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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Hub-Tauch-Löten.
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Das Hub-Tauch-Löten stellt ein Selektivlöten dar, bei dem nur definierte Bereiche eines Werkstücks mit dem Lot in Berührung kommen. Das Werkstück, wie beispielsweise eine Platine, mit den zu lötenden Lötstellen kann durch ein Oberwerkzeug gehalten werden, das beispielsweise vertikal bewegt werden kann. In einem Lotbad befindet sich flüssiges Lot, von dem mittels eines sogenannten Schöpfwerkzeugs, das Vertiefungen aufweist, um Portionen des flüssigen Lots aufzunehmen, Lotportionen für einen Lötvorgang zur Verfügung gestellt werden können. Die Vertiefungen befinden sich an den entsprechenden Stellen, an denen eine Lötung vorgenommen werden soll. Durch vertikales Verfahren mittels einer Hubeinheit kann solch ein Schöpfwerkzeug in das Lotbad ein- bzw. ausgetaucht werden. Um den Lötvorgang vorzunehmen, wird das Oberwerkzeug in Richtung auf das ausgetauchte Schäpfwerkzeug zu bewegt oder das Schöpfwerkzeug ausgetaucht und in Richtung auf das in eine Lötposition gebrachte Oberwerkzeug zubewegt, und so können in einem Vorgang alle Lötstellen des Werkstücks gelötet werden.
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Aus der
DE 41 33 224 A1 ist es bekannt, dass zum Hub-Tauch-Löten von elektronischen Bauelementen nach oben offene, becherartige Bauteile aus einem Lotbad bis oberhalb des Lotspiegels angehoben und bis zur Unterseite einer Leiterplatte, welche die elektronischen Bauteile umfasst, bewegt werden. Das in den becherartigen Bauteilen enthaltene flüssige Lot kann somit an die Lötstellen herangebracht werden, und eine Lötung der Bauelemente kann vorgenommen werden.
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Dadurch, dass die becherartigen Bauteile und die Leiterplatte mit den elektronischen Bauelementen beim Lötprozess nicht immer optimal zueinander ausgerichtet sind, kann es zu Problemen beim Löten kommen, da zu lötende Lötstellen beispielsweise nicht ordnungsgemäß mit Lot benetzt werden und es somit zu Nichtrötungen kommen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Lötvorgang beim Hub-Tauch-Löten zuverlässiger zu gestalten. Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, in der eine Werkstückauflage mit einer Führungseinheit für ein Schöpfwerkzeug versehen ist.
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Zudem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 14, zum Führen eines Schöpfwerkzeugs mittels einer Führungseinheit, wobei eine Werkstückauflage mit dieser Führungseinheit versehen ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Vorrichtung zum Hub-Tauch-Löten umfasst eine Werkstückauflage, die mit einer Führungseinheit für ein Schöpfwerkzeug versehen ist. Durch die Verbindung der Werkstückauflage mit der Führungseinheit kommt es zu einer Zwangsführung des Schöpfwerkzeugs und der Werkstückauflage. Daher müssen Werkstückauflage und Schöpfwerkzeug nicht zusätzlich zueinander ausgerichtet werden, sondern eine relative Ausrichtung ist durch die Zwangsführung gegeben. Baugruppen können so auf eine Werkstückauflage aufgesetzt werden, dass sie für einen Lötprozess zugänglich sind und dass sie automatisch so positioniert werden, dass sie bei dem Lötprozess eine feste Lage besitzen.
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Durch die Führungseinheit wird das Schöpfwerkzeug parallel zu der Werkstückauflage ausgerichtet. Aus dem Lotbad können mittels des Schöpfwerkzeugs flüssige Lotportionen ausgetaucht werden, wobei die Oberflächen dieser Lotportionen entsprechend parallel zur Oberfläche des Lotbads und parallel zur Werkstückauflage ausgerichtet sind. Somit werden bei einem Lötvorgang alle Lötstellen von flüssigem Lot benetzt, und es kann zu keinen Nichtlötungen kommen, weil eine Lötstelle nicht in das flüssige Lot eintaucht.
