DE102022115545A1

DE102022115545A1 - Verfahren zum Erwärmen zum Aus- und/oder Einlöten von elektronischen Bauteilen, insbesondere in einem Rework-Lötprozess, und zugehörige Lötanlage

Info

Publication number: DE102022115545A1
Application number: DE102022115545.5A
Authority: DE
Inventors: Ralf Hurta
Original assignee: Ersa GmbH
Current assignee: Ersa GmbH
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-12-28

Abstract

Verfahren und Lötanlage (10) zum Erwärmen eines auf einem Substrat (14) angeordneten elektronischen Bauteils (18), insbesondere zum Aus- und/oder Einlöten des Bauteils (18) in einem Rework-Lötprozess, wobei das auf dem Substrat (14) angeordnete Bauteils (18) mit Wärmestrahlung und/oder mit Konvektion erwärmt wird, wobei während des Erwärmungsvorgangs mit einem das Bauteil (18) wenigstens abschnittsweise erfassenden Strahlungssensor (40) kontaktfrei eine Strahlungstemperatur (TS) gemessen wird, und wobei die Erwärmung in Abhängigkeit von der gemessenen Strahlungstemperatur (TS) repräsentierenden Temperatursignalen (ST) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auch in Abhängigkeit von Korrektursignalen (SK) geregelt wird, die Temperatur-Korrekturwerte (KW) des zu erwärmenden Bauteils und/oder des Substrats (14), auf dem das Bauteil (18) während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, repräsentieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines auf einem Substrat angeordneten elektronischen Bauteils, insbesondere zum Aus- und/oder Einlöten des Bauteils in einem Rework-Lötprozess. Die Erfindung betrifft auch eine Lötanlage, insbesondere eine Rework-Lötanlage zum Aus- und/oder Einlöten eines solchen auf einem Substrat angeordneten elektronischen Bauteils.
Bei den Bauteilen handelt es sich in der Regel um elektronische Bauteile, wie beispielsweise Speicherbausteine, Mikroprozessoren, Wechselrichter, VCSEL-Bauelementen, Photodioden, MEMS-Bauelementen oder Chip-on-Glass-Bauelementen. Das Substrat, auf dem die Bauteile aufgesetzt werden, weist mit den Pins der Bauteile korrespondierende Kontaktstellen auf, wobei eine lagegenaue Ausrichtung beim Aufsetzen der Bauteile auf das Substrat so zu erfolgen hat, dass die jeweiligen Pins des Bauteils auf den damit korrespondierenden Kontaktstellen des Substrats in Kontakt treten.
Ein Verfahren zum lagegenauen Platzieren und Verlöten von Bauteilen sowie eine zugehörige Platzieranlage sind aus der EP 2 989 872 B1 bekannt. Aus der EP 2 989 872 B1 ist bekannt, ein Bauteil zu greifen und über ein Bilderfassungssystem zu führen, welches ein Bild vom Bauteil aufnimmt. Ein weiteres Bilderfassungssystem nimmt ein Bild vom Zielbereich auf dem Substrat auf. Eine Auswerte- bzw. Steuereinheit wertet die Bilder aus und bestimmt eine Lageabweichung, die vor dem Aufsetzen des Bauteils auf das Substrat ausgeglichen wird.
Aus der EP 0 543 270 A2 , der EP 0 209 650 A2 und der DE 10 2007 019 055 A1 sind Lötverfahren und Löteinrichtungen zum Aus- und/oder Einlöten der Bauteils bekannt, bei denen die Erwärmung des Bauteils in Abhängigkeit einer gemessene Temperatur geregelt wird.
In der DE 10 2007 019 055 A1 findet zur Bestimmung der Temperatur des Bauteils ein am Bauteil angeordneter, das Bauteil kontaktierender Temperatursensor Verwendung. Mit einem solchen Kontakt-Sensor kann die Bauteiltemperatur vergleichsweise genau bestimmt werden. Allerdings ist die Anordnung und Befestigung des Sensors am jeweiligen Bauteil aufwändig und führt zu langen Standzeiten.
