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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lötanlage zum Löten von Leiterplatten sowie eine Lötanlage, wobei die Lötanlage eine Spulen umfassende Induktionspumpe zum Pumpen von flüssigem Lot, eine Düse, aus der im Betrieb der Lötanlage das flüssige Lot in Form einer Lotwelle austritt, und eine Steuereinheit, über die die Induktionspumpe, bzw. ein Frequenzumrichter der Induktionspumpe, mit einem Pumpenansteuerungswert ansteuerbar ist, umfasst.
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Die Förderleistung der Induktionspumpe ist bei solchen Lötanlage über den Zeitraum des Anlaufs nicht konstant. Das äußert sich indem die Lotwelle, die aus der Düse strömt, nicht konstant auf ein und derselben Höhe bleibt. Die Induktionspumpe wird grundsätzlich von zwei Wärmeeinwirkungen beeinflusst, die ihre Förderleistung beeinträchtigen. Einerseits ist die Wärmeübertragung des heißen Lotreservoirs über das Metall ein Einfluss, der die Temperatur der Pumpe bis zum Einschalten maßgeblich bestimmt. Andererseits findet eine interne Erwärmung (Eigenerwärmung) der Pumpe statt, sobald sie eingeschaltet wird und elektrischer Strom durch sie fließt. Dabei lässt eine Temperatursteigerung der Spulen den Innenwiderstand der Kupferdrähte der Spulen ansteigen. Bei gleichen Ansteuerparametern der Pumpe fließt dadurch weniger Strom durch die Spulen. Die Magnetfeldstärke wird entsprechend der Stromstärke schwächer und damit lässt die Induktionswirkung auf das Lot und insgesamt die Förderleistung nach. Um eine Sollwellenhöhe der Lotwelle im Anlauf einigermaßen konstant zu halten, ist es bekannt Lötwellenhöhentests durchzuführen. Diese ermitteln die fehlende Leistung der Pumpe, die für eine gleichbleibende Wellenhöhe benötigt wird, und führt diese über die Steuereinheit der Pumpe zu.
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Eine Lötanlage 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.
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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 Lotwelle letztlich abgelesen wird.
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Um eine möglichst konstante Höhe der Lotwelle während des Lötprozesses zu erreichen, ist es aus der
DE 10 2015 212 960 A1 und der
CN107335888 A bekannt, den Pumpenansteuerungswert über die Steuereinheit nachzuregeln. Dazu wird ein Pumpenmodell verwendet, wobei dort eine Temperatur einer Spule der Induktionspumpe berücksichtigt und eine Temperaturabhängigkeit der Impedanz der Spule herangezogen wird, wozu ein Phasenwinkel zwischen einem Strom und einer Spannung der Impedanz der Spule gemessen wird. Ein derartiges Pumpenmodell ist vergleichsweise aufwendig und erfordert zusätzliche technische Maßnahmen, wie beispielsweise Messwerte über den Phasenwinkel aus dem Frequenzumrichter. Ferner wird die Historie der Pumpenansteuerung über den letzten Lötwellenhöhentest hinaus benötigt.