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Die Führungseinheit ist vorzugsweise so ausgerichtet, dass sich eine vertikal ausgerichtete Zwangsführung von Schöpfwerkzeug und Werkstückauflage ergibt.
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Die Führungseinheit umfasst beispielsweise Führungsstangen oder Führungsschienen. Damit lässt sich die vertikale Bewegung des Schöpfwerkzeugs gut führen. Das Schöpfwerkzeug umfasst entsprechende Buchsen oder Reiter oder Ähnliches, so dass durch Zusammenwirken mit den Führungstangen oder -schienen die Führung des Schöpfwerkzeugs gegeben ist. Die Führung kann auch in umgekehrter Anordnung vorgesehen sein, wobei das Schöpfwerkzeug Führungsstangen oder -schienen umfasst, die in entsprechenden Gegenstücken der mit der Werkstückauflage verbundenen Führungseinheit laufen.
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Die Werkstückauflage ist vorzugsweise so ausgebildet, dass eine Werkstückaufnahme darauf in einer wohldefinierten Position gebracht werden kann. Dadurch wird die Position der Werkstücke mit der für den Lötvorgang notwendigen Präzision von z. B. 5/10, 2/10 oder 1/10 Millimeter Genauigkeit aufgebracht.
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Die Werkstückauflage kann eine Ausnehmung aufweisen, in die die Werkstückaufnahme eingebracht werden kann. Eine Werkstückaufnahme kann eine oder mehrere Platinen mit zu lötenden (oder bereits gelöteten) Baugruppen umfassen.
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Die Führungseinheit kann außerhalb eines Lotbades angeordnet sein. Durch die Verwendung der geforderten bleifreien Lote kann es zu einer verstärkten Aggressivität gegenüber metallischen Werkstoffen und damit zu einer Degradation der Materialien kommen, die direkt mit dem flüssigen Lot in Berührung kommen. Die Anordnung der Führungseinheit außerhalb des Lotbads reduziert daher deren Verschließ und erhöht die Prozesszuverlässigkeit.
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Die eine oder die mehreren Hubeinheiten für das Schöpfwerkzeug können ebenfalls außerhalb eines Lotbads angeordnet sein.
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An dem Schöpfwerkzeug können Übertragungsbügel vorgesehen sein, an denen das Schöpfwerkzeug gehalten und/oder bewegt werden kann. Damit kann das Schöpfwerkzeug von außerhalb des Lotbades gehalten, geführt bzw. bewegt werden. Die Bügel können z. B. die Form eines umgedrehten Us aufweisen, wobei ein Schenkel des Us in das Lotbad eintaucht und ein Schenkel außerhalb von dem Lotbad verbleibt. Der Übertragungsbügel nimmt zwischen zwei Schenkeln des Bügels die Wandung des Lotbades auf, greift also über diese hinüber. Dadurch kann das Schöpfwerkzeug gut von außerhalb des Lotbades kontrolliert werden. Hierzu kann beispielweise eine Hubeinheit vorgesehen sein, die an dem außerhalb des Lotbades liegenden Ende des Übertragungsbügels angreift, um das Schöpfwerkzeug anzuheben und abzusenken.
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Für die Übertragungsbügel können Gehäuseteile der Werkstückauflage vorgesehen sein. Diese Gehäuseteile schaffen oberhalb der Auflageebene der Werkstückauflage Raum, in den der Übertragungsbügel sich hineinerstrecken kann, insbesondere wenn das Schöpfwerkzeug angehoben ist. Dieser Gehäuseteil dient unter anderem dazu einen geschlossenen Raum für eine Schutzgasatmosphäre oberhalb des Lotbads bilden zu können.