Aus der EP 0 209 650 A2 ist es bekannt, während des Erwärmungsvorgangs die Bauteiltemperatur mittels einem Pyrometer (Strahlungsthermometer bzw. Strahlungssensor) kontaktfrei zu messen und die zugeführte Wärmemenge in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur zu regeln. Dies hat den Vorteil, dass kein Temperatursensor am jeweiligen Bauteil anzuordnen ist; Standzeiten werden dadurch verkürzt.
In der Praxis hat sich allerdings herausgestellt, dass die Strahlungstemperatur, die kontaktfrei gemessen wird, nicht immer mit der tatsächlichen Bauteiltemperatur übereinstimmt, sondern größeren Schwankungen und Abweichungen unterliegt. Ist die Temperatur, mit dem das Bauteil eingelötet oder ausgelötet wird, zu gering, schmilzt das Lot nicht vollständig und ein Entfernen des Bauteils kann zu einer Beschädigung des Substrats oder des Bauteils führen. Ist die Temperatur zu hoch, kann dies ebenfalls zu einer Beschädigung des Substrats oder des Bauteils führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erwärmen eines auf einem Substrat angeordneten elektronischen Bauteils bzw. eine gehörige Lötanlage bereitzustellen, mit dem bzw. mit der ein effizientes und prozesssicheres Aus- und/oder Einlöten des Bauteils in insbesondere einem Rework-Lötprozess erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Das Verfahren sieht folglich zum einen vor, dass das auf dem Substrat angeordnete Bauteils mit Wärmestrahlung und/oder mit Konvektion erwärmt wird, wobei während des Erwärmungsvorgangs mit einem das Bauteil wenigstens abschnittsweise erfassenden Strahlungssensor kontaktfrei eine Strahlungstemperatur gemessen wird, und wobei die Erwärmung in Abhängigkeit von die gemessene Strahlungs-Temperatur repräsentierenden Temperatursignalen geregelt wird. Zudem ist vorgesehen, dass die Erwärmung auch in Abhängigkeit von Korrektursignalen geregelt wird, die Temperatur-Korrekturwerte des zu erwärmenden Bauteils und/oder des Substrats, auf dem das Bauteil während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, repräsentieren.
Dabei hat sich gezeigt, dass in dem Fall, in dem lediglich die Strahlungstemperatur gemessen wird, Fremdstrahlungen, die an Oberflächen reflektiert werden und vom Strahlungssensor auch erfasst werden, mitgemessen werden, wodurch das Messergebnis verfälscht wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Lötvorgang bei einer Temperatur im Bereich von ca. 230°C - 250°C erfolgt, wobei nicht nur das Bauteil und das Substrat, sondern auch die Umgebung und weitere Bauteile stark erwärmt werden. Dies hat letztlich zur Folge, dass der Strahlungssensor auch dann, wenn er auf das zu erwärmende Bauteil gerichtet ist, Wärmestrahlung aus der Umgebung erfasst.
Wird lediglich die gemessene Strahlungstemperatur berücksichtigt, ergibt sich, dass die Ist-Temperatur des Bauteils um bis zu -100° und bis zu +30° von der Soll-Temperatur des Bauteils abweicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Strahlungssensor auch Wärmestrahlung erfasst, die nicht vom zu erwärmenden Bauteil, sondern aus der Umgebung und von weiteren in der Umgebung vorhandenen Bauteilen, stammt. Zudem wird am Bauteil und am Substrat Fremdstrahlung reflektiert, die vom Strahlungssensor ebenfalls erfasst wird. Je nach Oberflächenbeschaffenheit findet eine unterschiedlich gute oder schlechte Reflexion der Wärmestrahlung statt. Das Messergebnis der gemessenen Strahlungstemperatur, bzw. der Temperatursignale, die die gemessene Strahlungstemperatur repräsentieren, führt dann zu einer gemessenen Strahlungstemperatur, die im Bereich von bis zu 100° niedriger und um bis zu 30° höher ist, als die Ist-Temperatur des Bauteils.
