DE102008038418B4 - Lötvorrichtung mit einer Lötspitze und einem zusätzlichen Lötlaser - Google Patents

Lötvorrichtung mit einer Lötspitze und einem zusätzlichen Lötlaser Download PDF

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    • B23K1/005Soldering by means of radiant energy
    • B23K1/0056Soldering by means of radiant energy soldering by means of beams, e.g. lasers, E.B.

Abstract

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. Um an diese Lötstelle schnell und mit hohem Impuls Energie zuführen zu können, wird vorgeschlagen, die Lötvorrichtung zusätzlich mit einem Lötlaser zu versehen, dessen Licht auf den Bereich der Lötspitze gerichtet bzw. fokussiert ist. Damit können beim Löten benötigte hohe Energiemengen über das Laserlicht zugeführt werden und müssen nicht durch die Lötspitze in die Lötstelle gebracht werden. Hierdurch wird die Lötspitze thermisch weniger belastet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lötvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Hauptanspruches.
  • 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.
  • 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.
  • Gleichzeitig gelten die bleifreien Lote aber auch als chemisch aggressiver als bleihaltige Lote.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für typische Lötstellen auf Leiterplatten ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Laserleistung von ca. 10–20 Watt ausreichend.
  • Eine Laserquelle mit einer Leistung in diesem Bereich ist dabei insbesondere auch sehr kostengünstig.
  • Um hier eine besonders betriebssichere Variante zu erhalten, wird vorgeschlagen, als Laserquelle einen Diodenlaser zu verwenden. Ein solcher ist ausgereift und industriell gut verfügbar.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt
  • 1 die Prinzipskizze einer Lötvorrichtung mit einer Lötspitze und einem Lötlaser.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. Lötvorrichtung mit einer Lötspitze (2), die zu einer Lötstelle (4) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötspitze einen Kern aus gut wärmeleitfähigem Material aufweist, über den ein erheblicher Anteil der Energie geführt wird, die für eine Lötung benötigt wird, wobei die Lötvorrichtung zusätzlich eine Laserquelle (14) mit einem Laserstrahl (9) aufweist, der auf den Bereich der Lötspitze (2) gerichtet ist und mit dem der Lötstelle (4) zusätzliche Energie zuführbar ist.
  2. Lötvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (9) auf einen Fokuspunkt (10) an der Lötspitze (2) fokussiert ist.
  3. Lötvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserquelle (14) eine justierbare Laseroptik (11) zugeordnet ist.
  4. Lötvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht der Laseroptik (11) über einen Lichtleiter (13) zugeführt wird.
  5. Lötvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (14) eine Leistung zwischen 10 und 20 Watt hat.
  6. Lötvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (14) ein Diodenlaser ist.
  7. Lötvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Zuführung von Inertgas zu der Lötstelle (4) aufweist.
  8. Lötvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung einen Inertgasmantel (7) um die Lötspitze (2) bildet.
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