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Die Erfindung betrifft eine Wellenlötmaschine mit einer Pumpe zum Fördern von flüssigem Lot, mit wenigstens einer Lötdüse, in die das flüssige Lot zur Erzeugung einer Lötwelle gefördert wird, und mit einer Referenzdüse, in die das flüssige Lot zur Bestimmung der Wellenhöhe gefördert wird.
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Bei der Herstellung bestückter Leiterplatten werden die auf der Leiterplatte angeordneten Bauteile durch Wellenlöten mit der Leiterplatte verbunden. Bei Anlagen zum selektiven Wellenlöten werden häufig mehrere Lötdüsen beispielsweise auf einer Düsenplatte so angeordnet, dass die Austrittsöffnungen der Lötdüsen in der Lötposition im Wesentlichen vertikal nach oben weisen. Dabei ist der Querschnitt jeder Lötdüse lötbereichsspezifisch geformt, und jede Lötdüse ist einem bestimmten zu lötenden Bereich der Platine zugeordnet. Zum Löten wird die Lötdüse bzw. die Düsenplatte mit den darauf angeordneten Lötdüsen von unten an die zu lötende Platine herangefahren. Dabei wird gleichzeitig der Innenraum der Lötdüse von unten mit flüssigem Lot durchströmt, welches an der in Lötposition obenliegenden Düsenöffnung wellenartig austritt und die dort positionierten Lötstellen der Platine so benetzt, dass die gewünschte Lötverbindung zwischen dem zu verlötenden Bauteil - bzw. zwischen dem Drahtüberstand des Bauteils - und dem zugehörigen Bereich der Platinen-Leiterbahn hergestellt wird.
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Einer exakten Kontrolle aller Prozessparameter, wie beispielsweise Temperaturen, Lotdurchflussmengen, Abständen, Vorschubgeschwindigkeiten usw. kommt beim Wellenlöten sowie beim Multi-Wellenlöten mit mehreren Lötdüsen, eine hohe Bedeutung zu, um mit hoher Reproduzierbarkeit qualitativ hochwertige Lötstellen zu erhalten. Eine zentrale Anforderung beim Wellenlöten liegt darin, dass die Höhe der Welle aus flüssigem Lot exakt bestimmt und nachjustiert werden kann.
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Eine Wellenlötmaschine mit einem Wellenhöhentestsystem ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 212 960 A1 bekannt. Dort findet in einer Referenzdüse eine Nadel Verwendung, deren freies Ende einen Testpunkt einer Testhöhe definiert. Bei Inkontaktkommen des freien Endes der Nadel mit dem flüssigen Lot wird ein elektrisches Signal erzeugt. Mit dieser Vorrichtung kann lediglich bestimmt werden, ob die Testhöhe erreicht ist. Es kann nicht bestimmt werden, um welchen Grad die Testhöhe unterschritten oder überschritten ist. Ein Nachregeln des Pumpenantriebs um eine konstante Testhöhe zu erreichen ist deshalb nicht oder nur bedingt möglich.
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Aus der
DE 10 2013 225 887 A1 ist eine andere Wellenlötmaschine bekannt, bei der ein Messelement in Form eines Messstreifens vorgesehen ist, an dem die Höhe der Lötwelle letztlich abgelesen wird.
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Aus der
DE 44 18 732 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen und/oder Regeln der Höhe einer Lötwelle bekannt. Die Messung der Höhe der Welle erfolgt dabei in einem Abzweig, wobei die Bestimmung der Wellenhöhe in dem Abzweig über einen Sensor erfolgt.
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Aus der
CN 202591786 U ist es bekannt, einen Schwimmkörper auf einer Welle aus flüssigem Lot zu platzieren, um dessen Höhe zu einem Referenzpunkt zu bestimmen. Der Schwimmkörper kann dabei über eine Verbindungsanordnung mit einem in einem geschlossenen Raum beweglichen Kolben verbunden sein, wobei über im Raum vorhandene Drucksensoren bei einer Volumenänderung des Raumes der sich ändernde Druck in dem Raum gemessen werden kann.