Eine Regelung der Erwärmung des Bauteils unter lediglich der Berücksichtigung der Strahlungstemperatur führt folglich dazu, dass das Bauteil nicht ausreichend - nämlich um bis zu 100° zu hoch bzw. um bis zu 30° zu wenig - erhitzt wird. Dies führt wiederum dazu, dass die vorgesehene Aufschmelztemperatur des Lots beim Ein- oder Auslöten stark überschritten wird bzw. nicht immer erreicht wird, was letztlich die Prozesssicherheit des Lötvorganges negativ beeinträchtigt.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Abweichung zwischen der gemessenen Strahlungstemperatur und der tatsächlichen Bauteiltemperatur insbesondere abhängig ist von dem zu erwärmenden Bauteil und dem Substrat, auf dem das Bauteil erwärmt wird. Je nach Bauteil und Substrat ergeben sich also unterschiedliche Abweichungen zwischen der gemessenen Strahlungstemperatur und der tatsächlichen Temperatur des Bauteils.
Um die Prozesssicherheit zu erhöhen, wird also vorgeschlagen, die Erwärmung des Bauteils nicht nur in Abhängigkeit von Temperatursignalen zu regeln, die die gemessene Strahlungstemperatur repräsentieren, sondern auch in Abhängigkeit von Korrektursignalen, die Temperatur-Korrekturwerte des zu erwärmenden Bauteils und/oder des Substrats, auf dem das Bauteil während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, repräsentieren. Dadurch kann insgesamt erreicht werden, dass zum einen eine vorteilhafte kontaktfreie Strahlungsmessung erfolgen kann, wobei die Korrektur der Temperatursignale in Abhängigkeit des zu erwärmenden Bauteils und des zugehörigen Substrats erfolgt, so dass letztlich eine Regelung derart erfolgt, dass das zu erwärmende Bauteil auch die vorgesehene Soll-Temperatur erreicht.
Weiterhin hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Temperatur-Korrekturwerte in einem Einlernvorgang bestimmt werden, bei dem während des Erwärmungsvorgangs des Bauteils eine Abweichung zwischen der gemessenen Strahlungstemperatur und einer zeitgleich unter Kontakt mit dem Substrat und/oder dem Bauteil gemessenen Kontakttemperatur bestimmt wird. Durch Messen der Kontakttemperatur kann die Bauteiltemperatur sehr genau bestimmt werden und entspricht daher der Ist-Temperatur des Bauteils. Wie eingangs erwähnt, ist es vergleichsweise aufwändig, eine Kontakttemperatur zu messen, da ein Kontaktsensor an das zu erwärmende Bauteil angebracht werden muss. Diese aufwändige Maßnahme, die Anbringung des Kontaktsensors, wird deshalb lediglich im Einlernvorgang durchgeführt. Für jedes Bauteil und für jedes zugehörige Substrat wird vorzugsweise jeweils einmalig ein Einlernvorgang durchgeführt und die zugehörigen Temperatur-Korrekturwerte bestimmt. Über die Abweichung der jeweils gemessenen Strahlungstemperatur und der jeweils gemessenen Kontakttemperatur können folglich die Temperatur-Korrekturwerte, und Korrektursignale, die diese Korrekturwerte repräsentieren, bereitgestellt werden.
