfreier Lötstellen bei minimalem Aufwand
gewährleisten.
Die Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
1 bzw. 6. Die Unteransprüche enthalten
vorteilhafte Weiterbildungen. Ausführungsbeispiele sind den Figuren
zu entnehmen.
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Dabei
wird der Lotdraht bereits erwärmt,
bevor er der Lötstelle
zugeführt
wird. Dadurch lässt
sich die zum Schmelzen zu überwindende
Temperaturdifferenz erheblich verringern. Im Extremfall kann der Lotdraht so
weit erhitzt werden, dass er bereits im Dosiersystem aufschmilzt
und der Lötstelle
in flüssiger
Form zugeführt
wird.
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Dabei
ist die zugeführte
Menge von entscheidender Bedeutung. Diese hängt von der Menge des bereits
flüssigen
Lotes sowie den Oberflächen
von Lötstelle
und Lotführung
ab. Um die Reprodzierbarkeit der Menge zu gewährleisten, ist bei dieser Erfindung,
das Lötwerkzeug
so ausgeführt,
- • dass
die Lötstelle
mit einer Wärmequelle
unabhängig
von der Lotzuführung
erwärmt
werden kann,
- • die
von der Lotzuführung
bereitgestellte Menge exakt dosiert werden kann,
- • die
Lotzuführung
relativ zur Lötstelle
bzw. zur Wärmequelle
bewegt werden kann.
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Gegenüber den
bisher bekannten Lötverfahren
mit Lotdraht wird eine höhere
Prozeßsicherheit bei
gleichzeitiger Steigerung der Geschwindigkeit erreicht. Prozessbeeinträchtigungen,
die als Folge der hohen Temperaturdifferenzen zwischen Lötstelle
und Lotdraht auftreten, werden erheblich reduziert. Aus geringen
Temperaturdifferenzen resultieren stabilere Prozesstemperaturen
an der Lötstelle
und kürzere Lötzeiten.
Das Abschmelzverhalten wird kontrollierbar und Lotmengen können exakt
dosiert werden. Insgesamt wird punktuelles Löten wirtschaftlicher und die
Qualität
von Lötverbindungen
wird deutlich verbessert.
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Gegenüber den
sogenannten Selektivlötverfahren
läßt sich
die der Lötstelle
zugeführte
Lotmenge exakt dosieren. Fehllötungen
und Lotbrücken
werden vermieden. Weiterhin wird die Gefahr von Spannungen infolge
Schwindung beim Abkühlen
zu massiver Lotstellen vermieden.
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Die
Bildfolge der 1a–1c zeigt
den Ablauf eines solchen Lötprozesses.
Gemäß 1a wird zuerst die Lötstelle mit der externen Wärmequelle,
beispielsweise einem Lötkolben,
auf die Löttemperatur gebracht.
In der Lotzuführeinrichtung
wird Lotwerkstoff zum Aufschmelzen gebracht. Gemäß 1b die
benötigte
Lotmenge aus der Dosierpipette herausgedrückt. Dieser Lottropfen (3b)
berührt
die Lötstelle
(1). Dabei entstehen Adhäsionskräfte zur Lötstelle und zum in der Dosierpipette
(11) verbleibenden Lot. Durch eine Relativbewegung wird
nun die Dosierpipette (11) von der Lötstelle entfernt, so dass der
Lottropfen (3b) von der Pipette (11) abreißt und die
Lötstelle
(1) benetzt (3).
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Da
die Benetzungsfähigkeit
des Lotes mit steigender Temperatur der zu benetzenden Oberfläche zunimmt,
wird der Dosier-Vorgang unterstützt, wenn
die Temperaturverteilung so gewählt
wird, dass die Lötstelle
heißer
ist als das aufgeschmolzene Lot (3b). Bei Anwendungen auf
extrem temperaturempfindlichen Substraten, wie z.B. Polyester oder
anderen Kunststoffen kann es hingegen vorteilhaft sein, die Lötstelle
nur knapp unter die eigentliche Löttemperatur zu erwärmen und
die Maximaltemperatur über
die Temperatur des flüssigen
Lotes einzustellen.