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Ferner ist aus der
EP 1 308 232 A1 eine Lötanlage mit einer elektromagnetischen Pumpe bekannt, bei der die Verwendung der zur Pumpe zugeführten Energie mit geringem Verlust einhergehen soll. Zudem offenbart die
EP 1 724 047 A1 eine Lötanlage ohne bewegliche Teile, sodass abrasiven Effekten entgegengewirkt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Lötanlage sowie eine Lötanlage bereitzustellen, mit der auf einfache und schnelle Art und Weise die Wellenhöhe der Lotwelle nachgeregelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Das Verfahren findet Anwendung in einer Lötanlage, die folgendes umfasst:
- Eine Spulen umfassende Induktionspumpe zum Pumpen von flüssigem Lot, eine Düse, aus der im Betrieb der Lötanlage das flüssige Lot in Form einer Lotwelle austritt, und eine Steuereinheit, über die die Induktionspumpe mit einem Pumpenansteuerungswert ansteuerbar ist. Das Verfahren kennzeichnet sich durch folgende Schritte:
- (a) Bestimmen eines Pumpenansteuerungswerts Pt1 mittels eines Lötwellenhöhentests, bei dem der Pumpenansteuerungswert so eingestellt wird, dass eine die Düse um eine Sollwellenhöhe überragende Lotwelle bereitgestellt wird,
- (b) Messen der Spulentemperatur T1 während des Lötwellenhöhentests,
- (c) nach Durchführung der Schritte (a) und (b) Löten von Leiterplatten zunächst mit dem im Schritt (a) ermittelten Pumpenansteuerungswert Pt1,
- (d) Messen Spulen-Ist-Temperatur Tist während des Lötvorgangs gemäß Schritt (c),
- (e) Verstellen des Pumpenansteuerungswerts Pt1 in linearer Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz Tdelta, wobei gilt:
mit Tist: Spulen-Ist-Temperatur; und
T1: Spulentemperatur während des Lötwellenhöhentests.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat folglich den Vorteil, dass zwischen zwei Lötwellenhöhentests eine Korrektur des Pumpenansteuerungswerts Pt in linearer Abhängigkeit der an den Spulen auftretenden Temperaturdifferenz Tdelta erfolgt. Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zwischen der Temperaturdifferenz Tdelta und der Höhe der Lotwelle eine Abhängigkeit besteht, die im Wesentlichen linear ist. Es hat sich gezeigt, dass durch Verstellen bzw. Korrigieren des Pumpenansteuerungswerts Pt in linearer Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz Tdelta letztlich die Lotwelle eine ausreichend konstante Höhe aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es vergleichsweise einfach realisierbar ist. Anders als bei bekannten Verfahren zum Nachregeln der Lötwellenhöhe findet hier kein Modell Anwendung, das auf Messwerte aus dem Frequenzumrichter oder auf die Historie der Pumpenansteuerung zurückgreift. Es wird lediglich die jeweilige Spulentemperatur zum einen während des Lötwellenhöhentests und zum anderen im Betrieb der Lötanlage gemessen. Der Pumpenansteuerungswert Pt wird dann in linearer Abhängigkeit der Temperaturdifferenz Tdelta, also der Differenz zwischen der Spulentemperatur während des Lötwellenhöhentests und der jeweils aktuellen Spulen-Ist-Temperatur, verstellt.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, den Pumpenansteuerungswert Pt jeweils zwischen zwei Lötwellenhöhentests zu korrigieren. Nach Durchführung eines erneuten Lötwellenhöhentests wird die Temperaturdifferenz Tdelta auf Basis der jeweiligen Spulentemperatur während des jeweiligen Lötwellenhöhentests bestimmt. Insofern kann durch das erfindungsgemäße Verfahren zwischen jeweils zwei Lötwellenhöhentests eine Lotwelle bereitgestellt werden, die eine weitgehend konstante Wellenhöhe aufweist.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Lötanlage vorgeschlagen, die eine Induktionspumpe zum Pumpen von flüssigem Lot umfasst, wobei die Induktionspumpe mehrere Spulen aufweist. Ferner umfasst die Lötanlage eine Düse, aus der im Betrieb der Lötanlage das flüssige Lot in Form einer Lotwelle austritt. Ferner ist eine Steuereinheit vorgesehen, über die die Induktionspumpe mit einem Pumpenansteuerungswert ansteuerbar ist. Die Lötanlage umfasst zudem eine Temperatursensoreneinheit zur Bestimmung der Spulentemperatur. Die Steuereinheit ist dabei zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
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Die Temperatursensoreinheit kann dabei als an wenigstens einer der Spule anliegendes Anlagethermoelement ausgebildet sein. Dabei ist denkbar, dass mehrere Anlagethermoelemente, beispielsweise an jeder Spule ein Anlagethermoelement, vorgesehen sind, wobei die Ausgangssignale der einzelnen Anlagethermoelemente zur Bestimmung der Spulentemperatur herangezogen werden. Insbesondere ist denkbar, die Ausgangssignale der einzelnen Anlagethermoelemente zu mitteln.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lötanlage; und
- 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.