Weiter vorteilhaft ist, wenn in einem Speicher oder in einer Datenbank eine Vielzahl von hinterlegten Temperatur-Korrekturwerten für bestimmte Bauteile und/oder für bestimmte Substrate gespeichert sind. Vorteilhafterweise sind jeweils für eine Bauteil-Substrat-Kombination zugehörige Temperatur-Korrekturwerte im Speicher oder in der Datenbank hinterlegt. Dabei ist weiterhin vorteilhaft, wenn beim Erwärmen eines Bauteils dem zu erwärmenden Bauteil und/oder dem Substrat, auf dem das zu erwärmende Bauteil während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, gespeicherte Temperatur-Korrekturwerte zugeordnet werden, und wenn die Erwärmung in Abhängigkeit von Korrektursignalen geregelt wird, die die zugeordneten Temperatur-Korrekturwerte repräsentieren.
Soll folglich ein Bauteil auf einem zugehörigen Substrat erwärmt und verlötet werden, kann auf gespeicherte Temperatur-Korrekturwerte zurückgegriffen werden, die dieser Bauteil-Substrat-Kombination zugeordnet sind. Eine Erwärmung kann dann in Abhängigkeit von diesen Korrektursignalen erfolgen.
Vorteilhafterweise wird also für jede denkbare Bauteil-Substrat-Kombination lediglich zumindest einmalig ein Einlernvorgang durchgeführt, bei dem die Abweichung zwischen der gemessenen Strahlungstemperatur und der gemessenen Kontakttemperatur bestimmt wird. Daraus resultierende Temperatur-Korrekturwerte werden in dem Speicher oder in der Datenbank hinterlegt. Wird folglich zu einem späteren Zeitpunkt eine entsprechende Bauteil-Substrat-Kombination erwärmt und verlötet, kann auf die zugehörigen, gespeicherten Temperatur-Korrekturwerte, bzw. auf die diese Temperatur-Korrekturwerte repräsentierenden Korrektursignale zurückgegriffen werden.
Die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte kann vorzugsweise durch Vergleichen und Auswählen von dem zu erwärmenden Bauteil und/oder dem Substrat, auf dem das zu erwärmende Bauteil während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, mit einer hinterlegten Bauteil-Substrat-Kombination mit zugehörigen gespeicherten Temperatur-Korrekturwerten erfolgen. Ist genau eine solche Bauteil-Substrat-Kombination gespeichert, kann genau auf diese gespeicherte Kombination zurückgegriffen werden und die zugehörigen Temperatur-Korrekturwerte können bei der Regelung der Temperatur verwendet werden.
Das Vergleichen und Auswählen kann dabei entweder manuell, beispielsweise durch einen Bediener oder auch automatisiert, beispielsweise mittels einer geeigneten Software erfolgen.
Für den Fall, dass eine große Anzahl von Temperatur-Korrekturwerten für Bauteil-Substrat-Kombinationen gespeichert sind, kann die Zuordnung auch durch Klassifizieren und Auswählen von den gespeicherten Temperatur-Korrekturwerten mittels statistischen Klassifizierungsalgorithmen erfolgen. Die Klassifizierungsalgorithmen können dabei Trainings- und/oder Verstärkungsverfahren verwenden, die auch eine künstliche Intelligenz umfassen können. Dadurch können insbesondere Temperatur-Korrekturwerte bereitgestellt bzw. vorhergesagt werden für Bauteil-Substrat-Kombinationen, die so nicht in der Datenbank oder dem Speicher hinterlegt sind.
Dazu werden insbesondere Statistiken von Temperatur-Korrekturwerten über erstellt und klassifiziert.
Dies kann mittels einem linearen Klassifizierer erfolgen, der Klassifizierungsentscheidungen auf der Grundlage des Wertes einer linearen Kombination der Eingangsdatenmerkmale trifft. Der lineare Klassifizierer kann insbesondere eine lineare Diskriminante nach Fisher, einen logistischen Regressionsklassifikator, einen Naive-Bayes-Klassifikator, einen Wahrnehmungsklassifikator und/oder eine Support-Vector-Maschine umfassen.
