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Die
Erfindung betrifft eine Lötvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des beigefügten
Hauptanspruches.
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Eine
Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise bekannt durch eine von
der Anmelderin öffentlich
vorbenutzte Maschine, die im Wesentlichen der Vorrichtung entspricht
aus der
DE 41 37 061
A1 . 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
thermische Belastung der Lötspitze
zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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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,
oh ne dass dies nur durch den Laserstrahl erfolgt. Falls man die
Energie zum Löten
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 41 37 061 A1 .
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
besser 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
herangeführte
Energie aufgeschmolzen und das damit erzeugte flüssige Lot bildet die eigentliche
Lötstelle.
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Die
in der 1 dargestellte Lötspitze 2 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 Laserstrahl als Lichtkegel mit dem Bezugszeichen 9 versehen
ist. Dieser Laserstrahl 9 ist im hier dargestellten Beispiel
auf einen Punkt 10 fokussiert, der am vorderen Ende der
Lötspitze 2 liegt.
Damit kann über
die Laserquelle 14 kurzfristig eine impulsartige Energiezufuhr
an diesem Fokuspunkt 10 auf die Lötspitze 2 gebracht
werden und auf diese Weise kann die vorzunehmende Lötung schneller
durchgeführt
werden.
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Es
ist auch möglich,
den Laserstrahl 9 an seiner Auftrittsstelle etwas weiter
zu streuen, so dass sich ein größerer Lichtfleck
ergibt, der den Bereich um die Lötspitze 2 bzw.
den Fokuspunkt 10 herum bestrahlt. Die Energie der Laserquelle 14 wird
dabei dann sowohl auf die Lötspitze 2 als
auch auf das an der Lötstelle 4 befindliche
Lot und auf einen die Lötstelle 4 umgebenden
Bereich des Substra tes 8 abgegeben, die dabei alle gleichmäßig erwärmt werden. Hierdurch
werden auch zwischen Lötstelle 4 und Substrat 8 bei
der Lötung
auftretende thermische 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 Laserstrahls 9 entweder auf den Fokuspunkt 10 oder
auf einen die Lötstelle 4 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 Laserstrahls 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 als Laserquelle 14 zugeführt. Dieser Diodenlaser hat
dabei eine Leistung von 10–20
Watt. Aufgrund dieser geringen Leistung ist der Diodenlaser 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.