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Dazu
ist es vorteilhaft, wenn die Erwärmung der
Lötstelle
unabhängig
von der Erwärmung
des Lotes erfolgt. Hierfür
eignet sich als zusätzliche
Wärmequelle
z.B. ein Halogenstrahler, ein Laser, ein Lötkolben, ein HF-Induktionsgerät oder eine
Flamme.
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Die 2a, 2b und 2c zeigen
beispielhafte Ausprägungen
von Lötwerkzeugen
zur Umsetzung der hier beschriebenen Erfindung. 2a zeigt
ein Halogenstrahler (2a) als externe Wärmequelle mit der Lotzuführeinrichtung. Über Einstellvorrichtungen
kann die Position von Lotzuführeinrichtung
zum Halogenstrahler in den Richtungen a, b, c und d eingestellt
werden. Eine bewegliche Führung
ermöglicht die
erforderliche Relativbewegung e während des Lötprozesses. 2b zeigt
die Realisierung der entsprechenden Einstellvorrichtungen für die Position 6b, 6c sowie
für den
Winkel 6a und 6d. Eine Linearführung 6e realisiert
die Relativbewegung. Durch Verstellung der Endanschläge kann
darüber
hinaus die Position axial zu Lotzuführungsrichtung eingestellt
werden. Neben Linearbewegungen sind auch Schwenkbewegungen möglich. In
unterschiedlichen Ausgestaltungen dieser Erfindung kann die Bewegung
in einer oeder mehreren voneinander abhängig oder unabhängigen Achsen erfolgen.
Der Antrieb für
die Bewegung kann pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch erfolgen.
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2c zeigt
eine ähnliche
Ausprägung
z.B. für
das Kolbenlöten. Über die
Vorrichtungen 6e, 6f und 6g werden Position
und Winkel von Lötkolben (2b)
und Lotzuführeinrichtung
(4) zueinander eingestellt. Die Pneumatikzylinder 6x und 6y realisieren die
Relativbewegung während
des Lötprozesses.
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Bei
automatischen Lötprozessen
wird die Bewegung von einer programmierbaren Steuerung ausgelöst. Dieses
kann in Abhängigkeit
von der Lötzeit
oder von der Temperatur erfolgen.
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3 zeigt
die Funktionsweise der Lotzuführeintrichtung.
Der Lotwerkstoff (3) wird in Form von Lotdraht (3a)
zugeführt.
Der Vorschub erfolgt über
ein Rollenpaar (14). In einem Führungsrohr (16) wird
der Draht zur Dosierpipette (11) geführt, in welchem der Lotdraht
(3a) mit der Energie einer Heizkartusche (13a)
erhitzt und aufgeschmolzen wird.
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Beim
Lötvorgang
wird das flüssige
Lot (3b) durch die Spitze der Dosierpipette (11)
der Lötstelle (1)
zugeführt,
indem Lotdraht (3a) nachgeschoben wird. Dabei bestimmen
Vorschubweg und Vorschubgeschwindigkeit des Lotdrahtes (3a)
die zeitabhängige
Fördermenge
des flüssigen
Lotes (3b). Wird die Richtung der Vorschubbewegung umgekehrt
fährt der
Lotdraht (3a) zurück.
Der Unterdruck, der sich dadurch kurzzeitig im Flüssiglotdepot
(3b) aufbaut, stoppt den Lotaustritt. Der Lotdraht (3a)
wird soweit zurückgezogen,
dass auch ungewollter Lotaustritt aufgrund von thermischer Ausdehnung
beim erneuten Aufschmelzen verhindert wird.
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Für einen
exakte Dosierung ist der Grenzbereich zwischen noch festem Lotdraht
und bereits aufgeschmolzenem Lot möglichst konstant zu halten. Dazu
wird ein Temperaturgefälle
zwischen Zuführung (16)
und Dosierpipette (11) erzeugt. Die Dosierpipette (11)
wird aus gut wärmeleitenden
Material gefertigt und mit einer internen Wärmequelle, beispielsweise einer
Heizkartusche erwärmt.