Zur Klassifizierung kann auch ein nichtlinearer Klassifizierer vorgesehen sein. Wenn ein nichtlinearer Klassifizierer verwendet wird, können künstliche neuronale Netze, Generative Adversarial Networks, Support Vector Machines, k-Nächste Nachbarn, Gaußsche Mischungsmodelle, Naive Bayes, Entscheidungsbäume und RBF-Klassifikatoren oder ähnliches verwendet werden. Ziel ist es, eine „intelligente Temperatur-Korrekturwert Vorhersage“ zu schaffen.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn vor und/oder während dem Erwärmungsvorgang dem Bauteil und/oder dem Substrat, auf dem das Bauteil beim Erwärmungsvorgang angeordnet ist, zugeordnete Temperatur-Korrekturwerte abrufbar und/oder einem Benutzer anzeigbar sind. Auf Basis der abgerufenen und/oder angezeigten Temperatur-Korrekturwerte, oder auch der diese Werte repräsentierenden Korrektursignale, können bei Bedarf Maßnahmen ergriffen und ggf. händisch in den Erwärmungsvorgang eingegriffen werden. Zudem wird deutlich und nachvollziehbar, wie und unter welchen Voraussetzungen der Erwärmungsvorgang erfolgt.
Gemäß der Erfindung ist weiterhin denkbar, wenn die Regelung der Erwärmung auch in Abhängigkeit von Steuersignalen erfolgt, die die Umgebungstemperatur und/oder einen Emissionsfaktor des Bauteils und/oder des Substrats repräsentieren. Je höher die Umgebungstemperatur ist, desto höher sind die Wärmestrahlungen der in der Umgebung vorhandenen Bauteile, die das Messergebnis der gemessenen Strahlungstemperatur verfälschen können. Je nach Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils und des Substrats kann zudem eine Reflektion der Wärmestrahlung am Bauteil unterschiedlich sein. Auch deshalb ist es vorteilhaft, diese Faktoren bei der Regelung der Erwärmung zu berücksichtigen. Zur Bestimmung des Emissionsfaktors ist es denkbar, geeignete Aufkleber oder Lacke mit bekannten Emissionsfaktoren zu verwenden und die gemessenen Werte mit den bekannten Werten zu vergleichen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Lötanlage zum Aus- und/oder Einlöten eines auf einem Substrat angeordneten elektronischen Bauteils, insbesondere in einem Rework-Lötprozess, nach Patentanspruch 8.
Die Lötanlage umfasst einen eine Heizleistung bereitstellenden Heizkopf, der dazu eingerichtet ist, das auf dem Substrat angeordnete Bauteil während eines Erwärmungsvorgangs mittels Wärmestrahlung und/oder Konvektion zu erwärmen. Ferner ist ein Strahlungssensor vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, während des Erwärmungsvorgangs das Bauteil wenigstens abschnittsweise zu erfassen, um kontaktfrei eine Strahlungstemperatur zu messen. Weiter ist eine Steuereinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Heizleistung des Heizkopfs in Abhängigkeit von die gemessene Strahlungstemperatur repräsentierenden Temperatursignalen zu regeln. Die Steuereinheit ist weiter dazu eingerichtet, die Heizleistung auch in Abhängigkeit von Korrektursignalen zu regeln, die Temperatur-Korrekturwerte des zu erwärmenden Bauteils und/oder des Substrats, auf dem das Bauteil während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, repräsentieren. Die Lötanlage ist zudem insbesondere dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Folglich wird die Heizleistung nicht nur in Abhängigkeit der gemessenen Strahlungstemperatur, sondern auch in Abhängigkeit der Temperatur-Korrekturwerte geregelt, um eine gemessene Strahlungstemperatur zu korrigieren, die im Wesentlichen weitgehend der tatsächlichen Ist-Temperatur des Bauteils entspricht.
