DE102007025461A1

DE102007025461A1 - Quasisimultanbearbeitung mit Laserscanner

Info

Publication number: DE102007025461A1
Application number: DE102007025461A
Authority: DE
Original assignee: ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NI; ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NIEMEIER GmbH
Current assignee: ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NI; ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NIEMEIER GmbH
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2007-12-27

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Laser und einem Scannerspiegel (SS), bei dem ein in den Strahlengang eingekoppelter beweglicher Spiegel (SS) den Laserstrahl so auf andere Ablenkspiegel (SL, SR ...) leitet, dass von dort aus der Bearbeitungsbereich aus unterschiedlichen Richtungen erreicht wird. Dadurch können mehrere Bearbeitungsstellen (3a, 3b) quasi-simultan erwärmt werden, so dass neben einer höheren Produktivität negative Effekte wie z. B. der Grabsteineffekt beim Löten von elektronischen Bauteilen vermieden werden können. Da der Strahl die Bearbeitungsebenen von unterschiedlichen Ablenkspiegeln erreicht, ist es möglich, auch Stellen unmittelbar an den äußeren Kanten eines Bauteils zu erwärmen.

Description

Laserlöten ist ein etabliertes und wichtiges Lötverfahren in der Elektronikfertigung, insbesondere beim Löten einzelner Bauteile. Üblicherweise werden dafür Diodenlaser verwendet, die über eine Optik fokussiert werden. Dieser Lasertyp ist kostengünstiger als andere Lasertypen (Festkörperlaser, Gaslaser) und hat einen höheren Wirkungsgsgrad.
Dargestellt ist das Verfahren des Laserlötens in 1. Ein Laserstrahl tritt aus einer Fokussieroptik aus und trifft mit dem Fokuspunkt auf eine mit Lotpaste versehene Lötstelle. Die Druckschrift DE 10 2004 005 850 A1 zeigt beispielsweise wie mit einem Diodenlaser elektronische Bauteile auf eine Folie aufgelötet werden.
Bei kleinen zweipoligen Bauelementen besteht jedoch beim Laserlöten die Gefahr des „Grabstein-Effektes". Wenn die erste Lötstelle aufgeschmolzen wird, übt die Oberflächenspannung des flüssigen Lotes eine erhebliche Kraft auf das Bauelement aus und das Bauteil stellt sich auf. Ein elektrischer Kontakt an der zweiten Lötstelle ist damit nicht mehr möglich.
Um einen für kleine Bauteile unvorteilhaften Niederhalter zu vermeiden, ist es hilfreich, beide Lötstellen gleichzeitig zu löten (simultan). Die Verwendung von 2 Lasern führt jedoch zu einem erheblich höheren Aufwand als mit einem Laser. Zusätzlich vergrößert sich der Bauraum und Gewicht des Lötkopfes und die freie Beweglichkeit nimmt ab. Alternativ könnte der Strahl eines Lasers in zwei Strahlen aufgeteilt werden.
Als weitere Möglichkeit können Scannerspiegel (SS) im Strahlengang des Lasers angeordnet werden (siehe 3). Eine Ausprägung beschreibt die Druckschrift DE 102 13 577 B3 . Dabei wird der Laserstrahl durch einen oder mehrere mit Stellmotor angetriebene bewegliche Spiegel auf die gewünschte Bearbeitungsstelle gelenkt. Dabei bedeutet quasi-simultan, dass zwar der Laserstrahl mehrfach zwischen mehreren Lötstellen springt, jedoch dieser Wechsel so schnell erfolgt, dass alle Lötstellen gleichzeitig gelötet werden. Hierbei wirkt sich nachteilig aus, dass der Laserstrahl die Lötstellen nicht seitlich trifft, sondern direkt am Bauteil vorbei auf das Lot trifft. Dies führt zur Beschädigung des Bauelements oder Abschattung der Lötstelle. Des weiteren ist ein Abschalten des Lasers beim Wechsel von einer Lötstelle zur anderen notwendig, da sonst das Bauelement beschädigt wird. Das häufige Abschalten wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Laserdiode aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mehrere Stellen im Arbeitsraum mit nur einem Laser gleichzeitig zu bearbeiten.
Realisiert wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Basis ist die Anordnung eines Scannerspiegels (SS) und weiteren Ablenkspiegeln (SL, SR, SM), so dass der Laserstrahl vom Scannerspiegel (SS) auf die Ablenkspiegel (SL, SR, SM) und von dort auf die zu lötenden Bearbeitungspunkte trifft (siehe 4–6). Alternativ zu mehreren einzelnen Ablenkspiegeln kann auch ein einzelner gekrümmter Spiegel eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Scannerspiegel (SS) nicht senkrecht zum Strahlengang des Lasers angeordnet ist siehe 5). Dadurch wird im Dauerbetrieb des Lasers (cw) bei mittlerer Stellung des Scannerspiegels (SS) eine Rückreflexion in die Optik vermieden.