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In der 1 ist schematisch eine Lötanlage 10 gezeigt, die eine Steuereinheit 12 aufweist, die mit einem Pumpenansteuerungswert Pt einen Frequenzumrichter 14 ansteuert. Der Pumpenansteuerungswert Pt ist dabei ein Digit-Wert. Der Frequenzumrichter 14 teilt seinen Spannungsbereich von insbesondere 0 Volt bis 50 Volt und seinen Frequenzbereich von 0 Hz bis 60 Hz auf insgesamt 16 Bit auf. Der Frequenzumrichter 14 kann folglich mit einem Pumpenansteuerungswert Pt im Bereich von 0 bis 32768 (215) angesteuert werden, je nach Leistung der Pumpe bei einer bestimmten Geometrie oder Größe der Düse. Mit ansteigendem Pumpenansteuerungswert Pt werden Spannung und Frequenz am Ausgang des Frequenzumrichters 14 angehoben.
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In der 1 ist die Induktionspumpe mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet, wobei die Induktionspumpe 16 in der Figur nicht gezeigte Spulen umfasst, welche mit der vom Frequenzumrichter 14 bereitgestellten Spannung und Frequenz beaufschlagt werden. Die Induktionspumpe 16 bildet dabei eine Strecke, durch welche das flüssige Lot während des Pumpvorgangs strömt. Der Pumpe 16 nachgeschaltet ist eine Düse 18, aus welcher im Betrieb das flüssige Lot in Form einer Lotwelle austritt. Die Lotwelle überragt im Idealfall die Düse 18 um eine Sollwellenhöhe, die vorzugsweise 3 mm beträgt.
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Der Pumpenansteuerungswert Pt hängt dabei insbesondere von einem Offset Off, einem Gradienten G und einem Stellgrad St ab. Der Offset ist dabei der Ansteuerparameter für den Frequenzumrichter 14, insbesondere beim Einschalten der Induktionspumpe 16. Über den Gradienten und den Stellgrad kann eine Feineinstellung des Frequenzumrichters 14 bereitgestellt werden. Der Gradient G hängt dabei von der Düsengeometrie bzw. der Düsengröße ab. Mit dem Stellgrad von 1% bis 100% kann letztlich die Förderleistung der Induktionspumpe 16, insbesondere während der Durchführung eines Lötwellenhöhentests, verstellt werden. Mit steigender Spannung in den Spulen findet eine Eigenerwärmung der Induktionspumpe 16 statt, wodurch sich der Innenwiderstand der Spulen erhöht. Bei gleichbleibendem Pumpenansteuerungswert Pt fließt dadurch weniger Strom durch die Spulen und die Pumpleistung lässt nach.
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Um die Lotwelle auf die definierte Sollwellenhöhe von beispielsweise 3 mm einzustellen, werden in zeitlichen Abständen Lötwellenhöhentests LWHT durchgeführt. Dabei wird der Digit-Wert Pt, und damit die Spannung und die Frequenz der Induktionspumpe 16, insbesondere durch Erhöhung des Stellgrades so lange erhöht, bis die Lotwelle die Sollwellenhöhe LWSH erreicht. Dies kann beispielsweise über einen sich bei Erreichen der definierten Höhe schließenden Stromkreis oder eine Lichtschranke festgestellt werden. Wird folglich die Sollwellenhöhe LWSH durch einen Lötwellenhöhentest festgestellt, so kann der dieser Lötwellenhöhe zugrundeliegende Pumpenansteuerungswert Pt1 bzw. der daraus ableitbare Offset bestimmt und zur Ansteuerung der Pumpe 16 Verwendung finden, bis der nächste Lötwellenhöhentest durchgeführt wird.
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Wie aus 1 deutlich wird, befindet sich an der Induktionspumpe 16, bzw. an deren Spulen, eine Temperatursensoreinheit 20, mit der die jeweilige Spulentemperatur Tist gemessen wird. Die Spulentemperatur Tist wird der Steuereinheit 12 als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt.