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Aus der
US 05315873 A ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines Flüssigkeitsstands bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellenlötmaschine bereitzustellen, mit der auf einfache und schnelle Art und Weise die Wellenhöhe bestimmt und nachgeregelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wellenlötmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Dabei ist vorgesehen, dass in der Referenzdüse einen ortsfest angeordneten Verdrängungskörper vorgesehen ist, wobei der Verdrängungskörper zur Messung der Wellenhöhe wenigstens abschnittsweise in das flüssige Lot eintaucht. Ferner ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die die auf den in das flüssige Lot eintauchenden Verdrängungskörper wirkende Auftriebskraft misst. Zudem ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, mit der in Abhängigkeit von der Auftriebskraft die Wellenhöhe in der Referenzdüse, und damit auch die Wellenhöhe in der Lötdüse, bestimmt werden kann. Je nach Eintauchtiefe des Verdrängungskörpers in die Referenzwelle bzw. das flüssige Lot ändert sich die auf den Verdrängungskörper, der Schwerkraft entgegen wirkende Auftriebskraft. Bei einer hohen Referenzwelle der Referenzdüse ist der Verdrängungskörper tiefer in das flüssige Lot eingetaucht; die Verdrängungskraft ist vergleichsweise hoch. Bei niederer Referenzwelle in der Referenzdüse ist der Verdrängungskörper nur geringfügig in die Lötwelle eingetaucht, wodurch die Auftriebskraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt, vergleichsweise gering ist. Aus der von der Auswerteeinheit gemessenen Auftriebskraft kann letztlich auf die Wellenhöhe in der Referenzdüse und damit auch auf die Wellenhöhe in der Lötdüse rückgeschlossen werden.
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Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Idealfall die Höhe der sich in der Referenzdüse ausbildende Referenzwelle der Höhe der sich in der Lötdüse ausbildenden Lötwelle entspricht. Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Umstände sind die Höhen der beiden Wellen geringfügig unterschiedlich, insbesondere aufgrund von unterschiedlichen Abständen zur Pumpe, von Strömungsunterschieden, von Verschmutzungen und/oder unterschiedlichen Düsenanzahlen. In der Regel besteht allerdings eine eindeutige Abhängigkeit zwischen der Wellenhöhe in der Referenzdüse zu der Wellenhöhe in der Lötdüse.
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Der Verdrängungskörper ist dabei ortsfest, also nicht verschieblich innerhalb der Referenzdüse angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass keine zueinander bewegten Teile vorgesehen sind, welche einem Verschleiß oder einer Verschmutzung unterliegen können. Die Messeinrichtung misst dabei keinen vom Verdrängungskörper zurückgelegten Weg, sondern lediglich die auf den Verdrängungskörper wirkende Kraft.
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Dazu kann in einem Einlernprozess die Wellenhöhe in der Referenzdüse und in der jeweiligen Lötdüse beispielsweise gezielt variiert werden und zugehörige Auftriebskräfte für unterschiedliche Wellenhöhen hinterlegt werden. Im späteren Betrieb der Wellenlötmaschine kann dann aus den hinterlegten Werten der Auftriebskraft auf die jeweilige Wellenhöhe in der Referenzdüse und in der jeweiligen Lötdüse rückgeschlossen werden.
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Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinheit so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit der gemessenen Auftriebskraft die Pumpe regelt. Hierdurch kann ein geschlossener Regelkreislauf bereitgestellt werden, wobei als Regelgröße die Wellenhöhe, bzw. die aus der Wellenhöhe resultierte Auftriebskraft Verwendung findet. Selbstverständlich ist denkbar, dass auch weitere Eingangs- bzw. Regelgrößen berücksichtigt werden können, wie beispielsweise die Geometrie der zu verwendenden Lötdüse oder des zu lötendenden Bauteils, von denen insbesondere der Durchflusswiderstand des Lots durch die Wellenlötmaschine abhängen kann. Aber auch die Zusammensetzung des flüssigen Lots, die Lottemperatur, die Viskosität des Lots oder dergleichen können als Eingangsgrößen Verwendung finden.