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Oberhalb des Lotbads kann sich eine Schutzgasatmosphäre befinden, so dass die Oberfläche des flüssigen Lots vor Oxidation geschützt ist. Beispielsweise kann ein Raum oberhalb des Lotbads durch eine Abdeckung abgeschlossen werden, wobei diese Abdeckung beispielsweise horizontal verfahrbar ist, um aus dem Bereich entfernt werden zu können, in den ein Schöpfwerkzeug, eine Werkstückaufnahme und/oder ein Oberwerkzeug verfahren werden kann. Wurden die Werkzeuge aus diesem Bereich, beispielsweise nach Beendigung eines Lötvorgangs wieder entfernt, so kann die Abdeckung wieder geschlossen werden, um zu verhindern, dass Sauerstoff und/oder Umgebungsluft in den Bereich des Lotbades eindringt.
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Die Abdeckung kann eine Umrandung aufweisen, auf die ein Oberwerkzeug und/oder eine Werkstückaufnahme so aufgesetzt werden kann, dass sich ein abgeschlossener Raum bilden kann. Dieser Raum kann mit Schutzgas gefüllt und/oder gespült werden, so dass sich die Baugruppen ebenfalls in einer Schutzgasatmosphäre befinden. Das Oberwerkzeug kann hierzu z. B. einen Deckel aufweisen.
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Das Oberwerkzeug und/oder die Werkstückaufnahme kann aber auch so auf den Rand eines Behälters (z. B. eines Beckens), der das flüssige Lot enthalten kann, aufgesetzt werden, dass sich zwischen Oberwerkzeug und/oder Werkstückaufnahme, Abdeckung und Rand des Behälters ein Raum bilden kann. Dieser Raum kann ebenfalls mit Schutzgas gefüllt und/oder gespült werden.
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Um einen Lötvorgang vorzunehmen, kann die Abdeckung entfernt werden, wodurch die beiden Räume zu einem Raum mit einer Schutzgasatmosphäre verbunden werden. Das Oberwerkzeug, die Werkstückaufnahme und die Baugruppen können abgesenkt werden und das Schöpfwerkzeug kann aus dem Lotbad ausgetaucht werden. Befinden sich Oberwerkzeug und Schöpfwerkzeug in einer Lötposition, kann die Lötung vorgenommen werden.
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In einem Verfahren zum Hub-Tauch-Löten wird ein Schöpfwerkzeug mittels einer Führungseinheit geführt, wobei eine Werkstückauflage mit dieser Führungseinheit versehen ist.
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Weiterhin kann die Führungseinheit außerhalb des Lotbads angeordnet sein.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1: schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Hub-Tauch-Löten mit einer Führungseinheit, Werkstückauflage, eingetauchtem Schöpfwerkzeug, Oberwerkzeug mit Werkstückaufnahme und Deckel;
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2: schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Hub-Tauch-Löten mit einer Führungseinheit, Werkstückauflage, eingetauchtem Schöpfwerkzeug, abgesenktem Oberwerkzeug mit Deckel und mit Werkstückaufnahme;
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3: schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Hub-Tauch-Löten mit einer Führungseinheit, Werkstückauflage, ausgetauchtem Schöpfwerkzeug, abgesenktem Oberwerkzeug mit Deckel und mit Werkstückaufnahme;
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4: dreidimensionale Darstellung von Übertragungsbügel mit Befestigungsblock, Hubeinheit, Schöpfwerkzeug und Werkstückauflage.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Hub-Tauch-Löten dargestellt. Die Darstellung des Schnitts durch die Vorrichtung 1 zum Hub-Tauch-Löten erfolgt in zwei unterschiedlichen Schnittebenen A, B. Von der Blickrichtung ausgehend, liegt die eine Schnittebene B (zweite Schnittebene) näher am Betrachter als die andere Schnittebene A (erste Schnittebene). Diejenigen Elemente der Vorrichtung 1, die in der ersten Schnittebene A dargestellt sind, befinden sich innerhalb des gestrichelten Bereichs, der mit dem Bezugszeichen A gekennzeichnet ist. Elemente der Vorrichtung 1, die in der zweiten Schnittebene B gezeigt werden, befinden sich in dem mit dem Bezugszeichen B gekennzeichneten Bereich. In 4 ist der Verlauf der beiden Schnittebenen A, B in drei Dimensionen gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Oberwerkzeug 2 und ein Schöpfwerkzeug 6, wobei das Oberwerkzeug 2 eine Werkstückaufnahme 4, die hier zwei Platinen 5a, 5b mit zu lötenden Baugruppen umfasst, und einen Deckel 3 umfasst. Das Schöpfwerkzeug 6 ist im dargestellten Falle in ein Lotbad 7 eingetaucht ist. Das Oberwerkzeug 2, zusammen mit der Werkstückaufnahme 4, den Platinen 5a, 5b, und dem Deckel 3 sowie das Schöpfwerkzeug 6 sind hierbei in der ersten Schnittebene A dargestellt.
