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Die
Erfindung betrifft eine Lötvorrichtung mit einer Halterung
für einen Lötkolben, der eine Lötspitze aufweist
sowie eine Heizpatrone für die Lötspitze, wobei
die Lötspitze zu einer Lötstelle bewegbar ist.
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Eine
Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise bekannt aus der
DE-A-4 137 061 .
Die dort beschriebene Halterung für die Lötvorrichtung
ist über eine Handhabungsvorrichtung schnell an die Position
einer zu erzeugenden Lötstelle heranfahrbar und enthält
federnde Lagerelemente für den Lötkolben, über die
eine Andrückkraft der Lötspitze an die zu erzeugende
Lötstelle bewirkt wird. Die Halterung der hier vorliegenden
Erfindung kann ähnliche Elemente enthalten.
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Bei
der Erzeugung von Lötstellen wird bei einer Vielzahl von
Produkten heutzutage auf ein bleifreies Lot Wert gelegt. Um die
bekannten bleifreien Lote zu verarbeiten sind dabei höhere
Löttemperaturen notwendig als bei den früher benutzten
bleihaltigen Loten.
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Gleichzeitig
gelten die bleifreien Lote aber auch als chemisch aggressiver als
bleihaltige Lote.
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Diese
beiden Aspekte tragen in erheblichem Maß zu einem stärkeren
Verschleiß von Lötspitzen bei. Insbesondere die
höhere Temperatur führt zu einer unerwünschten
stärkeren Verzunderung der Lötspitze, die dabei
insbesondere auftritt, wenn nicht gelötet wird und die
Lötspitze somit in „Wartestellung" ist.
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Gleichzeitig
werden die zu lötenden Strukturen immer kleiner, so dass
auch die verwendeten Lötspitzen kleiner auszuführen
sind. Damit müssen über die Kerne der Lötspitze,
die aus einem besonders gut wärmeleitfähigen Metall,
z. B. Kupfer bestehen, nicht nur aufgrund der höheren Löttemperaturen
immer größere Wärmemengen geführt
werden, sondern gleichzeitig wird auch deren hierfür zur
Verfügung stehende Querschnittsfläche immer geringer.
Dies erhöht die thermische Belastung der Lötspitze
weiter und verschärft noch das angesprochene Problem der Verzunderung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Lötvorrichtung
anzugeben, mit der die einer Lötstelle während
des Lötvorganges zugeführte Energiemenge entsprechend
zu erhöhen ist, ohne dabei die Gefahr einer Lötspitzenverzunderung
und die thermischen Belastung der Lötspitze zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Lötvorrichtung zusätzlich eine Laserquelle
mit einem Laserstrahl aufweist, der auf den Bereich der Lötspitze
gerichtet ist.
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Der
Gegenstand der Erfindung hat den Vorteil, dass über die
Laserstrahlung der Lötstelle sehr schnell impulsartig zusätzliche
Energie zuführbar ist, ohne dass diese Energie durch die
ganze Lötspitze bzw. deren wärmeleitenden Kern
zu leiten wäre. Die Lötspitze kann somit bei einer
insgesamt niedrigeren Temperatur und auch mit einer geringeren durch
den Kern der Spitze zu leitenden Energiedichte betrieben werden,
so dass die Lötspitze weniger zu einer Verzunderung neigt
und somit insgesamt eine längere Haltbarkeit erhält.
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Der
Laserstrahl kann wahlweise mehr auf die Lötspitze oder
aber mehr auf die Lötstelle gerichtet werden. So kann der
Laserstrahl gegebenenfalls auch die Lötstelle direkt erwärmen
und dadurch den Lötprozess beschleunigen und die Lötqualität
verbessern.
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Wesentlich
ist, dass der Lötstelle erfindungsgemäß ein
erheblicher Anteil der Energie, die für die Lötung
benötigt wird, über die Lötspitze zugeführt wird,
ohne dass dies nur durch den Laserstrahl erfolgt. Falls man die
Energie zum Lö ten ausschließlich über
einen Laserstrahl zuführt, besteht nämlich das Risiko,
dass das Substrat, auf dem die Lötstelle angebracht werden
soll, durch den Laserstrahl überhitzt und dabei „verbrannt"
wird.