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Es hat sich auch gezeigt, dass die Auswerteeinheit so ausgebildet sein kann, dass sie in Abhängigkeit der gemessenen Auftriebskraft und/oder der Leistung der Pumpe einen Verschmutzungsgrad der wenigstens einen Lötdüse und/oder des Lotfördersystems bestimmen kann. Tritt eine Verschmutzung in einer Lötdüse oder innerhalb des Lotfördersystems auf, beispielsweise durch ungewünschte Lotablagerungen, Rückstände und/oder durch sich bildende Kristalle, so ändert sich der Strömungswiderstand des Lots. Insbesondere im Pumpenrohr, das beispielsweise unter dem Tiegel verlaufen kann, können sich solche Rückstände und/oder Kristalle ansammeln. Insgesamt kann über den Verlauf der Auftriebskraft und/oder über die damit einhergehende Pumpenleistung auf einen Verschmutzungsgrad rückgeschlossen werden. Dabei können verschiedene Schwellwerte festgelegt werden. Bei Überschreiten eines jeweiligen Schwellwertes kann ein zugehöriger Verschmutzungsgrad erkannt werden.
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Eine vorteilhafte Wellenlötmaschine sieht eine Anzeigeeinrichtung vor, mit der die von der Auswerteeinheit bestimmte Wellenhöhe und/oder ein Verschmutzungsgrad einem Benutzer angezeigt werden. Die Anzeige kann dabei beispielsweise kontinuierlich sein. Dadurch erhält der Benutzer Informationen, ob die Wellenhöhen einen optimalen Wert aufweist und/oder ob eine Verschmutzung vorliegt.
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Der Verdrängungskörper als solcher kann vorzugsweise eine Spitze und einen sich daran anschließenden Körperabschnitt aufweisen, wobei im Betrieb der Maschine zumindest die Spitze in die Lötwelle an der Referenzdüse eintaucht. Dabei ist vorteilhaft, wenn die Spitze konisch ausgebildet ist und wenn der Körperabschnitt zylindrisch ausgebildet ist. Der Körperabschnitt kann insbesondere kreiszylindrisch sein. Ein solcher Verdrängungskörper, der eine symmetrische Ausbildung aufweist, kann vergleichsweise kleine Abmessungen aufweisen und dennoch gezielt in die Lötwelle an der Referenzdüse eintauchen.
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Der Verdrängungskörper weist vorzugsweise auf der der Lötwelle abgewandten Seite einen sich vorzugsweise in vertikaler Richtung erstreckenden Verbindungsstab auf, über den der Verdrängungskörper mit der Messeinrichtung gekoppelt ist. Dadurch kann die Messeinrichtung örtlich entfernt von der Welle aus flüssigem Lot angeordnet werden und entsprechend geschützt untergebracht werden.
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Ferner ist vorteilhaft, wenn die Referenzdüse von einem Schutzgehäuse umgeben ist, so dass aus der Referenzdüse ausströmendes flüssiges Lot zwischen der Außenwand der Referenzdüse und der Innenseite des Schutzgehäuses abfließen kann. Dies hat den Vorteil, dass keine Verunreinigungen oder eine unerwünschte Reaktion des Lots aufgrund des Vorsehens der Referenzdüse erfolgen können. Zudem wird eine unerwünschte Abkühlung des flüssigen Lots beim Ausströmen aus der Referenzdüse unterbunden.
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Vorteilhafterweise ist nicht nur die Referenzdüse vom Schutzgehäuse umgeben, sondern auch der Verdrängungskörper. Das Schutzgehäuse ist dabei vorzugsweise wenigstens weitgehend luftdicht und mit einem Schutzgas, insbesondere Stickstoff befüllbar, um eine Oxidation des flüssigen Lots zu vermeiden. Zur optischen Kontrolle des Verdrängungskörpers ist vorteilhaft, wenn das Schutzgehäuse ein Sichtfenster aufweist.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Wellenhöhe einer aus flüssigem Lot bestehenden Lötwelle, wobei das Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Wellenlötmaschine vorgesehen ist. Gemäß dem Verfahren wird das flüssige Lot in wenigstens eine Lotdüse und in eine Referenzdüse gefördert, wobei in der Referenzdüse ein Verdrängungskörper ortsfest und nicht verschieblich platziert wird, so dass die auf den Verdrängungskörper wirkende Auftriebskraft gemessen wird, und wobei die Wellenhöhe der Lötwelle in der Lötdüse in Abhängigkeit der gemessenen Auftriebskraft bestimmt wird. Über ein solches Verfahren kann auf einfache und dennoch sehr genaue Art und Weise die Wellenhöhe bestimmt werden.