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Zudem umfasst die Vorrichtung 1 eine Hubeinheit 12, um das Schöpfwerkzeug 6 aus dem Lotbad 7 austauchen bzw. in das Lotbad 7 eintauchen zu können und eine Werkstückauflage 15, auf die beispielweise die Werkstückaufnahme 4 aufgebracht werden kann. Weiterhin umfasst die Werkstückauflage 15 eine Führungseinheit 13, hier in Form einer Führungsstange. Im oberen Bereich der Werkstückauflage 15 ist ein Gehäuseteil 8 für einen Übertragungsbügel 9 vorgesehen. Der Übertragungsbügel 9 ist mit einem Befestigungsblock 10 mittels eines Passbolzens 11 oder einer Schraube verbunden. Der Befestigungsblock 10 umfasst eine Führungsbuchse, die die Führungsstange 13 umschließt. Die Führungsstange 13 kann als Rohr oder Vollmaterial ausgebildet sein mit rundem, elliptischem, dreieckigem, viereckigem oder sonstigem Querschnitt. Die Führungsstange 13 verläuft vorzugsweise vertikal.
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In 1 sind Hubeinheit 12, Befestigungsblock 10, Übertragungsbügel 9, Passbolzen 11, Führungsstange 13 und Gehäuseteil 8 für den Übertragungsbügel 9 in der zweiten Schnittebene B dargestellt.
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Die Werkstückauflage 15 kann zum Einen die Ausnehmung 16 am inneren Rand der Öffnung für das Oberwerkzeug aufweisen. Es können zum Anderen aber auch Streben vorgesehen sein, die diese Öffnung über dem Lotbad überbrücken. Diese sind als Rechtecke 15 in 1 zwischen Oberwerkzeug und Lotbad dargestellt. Die Werkstückauflage 15 sowie die Streben sind in der ersten Schnittebene A gezeigt. Die Streben sind auch in 4 dreidimensional schematisch dargestellt.
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Die Bewegung des Befestigungsblocks 10 erfolgt mittels der Hubeinheit 12, wobei die Bewegung ein senkrechtes Verfahren nach oben und unten umfassen kann. Die Hubeinheit 12 kann aber auch direkt an dem Übertragungsbügel 9 angreifen. Von der Hubeinheit 9 ist nur ein Arm dargestellt, der aber mit entsprechenden Aktuatoren wie etwa Pneumatikzylindern auf und ab bewegt werden kann.
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Der Passbolzen 11, der den Befestigungsblock 10 und den Übertragungsbügel 9 verbindet, kann in Aussparungen im Befestigungsblock 10 und im Übertragungsbügel 9 eingepasst sein, so dass eine relative Bewegung von Befestigungsblock 10, Übertragungsbügel 9 und Passbolzen 11 gegeneinander nicht möglich ist. Beispielsweise weist der Passbolzen 11 ein Schraubengewinde auf oder ist als Rohr oder Vollmaterial ausgebildet mit rundem, elliptischem, dreieckigem, viereckigem oder sonstigem Querschnitt, an dessen oberem und/oder unterem Ende Mittel vorgesehen sein können, die eine Verbindung des Passbolzens 11 jeweils mit dem Befestigungsblock 10 und dem Übertragungsbügel 9 ermöglichen. Insbesondere durch eine Bewegung des Übertragungsbügels 9 nach oben kann dieser sich bis in einen Bereich oberhalb der Auflageebene der Werkstückauflage 15 erstrecken. Hier können die Gehäuseteile 8 einen Raum schaffen, der dem Raum oberhalb des Lotbades zugeordnet ist und zur Außenluft abgegrenzt ist. Es ist auch möglich, dass Befestigungsblock 10 und Übertragungsbügel 9 eine Einheit bilden, sodass die Verwendung eines Passbolzens 11 nicht notwendig ist.