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Durch
die vorgesehene Kombination der für das Löten
vorgesehenen Laserquelle mit einer mechanischen Lötspitze
kann man außerdem auch auf bekannte Steuerungen zurückgreifen,
um eine Lötspitze an eine Lötstelle zu bringen.
Eine solche Steuerung ist beispielsweise bekannt bei einer Lötvorrichtung
gemäß der
DE-A-4
137 061 . Dort wird der Lötkolben durch einen entsprechend
ausgelegten und gesteuerten Mechanismus mit voreinstellbarer Kraft an
die Lötstelle herangeführt unabhängig
von irgendwelchen Lagetoleranzen der Lötstelle. Da erfindungsgemäß der
Laserstrahl und die Lötspitze miteinander gekoppelt sind,
trifft bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die einen solchen Mechanismus aufweist, auch der Laserstrahl die
Lötstelle exakt und Lagetoleranzen werden gleichermaßen
ausgeglichen.
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Bei
einer reinen Laserlötung müsste dementgegen eine
erheblich aufwändigere und damit auch sehr kostenträchtige
Bildverarbeitung vorgesehen werden, um die Lagetoleranzen der Lötstelle
ausgleichen zu können und den Laserstrahl exakt zu positionieren.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der
Laserstrahl nicht allgemein auf den Bereich um die Lötspitze
gerichtet, sondern ist auf die Lötspitze fokussiert. Damit
kann die für das Löten notwendige Energie ziel-
und punktgenau über die Lötspitze in die Lötstelle
eingebracht werden.
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Vorteilhafterweise
ist dabei der Laserquelle eine justierbare Laseroptik zugeordnet,
durch die das Laserlicht punktgenau auf die Lötspitze bzw.
die Lötstelle zu richten ist oder mit der auch die Größe
des Lichtflecks einstellbar ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dieser
Laseroptik das Laserlicht über einen flexiblen Lichtleiter
zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Laserquelle unabhängig
von der Position der Laseroptik angeordnet werden kann und somit einem
Konstrukteur größere Freiheit gegeben ist, die Laserquelle
bezüglich der Lötvorrichtung anzuordnen. So können
beispielsweise auch besondere Anforderungen für die Zugänglichkeit
der Einzelelemente bes ser berücksichtigt werden, die z.
B. bei einer Wartung der Lötvorrichtung relevant sind.
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Für
typische Lötstellen auf Leiterplatten ist bei einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung eine Laserleistung von ca. 10–20 Watt ausreichend.
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Eine
Laserquelle mit einer Leistung in diesem Bereich ist dabei insbesondere
auch sehr kostengünstig.
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Um
hier eine besonders betriebssichere Variante zu erhalten, wird vorgeschlagen,
als Laserquelle einen Diodenlaser zu verwenden. Ein solcher ist
ausgereift und industriell gut verfügbar.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen,
dass die Lötvorrichtung eine Zuführung von Inertgas
zu der Lötstelle aufweist. Hierdurch wird eine Oxidation
der Lötstelle verhindert und damit eine gute Lötqualität
erreicht.
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Insbesondere
wird dabei vorgeschlagen, die Zuführung für Inertgas
so auszugestalten, dass sie einen Inertgasmantel um die Lötspitze
bildet. Dieser Inertgasmantel verringert damit gleichzeitig die
Verzunderungsneigung der Lötspitze.
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Es
sei hierbei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße
Zufuhr von Laserlicht durch das Inertgas nicht behindert wird, da
das Laserlicht, das Inertgas durchdringt ohne durch dieses abgelenkt
o. ä. zu werden.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt
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1 die
Prinzipskizze einer Lötvorrichtung mit einer Lötspitze
und einem Lötlaser.
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In
der 1 erkennt man einen Lötkolben 1, der
eine Lötspitze 2 aufweist. Innerhalb des Lötkolbens 1 ist
eine Heizpatrone 3 vorgesehen, die elektrisch zu beheizen
ist und ihre Energie über einen Kern aus gut Wärme
leitendem Material, z. B. aus Kupfer in die Lötspitze 2 abgibt.