Das Zuführrohr
(16) hingegen wird aus einem schlecht wärmeleitenden Material gefertigt.
Dieses Temperaturgefälle
kann noch verstärkt
werden, wenn die Zuführung
(16) aus mehreren ineinander geschobenen Rohren gebildet wird,
oder aktiv gekühlt
wird.
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Gut
wärmeleitende
Materialien wie z.B. Kupfer oder Aluminium haben jedoch, die für das Löten unangenehme
Eigenschaft, dass sie sich in dem heißen Lot lösen und damit abnutzen bzw.
das Lot kontaminieren. Für
eine Beschichtung, wie sie z.B. von Lötspitzen bekannt sind, ist
der Durchmesser der Bohrung in der Dosierpipette (11) zu
klein. Beständige
Materialien wie Edelstahl oder Keramik hingegen sind widerum schlechte
Wärmeleiter.
Als Lösung
wird die Dosierpipette (11) aus einem gut wärmeleitendem
Material gefertigt, in welches eine sehr dünne Edelstahlkanüle eingepreßt wird.
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Weiterhin
wird die Dosierpipette (11) so gestaltet, dass sie leicht
ausgewechselt werden kann. Z.B. wird Sie in einen Grundkörper eingeschraubt oder
geklemmt.
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Um
zu gewährleisten,
dass nur aufgeschmolzenes Lot der Lötstelle zugeführt wird,
sollte der Durchmesser der Bohrung in der Dosierpipette (11)
wesentlich kleiner sein als der Durchmesser des Lotdrahtes.
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Mit
einem Temperatursensor in der Dosierpipette (11) kann festgestellt
werden, ob das sich darin befindliche Lot bereits aufgeschmolzen
ist. Um ein Zusetzen der Dosierpipette (11) zu vermeiden,
ist es vorteilhaft, den Vorschub zu anzusteuern, dass er nur dann
bewegt wird, wenn das Lot in der Dosierpipette (11) aufgeschmolzen
ist. Um das Auswechslen der Dosierpipette (11) zu erleichtern
ist es hilfreich, den Temperatursensor nicht in die Dosierpipette
(11) sondern in den ebenfalls gut wärmeleitenden Grundkörper zu
integrieren.
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Wie
bereits bekannt ist, wird der Benetzungsvorgang durch Zugabe von
Flußmittel
unterstützt.
Das Flußmittel
aktiviert die zu benetzenden Oberflächen, fördert die Wärmeleitung in die Lötstelle und
verringert die Oberflächespannung
des Lotes. Oft wird das Flußmittel
bereits in den Lotdraht integriert. Für die im Rahmen dieser Erfindung
beschriebene Lotzuführeinrichtung,
bei der das Lot in der Dosierpipette (11) aufgeschmolzen
wird, kann Flußmittel
im Lotdraht zum Verkleben der Dosierpipette (11) führen. Daher
sollte das Flußmittel
vorher separat aufgetragen werden. Dieses ist besonders deshalb vorteilhaft,
da dem Flußmittel
mehr Zeit verbleibt in dem optimalen Temperaturbereich von etwa 80–150°C die Wirkung
zu erfüllen.
Um einen zusätzlichen
Arbeitsgang zu vermeiden, ist es vorteilhaft, eine Flußmittel-Dosiereinrichtung
in das Lötwerkzeug
zu integrieren. 4 zeigt den Ablauf
des Lötprozesses
mit einem Lötwerkzeug
bestehend aus externer Wärmequelle
(2b), Lotzuführeinrichtung
(4) und Flußmitteldosiereinrichtung
(5).
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Eine
weitere Möglichkeit,
den Lötprozeß zu optimieren
ist es, das Löten
in einer Schutzgas-Atmosphäre
durchzuführen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehenden genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen sonder auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.