Darüber hinaus trifft der jeweilige Strahl von außen auf die jeweilige Lötstelle. Es gibt keine Abschattung durch das Bauteil.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen (4–6) dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
4 zeigt die Vorderansicht des Komplettaufbaus: Die Optik (1) wird über dem Bauteil (2) positioniert. Zwischen Optik und Bauteil wird ein Scannerspiegel (SS) angeordnet. Der Scannerspiegel (SS) wird vorzugsweise von einem Elektromotor angetrieben, der den Spiegel in die gewünschten Positionen dreht. Die beiden Umkehrpunkte des Scannerspiegels sind so gewählt, dass der Laserstrahl auf den jeweiligen Ablenkspiegel (SL, SR) auftrifft. Die Ablenkspiegel sind starr oder justierbar angeordnet oder über einen geeigneten Antrieb automatischem im Winkel einstellbar. Durch die sehr schnelle alternierende Drehbewegung des Scannerspiegels (SS) ist eine quasi-simultane Bearbeitung von zwei Bearbeitungspunkten möglich.
Der Abstand a der beiden Bearbeitungspunkte (Lötstelle 3a und 3b) wird über die Endpositionen des Scannerspiegels (SS) bestimmt und ist somit frei programmierbar. Alternativ kann der Scannerspiegel auch zwischen Festanschlägen drehen und der Abstrand wird über die justierbaren Ablenkspiegel (SL, SR) eingestellt. Kombinationen und Mischformen sind möglich. Darüber hinaus kann der Abstand der beiden Bearbeitungspunkte durch Variation des Arbeitsabstandes A verändert werden.
Vorteilhaft ist es, zwischen der Optik mit den Spiegeln und der Bearbeitungsebene ein Schutzglas (SG) anzuordnen.
Je nach Anforderungen an die Strahlgeometrie kann es vorteilhaft sein, die Strahlablenkung mit den Spiegeln (SS, SL, SR,...) vor, in oder nach der Optik anzuordnen.
5 zeigt die Seitenansicht bei Mittelposition des Scannerspiegels (SS) mit Ablenkung des Laserstrahls auf den Kühlkörper (K). Es ist vorteilhaft, wenn die Drehachse des Scannerspiegels (SS) leicht nach oben geneigt ist (Winkel α) um in der Mittelposition den auftreffenden Laserstrahl zum Ablenkspiegel (SM) oder direkt auf einen Kühlkörper (K) zu leiten. Dort wird die überschüssige Lichtenergie in Wärme umgewandelt. Auch muß der Laser in der Mittelstellung nicht ausgeschaltet werden, um das empfindliche Bauteil zwischen den Lötstellen nicht zu beschädigen. Dadurch wird die Lebensdauer des Lasers erhöht.
6 zeigt die Seitenansicht bei Bearbeitungsposition des Scannerspiegels (SS) mit Ablenkung des Laserstrahls auf den Ablenkspiegel (SR). Von den eingestellten Ablenkspiegeln erfährt der Laserstrahl eine Ablenkung zur Arbeitsoberfläche, auf der sich das Bauteil (2) befindet. Die Ablenkspiegel (SL, SR) sind so eingestellt, dass der Laserstrahl auf die Lötstelle (3) fokussiert wird, um einen möglichst hohen Energieeintrag an dieser Stelle zu erhalten. Für das Erhalten eines Fokuspunktes an der Lötstelle (3) ist es Voraussetzung, dass der gesamte Aufbau einen vorgeschriebenen Arbeitsabstand aufweist. Dieser Arbeitsabstand kann wiederum von Hand oder elektrisch mit einer Achse verändert werden.
Des weiteren kann dieses Verfahren auch zum Löten von mehrpoligen Bauteilen verwendet werden, indem man mehr als nur zwei Ablenkspiegel (SL, SR) an verschieden Stellen installiert. Diese können dann so eingestellt werden, das jeder Spiegel SR1, SR2,... SL1, SL2,... den Laserstrahl auf eine Lötstelle (3) ablenkt. Dabei kann die Neigung der einzelnen Ablenkspiegel so gewählt werden, dass darüber die 2. Dimension der Arbeitsebenen (AE) erschlossen wird.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, Sensoren wie z.B. eine Kamera, ein Pyrometer oder eine Leistungsmessung, in den Strahlengang zu integrieren und vor, während oder nach der Bearbeitung auszuwerten. Mit der Kamera kann die aktuelle die Position des auftreffenden Laserstrahls überprüft werden. Mit einem Pyrometer kann die Temperatur an der Bearbeitungsstelle gemessen werden. Eine Leistungsmessung überwacht die abgegebene Laserleistung und damit die Alterung des Lasers.
Darüber hinaus können diese Signale verwendet werden, um den Prozeß aktiv zu regeln. Auf diese Weise können Temperaturgrenzwerte überwacht oder Temperaturprofile an der Bearbeitungsstelle erreicht werden.
Da die Bearbeitung ständig und schnell zwischen zwei oder mehreren Punkten wechselt, ist es hilfreich, wenn die Signale von möglichen Sensoren so getriggert und ausgewertet werden, dass einzelne Sequenzen einzelnen Bearbeitungspunkten zugeordnet werden können.