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Ferner ist vorteilhaft, wenn eine das flüssige Lot fördernde Pumpe in Abhängigkeit von der Auftriebskraft geregelt wird. Es wird folglich ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt und bei Abweichung vom Sollwert die Pumpe entsprechend eingestellt.
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Ein weiteres Verfahren sieht vor, dass ein Verschmutzungsgrad der wenigstens einen Lotdüse bzw. des Lotfördersystems in Abhängigkeit von der Auftriebskraft bestimmt wird.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben und erläutert wird.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung Wellenlötmaschine mit einem Wellenhöhenmesssytem;
- 2 das Wellenhöhenmesssytem der erfindungsgemäßen Wellenlötmaschine in perspektivischer Ansicht;
- 3 eine Vorderansicht des Wellenhöhenmesssytems Referenzdüse gemäß 2; und
- 4 einen Schnitt durch das Wellenhöhenmesssytem gemäß 3 entlang der Linie IV.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Wellenlötmaschine 10 systematisch gezeigt, mit einer Pumpe 12, mit der im Betrieb flüssiges Lot zum einen in eine Lötdüse 14 und zum anderen in eine Referenzdüse 16 gepumpt wird. Die Referenzdüse 16 ist dabei Teil eines Wellenhöhenmesssytems 17. Die Wellenlötmaschine 10 kann mehrere, nicht dargestellte Lötdüsen 14 aufweisen. In den Lötdüsen 14 bilden sich jeweils Lötwellen 18 aus zum Löten von Leiterplatten. Die Lötwelle 18 in der Lötdüse 14 weist dabei eine Wellenhöhe h1 auf. In der Referenzdüse 16 bildet sich aufgrund des von der Pumpe 12 erzeugten Drucks eine Referenzwelle 20 aus, deren Höhe h2 im Idealfall der Höhe h1 der Lötwelle 18 entspricht. In der Realität ist die Höhe h1 von der Höhe h2 etwas verschieden, beispielsweise aufgrund von Strömungsunterschieden, Verschmutzungen und/oder unterschiedlichen Düsenanzahlen. Jedenfalls kann aus der Höhe h2 der Referenzwelle 20 auf die Höhe h1 der Lötwelle 18 rückgeschlossen werden.
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Zur Bestimmung der Wellenhöhe h2 - und damit auch zur Bestimmung der Wellenhöhe h1 - ist in der Referenzdüse 16 ein Verdrängungskörper 22 vorgesehen, der im Betrieb in das flüssige Lot der Referenzwelle 20 eintaucht. Der Verdrängungskörper 22 ist über einen Verbindungsstab 24 mit einer Messeinrichtung 26 gekoppelt. Mit der Messeinrichtung 26 wird die auf den Verdrängungskörper 22 wirkende Auftriebskraft, die aus dem Eintauchen des Verdrängungskörpers 22 in die Referenzwelle 20 resultiert, gemessen. Die Messeinrichtung 26 ist mit einer Auswerteeinheit 28 verbunden, die in Abhängigkeit des Messergebnisses der Messeinrichtung 26 die Wellenhöhe der Referenzwelle 20, und damit auch der Lötwelle 18 bestimmt. Je höher die Referenzwelle 20 ist, desto größer ist die auf den Verdrängungskörper 22 wirkende Auftriebskraft. Je geringer die Auftriebskraft ist, desto geringer ist die Wellenhöhe h2 und damit auch die Wellenhöhe h1. Der Verdrängungskörper 22 ist dabei ortsfest in der Referenzdüse 16 angeordnet.
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Wie ebenfalls aus 1 deutlich wird, wird die Pumpe 26 vorzugsweise von der Auswerteeinheit 28 angesteuert. Die Ansteuerung der Pumpe 12 erfolgt dabei in Abhängigkeit der gemessenen Höhe h2 der Referenzwelle 20. Ferner ist denkbar, dass die Ansteuerung der Pumpe 12 in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen 30, 32 erfolgt, die beispielsweise die Geometrie der Lötdüse 14, die Art und Geometrie der zu lötenden Bauteile, die Lottemperatur und/oder die Lotzusammensetzung beinhalten können.