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Die Temperatur der Sensoreinheit 20 kann dabei insbesondere durch mehrere Anlagethermoelemente bestimmt werden, welche direkt an den Spulen anliegen, um die Spulentemperatur zu bestimmen. Die Ausgangssignale der einzelnen Anlagethermoelemente können dabei zur Bestimmung der jeweiligen Spulentemperatur herangezogen und insbesondere gemittelt werden.
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Die in der 1 gezeigte Lötwellenanlage wird erfindungsgemäß mit den in der 2 beschriebenen Schritten betrieben.
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In einem ersten Schritt S1 wird ein Pumpenansteuerungswert Pt1 mittels eines beschriebenen ersten Lötwellenhöhentests LWHT1 bestimmt, so dass eine die Düse 18 um die Sollwellenhöhe LWSH überragende Lotwelle bereitgestellt wird. Der zugehörige Pumpenansteuerungswert Pt1 bzw. der daraus errechnete Offset wird in der Steuereinheit 12 hinterlegt.
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In einem nächsten Schritt S2 wird über die Temperatursensoreinheit 20 die Temperatur T1 der Spulen während des Lötwellenhöhentests LWHT1 bestimmt. Die zugehörige Temperatur T1 wird ebenfalls in der Steuereinheit 12 hinterlegt.
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In einem Schritt S3 werden Leiterplatten mit dem ermittelten Pumpenansteuerungswert Pt1 gelötet.
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In einem Schritt S4 wird während des Lötvorgangs gemäß Schritt S3 die Spulen-Ist-Temperatur Tist bestimmt und der Steuereinheit 12 mitgeteilt.
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In einem Schritt S5 wird eine Delta-Temperatur Tdelta bestimmt, die sich aus der Differenz der Spulen-Ist-Temperatur Tist und der Temperatur der Spulen T1 während des ersten Lötwellenhöhentests LWHT1 ergibt; also Tdelta = Tist - T1.
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Diese Temperatur Tdelta wird in einem nächsten Schritt S6 zur Korrektur des Pumpenansteuerungswerts Pt1 herangezogen; der Pumpenansteuerungswert Pt1 wird in linearer Abhängigkeit von der Temperaturdifferent Tdelta verstellt. Daraus ergibt sich ein neuer Ansteuerungswert Pt2, der sich wie folgt errechnet:
- Pt = Pt1 + c * Tdelta, wobei c eine Konstante ist. Die Konstante c hängt von der Düsengröße, Düsengeometrie und insbesondere auch der Legierung des verwendeten Lots ab. Die Konstante c kann insbesondere empirisch ermittelt werden. Zur Berechnung von Pt wird also die Temperaturdifferent Tdelta mit der Konstante c multipliziert und das Ergebnis zu dem Wert Pt1 addiert.
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Die Korrektur des Pumpenansteuerungswerts Pt erfolgt so lange, bis ein nächster, zweiter Lötwellenhöhentest LWHT2 durchgeführt wird. Durch den zweiten Lötwellenhöhentest LWHT2 wird folglich ein erneuter Pumpenansteuerungswert Pt2 bestimmt, woraufhin die Schritte S2 bis S6 entsprechend durchgeführt werden, so dass nach Durchführung des zweiten Lötwellenhöhentests LWHT2, bis ein dritter Lötwellenhöhentest LWHT3 durchgeführt wird, eine Korrektur des Pumpenansteuerungswerts Pt in linearer Abhängigkeit zur Temperatur Tdelta erfolgt, wobei Tdelta = Tist - T2, wodurch sich im Intervall zwischen dem zweiten und dritten Lötwellenhöhentest ein Pumpenansteuerungswerts Pt ergibt: Pt = Pt2 + c * Tdelta.
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Entsprechend kann der Pumpenansteuerungswerts Pt zwischen den weiteren, nachfolgenden Lötwellenhöhentests Verstellt werden.
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Insgesamt kann hierdurch auf einfache Art und Weise eine ausreichende Korrektur der Höhe der Lotwelle bereitgestellt werden.