Claims

Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem Laser und einem Scannerspiegel (SS), dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Strahlengang eingekoppelter beweglicher Spiegel (SS) den Laserstrahl auf andere Ablenkspiegel (SL, SR...) leitet, so dass von dort aus die Arbeitsebene (AE) aus unterschiedlichen Richtungen erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Scannerspiegels so angeordnet ist, dass in der Mittelstellung der Strahl nicht in den Laser zurückgeleitet wird, sondern in eine andere Richtung abgelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Ablenkspiegel (SL1, SL2,..., SR1, SR2,...) so angeordnet sind, dass der Strahl in die 2. Dimension der Arbeitsebene (AE) abgelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera in den Strahlengang eingekoppelt und diese so ausgewertet wird, dass jeweils eine Bildsequenz für einen Bearbeitungspunkt erzeugt wird,
Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Laser und einem Scannerspiegel (SS), dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Strahlengang eingekoppelter beweglicher Spiegel (SS) angeordnet wird, der den Laserstrahl auf andere in der Vorrichtung angeordnete Ablenkspiegel (SL, SR...) leitet, so dass er von dort aus die Arbeitsebene (AE) aus unterschiedlichen Richtungen erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Scannerspiegels so angeordnet ist, dass in der Mittelstellung der Strahl nicht in den Laser zurückgeleitet wird, sondern in eine andere Richtung abgelenkt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 5–6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Ablenkspiegel (SL1, SL2,..., SR1, SR2,...) so angeordnet sind, dass der Strahl in die 2. Dimension der Arbeitsebene (AE) abgelenkt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera in den Strahlengang eingekoppelt und diese so ausgewertet wird, das jeweils eine Bildsequenz für einen Bearbeitungspunkt erzeugt wird,
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pyrometer oder andere Sensoren in den Strahlengang angeordnet werden eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Signale den einzelnen Bearbeitungspunkten so zugeordnet, dass die Laserleistung für jeden Bearbeitungsbeitspunkt unabhängig geregelt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Scannerspiegels (SS) frei programmiert werden und darüber der Abstand der Bearbeitungspunkte eingestellt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkspiegel so justiert werden können (per Hand oder elektrisch mit Stellmotor), dass verschiedene Arbeitsabstände für unterschiedliche Bauteile gewählt werden können.