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Um einen Lötprozess vorzubereiten, können das Oberwerkzeug 2 mit der Werkstückaufnahme 4 mit den Platinen 5a, 5b und der Deckel 3 zusammen in Richtung auf das Lotbad 7 hin abgesenkt werden bis der Deckel 3 auf einer Werkstückauflage 15 aufliegt, wie in der 2 dargestellt.
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Der dargestellte Deckel 3 umfasst eine ebene, horizontale Grundfläche und ringsum senkrechte Seitenflächen. In einer anderen Ausführungsform des Deckels können die Seitenflächen nicht senkrecht sein, d. h. der Winkel, den sie mit der Grundfläche bilden, kann größer oder kleiner als 90 Grad sein. Der Deckel kann aber auch nur eine ebene, horizontale Grundfläche ohne zusätzliche Seitenflächen umfassen. Auch kann vorgesehen sein, dass der Deckel eine regelmäßig oder unregelmäßig gewölbte Grundfläche besitzt.
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In 2 erfolgt die Darstellung der Elemente der Vorrichtung in zwei Schnittebenen A, B analog zu 1.
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Zwischen der Oberfläche des Lotbads 7 und dem Deckel 3 kann so ein Raum 14 gebildet werden, der vorzugsweise mit Schutzgas gespült und/oder gefüllt werden kann. Durch die Schutzgasatmosphäre kann eine Oxidation der flüssigen Lotoberfläche und/oder der zu lötenden Baugruppen vermieden werden. Die Platinen 5a, 5b können so in Ausnehmungen der Werkstückaufnahme 4 eingepasst werden, dass ein Verrutschen und/oder Verschieben der Platinen verhindert werden kann. Vorzugsweise können zwischen Oberwerkzeug 2 und Werkstückaufnahme 4 Mittel vorgesehen sein (nicht dargestellt), welche einen leichten Druck, beispielsweise von oben, auf die Platinen 5a, 5b und/oder auf die sie umfassenden Bauelemente ausübt, so dass sich Platinen und/oder Bauelemente bei einem Lötprozess durch das von unten drückende Schöpfwerkzeug nicht verbiegen. Das Oberwerkzeug 2 und die Werkstückaufnahme 4 mit den Platinen 5a, 5b können noch weiter in Richtung auf das Lotbad 7 abgesenkt werden, bis die Werkstückaufnahme 4 in eine Ausnehmung 16 der Werkstückauflage 15 eingebracht werden kann und somit beispielsweise eine Lötposition erreicht ist. Als Lötposition kann eine Position bezeichnet werden, in der eine oder mehrere Platinen 5a, 5b und ein ausgetauchtes Schöpfwerkzeug 6 solch eine Lage zueinander aufweisen, dass eine Lötung vorgenommen werden kann, d. h. dass die Baugruppen mit dem flüssigen Lot aus den becherartigen Vertiefungen des Schöpfwerkzeugs 6 benetzt werden können.
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In 3 ist dargestellt, dass das Schöpfwerkzeug 6 aus dem Lotbad 7 ausgetaucht wurde, indem die Hubeinheit 12 nach oben verfahren wurde. Die Bereiche der beiden Schnittebenen nen A, B wurden in 3 gegenüber den 1 und 2 so geändert, dass die nach oben verfahrene Hubeinheit 12 und der Befestigungsblock 10 weiterhin in der zweiten Schnittebene B dargestellt werden können. Diese Bewegung des Schöpfwerkzeugs 6 erfolgt geführt durch die Führungsstangen 13. Durch vier dieser Führungsstangen an verschiedenen Stellen des Schöpfwerkzeugs ergibt sich eine gute Parallelität zwischen Platinen 5a, 5b und Schöpfwerkzeug 6. Durch das Anheben der Hubeinheit 12 wird der Befestigungsblock 10 nach oben gedrückt, der seinerseits den Übertragungsbügel 9 nach oben schiebt. Dadurch fährt dann das am entgegengesetzten Ende des Übertragungsbügels 9 angeordnete Schöpfwerkzeug 6 wohl geführt in die Lötposition.