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Die
Lötspitze 2 wird in bekannter Weise mit einer
(nicht dargestellten) Handhabungsvorrichtung an eine Lötstelle 4 herangeführt
und gleichzeitig wird über eine Zuführung 5 Lötdraht 6 an
die Lötstelle 4 zugeführt. An der Lötstelle 4 wird
außerdem noch ein Flussmittel zugeführt, wie dies
bei einer Lötung üblich ist. Der Lötdraht
wird durch die von der Lötspitze herangeführten
Energie aufgeschmolzen und das damit erzeugte flüssige
Lot bildet die eigentliche Lötstelle.
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Die
in der 1 dargestellte Lötspitze ist mit einem
Inertgasmantel 7 umgeben, der bis zu der Lötstelle 4 strömt
und dabei sowohl die Lötspitze 2 als auch die
Lötstelle 4 umspült. So verhindert der
Inertgasmantel 7 eine Verzunderung der Lötspitze 2 und gewährleistet
gleichzeitig eine oxidationsfreie Herstellung der Lötstelle 4.
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Um
der Lötstelle 4 auf dem Substrat 8 kurzfristig
zusätzliche Energie impulsartig zuzuführen, die insbesondere
benötigt wird zum schnellen Aufschmelzen des zugeführten
Lötdrahtes 6, wobei diese Energie dabei nicht über
die Lötspitze 2 geleitet wird, weist die hier
dargestellte Vorrichtung eine Laserquelle 14 auf, deren
Licht als Lichtkegel mit dem Bezugszeichen 9 versehen ist.
Dieser Lichtkegel 9 ist im hier dargestellten Beispiel
auf einen Punkt 10 fokussiert, der am vorderen Ende der
Lötspitze 2 liegt. Damit kann über die
Laserquelle kurzfristig eine impulsartige Energiezufuhr an diesem
Fokuspunkt 10 auf die Lötspitze gebracht werden
und auf diese Weise kann die vorzunehmende Lötung schneller
durchgeführt werden.
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Es
ist auch möglich, den Lichtkegel 9 an seiner Auftrittsstelle
etwas weiter zu streuen, so dass sich ein größerer
Lichtfleck ergibt, der den Bereich um die Lötspitze bzw.
den Fokuspunkt 10 herum bestrahlt. Die Energie der Laserquelle
wird dabei dann sowohl auf die Lötspitze als auch auf das
an der Lötstelle 4 befindliche Lot und auf einen
die Lötstelle 4 umgehenden Bereich des Substrates 8 abgegeben, die
dabei alle gleichmäßig erwärmt werden.
Hierdurch werden auch zwischen Lötstelle 4 und
Substrat 8 bei der Lötung auftretende ther mische
Unterschiede verringert und somit auch aus solchen resultierende
Spannungen vermieden, wodurch die Qualität der vorgenannten
Lötungen erhöht wird.
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Um
die Fokussierung des Lichtkegels 9 entweder auf den Fokuspunkt 10 oder
auf einen die Lötstelle umgebenden Bereich vorzunehmen,
ist bei der hier dargestellten Vorrichtung eine justierbare Laseroptik 11 vorgesehen.
Bei dieser kann über Stellantriebe 12 die Position
oder aber auch der Abstrahlwinkel des Lichtkegels 9 verändert
werden. Die Stellantriebe können bei Bedarf auch als Stellmotoren
ausgeführt werden, die über eine (nicht dargestellte)
Steuerung betrieben werden.
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Der
in der 1 dargestellten Laseroptik 11 wird das
Laserlicht durch einen flexiblen Lichtleiter 13 von einem
Diodenlaser 14 als Laserquelle zugeführt. Dieser
Diodenlaser 14 hat dabei eine Leistung von 10–20
Watt. Aufgrund dieser geringen Leistung baut der Diodenlaser 14 relativ
klein und kann deshalb und wegen seiner Ankopplung an die Laseroptik über den
flexiblen Lichtleiter 13 relativ beliebig in einem Bauraum
innerhalb oder nahe der hier beschriebenen Vorrichtung zum Löten
positioniert werden.
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Insgesamt
stellt die hier dargestellte Vorrichtung somit eine betriebsichere,
kostengünstige Konstruktion dar, mit der insbesondere auch
eine Vielzahl von Lötstellen in kürzester Zeit
herstellbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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