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Da sich in Abhängigkeit der Verschmutzung der Lötdüse 14 und/oder des Lotfördersystems die Höhe h2 der Referenzwelle 20 (und damit auch die Höhe h1 der Lötwelle 18) bei einer vorgegebenen Pumpenleistung - bzw. sich die Pumpleistung der Pumpe 12 bei konstanter Höhe der Referenzwelle 20 oder der Lötwelle 18 - ändert, kann mit dem Wellenhöhenmesssytem 17 auch ein Verschmutzungsgrad bestimmt werden. Wie aus 1 deutlich wird, kann eine Anzeigeeinrichtung 29 vorgesehen sein, mit der die von der Auswerteeinheit 28 ausgewerteten Daten einem Benutzer angezeigt werden.
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In den 2, 3 und 4 ist eine mögliche Ausbildung eines Wellenhöhenmesssytems 17 gezeigt. Das Wellenhöhenmesssytem 17 umfasst einen Querkanal 30, der im Betrieb mit dem druckbaufschlagten Bereich des Lotfördersystems verbunden ist und der beispielsweise auf einer Düsenplatte einer Lötwellenmaschine 10 angeordnet werden kann. Durch den Querkanal 30 kann von der Pumpe 12 gefördertes, flüssiges Lot in das Wellenhöhenmesssytem 17 einströmen. Das flüssige Lot, das in 4 mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet ist, strömt zunächst durch ein Steigrohr 34 in die eine Düsenoberkante 36 aufweisende Referenzdüse 16. In Betrieb strömt das flüssige Lot 32 zumindest zeitweise und vorzugsweise zyklisch über die Oberkante 36 der Referenzdüse 16 in einen Ringspalt 40, der von der Mantelfläche des Steigrohrs 34 und einem das Steigrohr 34 umgebenden Schutzgehäuse 42 gebildet wird. Im Ringspalt 40 fließt das Lot 32 der Schwerkraft folgend nach unten und verlässt im Fußbereich 44 das Wellenhöhenmesssytem 17.
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Wie aus dem Schnitt gemäß 4 deutlich wird, befindet sich in der Referenzdüse 16 der Verdrängungskörper 22. Der Verdrängungskörper 22 ist hohl ausgebildet und weist eine konische Spitze 46 sowie einen kreiszylindrischen Körperabschnitt 48 auf. In Betrieb befindet sich zumindest die Spitze 46 sowie vorzugsweise ein Abschnitt des Körperabschnitts 48 im flüssigen Lot.
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Wie ebenfalls aus 4 deutlich wird, ist auf der dem Querkanal 30 abgewandten Seite des Verdrängungskörpers 22 der Verbindungsstab 24 angeordnet, der den Verdrängungskörper 22 mit der Messeinrichtung 26 verbindet. Die Messeinrichtung 26 misst die Schwerkraft des Verdrängungskörpers 22 samt Verbindungsstab 24 abzüglich der auf Verdrängungskörper 22 wirkenden Auftriebskraft oder misst - bei einer „Tara“ Nullstellung der Kraft ohne die auf den Verdrängungskörpers 22 wirkende Auftriebskraft - die auf den Verbindungsstab 24 wirkende, der Schwerkraft entgegen gerichtete Kraft. Aus der gemessenen Kraft kann letztlich die Wellenhöhe bestimmt werden.
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Das Schutzgehäuse 42 erstreckt sich, wie aus 4 deutlich wird, nicht nur um das Steigrohr 34, sondern auch um den Verdrängungskörper 22 sowie um den Verbindungsstab 24. Vorzugsweise ist das Schutzgehäuse 42 luftdicht abgeschlossen und mit einem Schutzgas, wie insbesondere Stickstoff, gefüllt.
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Zur Kühlung der Messeinrichtung 26 ist ein Ventilator 50 vorgesehen. Wie aus den 2 und 3 deutlich wird, ist ein Traggestell 52 vorgesehen, mit dem das Schutzgehäuse 42 sowie die Messeinrichtung 26 an am Querkanal 30 befestigt wird. Zur optischen Kontrolle der Referenzwelle weist das Schutzgehäuse 42 ein Fenster 54 auf.