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4 zeigt, wie das Schöpfwerkzeug 6 mit dem Übertragungsbügel 9 verbunden sein kann, indem die Übertragungsbügel 9 seitlich an dem Schöpfwerkzeug 6 angebracht sind.
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Die Werkstückauflage 15 weist eine Ausnehmung 16 auf, in welche die Werkstückaufnahme 4 eingebracht werden kann. Da das Schöpfwerkzeug 6 mit den Übertragungsbügeln 9 verbunden ist und die Bewegung des Schöpfwerkzeugs 6 durch die Zwangsführung mittels der Führungsstangen 13 geführt wird, ergibt sich eine Parallelität zwischen dem Schöpfwerkzeug 6 und der Werkstückauflage 15. Durch Einbringen der Werkstückaufnahme 4, welche die Platinen 5a, 5b umfasst, in die Ausnehmung 16 der Werkstückauflage 15, sind auch die Platinen 5a, 5b parallel zu dem Schöpfwerkzeug 6 ausgerichtet. Diese Parallelität ermöglicht eine verbesserte Lötung der Bauelemente, da diese ordnungsgemäß mit Lot benetzt werden können, wenn sich die Werkstückaufnahme 4 und das Schöpfwerkzeug 6 in der Lötposition befinden.
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In 4 sind die Übertragungsbügel 9 mit einer umgedrehten U-Form dargestellt. Zwischen den Schenkeln des Us kann sich die Wandung des Lotbades befinden, die, in 4, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
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Die beiden Ebenen A und B geben den Verlauf derjenigen Schnittebenen A, B an, die in den 1 bis 3 verwendet wurden, um die verschiedenen Element der Vorrichtung 1 zum Hub-Tauch-Löten darzustellen.
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Die hier beschriebene Vorrichtung 1 zum Hub-Tauch-Löten umfasst symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten je zwei Einheiten umfassend einen Übertragungsbügel 9, einen Befestigungsblock 10 und eine Hubeinheit 12. Eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Hub-Tauch-Löten kann eine, zwei, drei, fünf oder mehr Einheiten von Übertragungsbügel 9, Befestigungsblock 10 und Hubeinheit 12 umfassen. Auch kann kein separater Befestigungsblock 10 vorgesehen sein, sondern ein einstückiger Übertragungsbügel vorgesehen sein, der das Zusammenwirken mit der Führung 13 und das Angreifen der Hubeinheit 12 ermöglicht.
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Der auf der Hubeinheit 12 aufliegende Befestigungsblock 10 zusammen mit dem Übertragungsbügel 9 wird dementsprechend mit nach oben verfahren, sobald die Hubeinheit 12 sich nach oben bewegt. Ist das Schöpfwerkzeug 6 so weit nach oben aus dem und über das Lotbad 7 verfahren worden, dass es wie die Werkstückaufnahme 4 die Lötposition erreicht hat, kann eine Lötung vorgenommen werden. Nach Beendigung des Lötprozesses kann das Schöpfwerkzeug 6 mittels Verfahren der Hubeinheit 12 nach unten wieder in das Lotbad 7 eingetaucht werden. Das Oberwerkzeug 2 kann zusammen mit dem Deckel 3, der Werkstückaufnahme 4, welche die gelöteten Platinen 5a, 5b umfasst, wieder nach oben von dem Lotbad 7 weg verfahren werden. Für das Verfahren kann ein 2-Achs- oder 3-Achs-System verwendet werden.