Dabei ist vorteilhaft, wenn die Lötanlage einen Speicher und/oder eine Datenbank umfasst, oder zumindest auf einen Speicher und/oder eine Datenbank zurückgreifen kann, wobei im Speicher und/oder in der Datenbank eine Vielzahl von hinterlegten Temperatur-Korrekturwerten für bestimmte Bauteile und/oder bestimmte Substrate gespeichert sind. Der Speicher und/oder die Datenbank können dabei insbesondere über eine Cloud-Anbindung mit der Lötanlage verbunden sein.
Dabei ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Steuereinheit weiter so eingerichtet ist, dass dem zu erwärmenden Bauteil und/oder dem Substrat, auf dem das zu erwärmende Bauteil während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, gespeicherte Temperatur-Korrekturwerte zugeordnet werden und wenn die Heizleistungen in Abhängigkeit von Korrektursignalen geregelt wird, die die zugeordneten Temperatur-Korrekturwerte repräsentieren. In dem Speicher und/oder der Datenbank sind vorzugsweise Temperatur-Korrekturwerte hinterlegt, die insbesondere in einem Einlernvorgang, wie er oben beschrieben ist, bestimmt werden.
Die Steuereinheit ist weiter insbesondere so eingerichtet, dass die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte durch Vergleichen und durch Auswählen erfolgt. Die Bauteil-Substrat-Kombination des zu erwärmenden Bauteils kann folglich durch Vergleichen in dem Speicher oder der Datenbank gesucht und ausgewählt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die gesuchte Bauteil-Substrat-Kombination gespeichert ist.
Die Steuereinheit ist weiter insbesondere so eingerichtet, dass anhand von mittels Bilderfassungssystemen generierten Bilddaten des zu erwärmenden Bauteils und/oder des Substrats, auf dem das zu erwärmende Bauteil während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, das zu erwärmende Bauteil und/oder das Substrat automatisiert erkannt wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Lötanlage zum Erkennen, Ausrichten und Platzieren in der Regel Bilderfassungssysteme aufweist. Ein erstes Bilderfassungssystem erkennt das zu platzieren Bauteil. Ein zweites Bilderfassungssystem erkennt den Zielbereich, auf dem das Bauteil lagegenau platziert werden soll. Anhand der erkannten Bauteil-Substrat-Kombination kann dann die Zuordnung, also ein Vergleich und eine Auswahl der Temperatur-Korrekturwerte erfolgen.
Eine mittels der Steuereinheit und den Bilderfassungssystemen erkannte Bauteil-Substrat-Kombination kann weiter einem Bediener zur Kenntnis gebracht werden, beispielsweise durch Anzeige auf einem Bildschirm.
Die Steuereinheit kann auch weiter so eingerichtet sein, dass die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte durch Klassifizieren und Auswählen von den gespeicherten Temperatur-Korrekturwerten mittels statistischen Klassifizierungsalgorithmen erfolgt. Die Klassifizierungsalgorithmen können - wie bereits weiter oben angesprochen - Trainings- und/oder Verstärkungsverfahren umfassen, wobei eine künstliche Intelligenz zur Anwendung kommen kann. Dadurch können Temperatur-Korrekturwerte bereitgestellt bzw. vorhergesagt werden für Bauteil-Substrat-Kombinationen, die nicht in der Datenbank hinterlegt sind, aber aus den hinterlegten Temperatur-Korrekturwerten durch Klassifizieren und Auswählen generiert werden können.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn eine Ausgabeeinheit vorgesehen ist und wenn die Steuereinheit weiter dazu eingerichtet ist, dass vor und/oder während dem Erwärmungsvorgang des Bauteils dem Bauteil und/oder dem Substrat, auf dem das Bauteil beim Erwärmungsvorgang angeordnet ist, zugeordnete Temperatur-Korrekturwerte abrufbar und/oder einem Benutzer anzeigbar sind. Über die Ausgabeeinheit kann folglich insbesondere der Benutzer darüber informiert werden, welche Temperatur-Korrekturwerte, bzw. welche zugehörigen Korrektursignale, dem Erwärmungsvorgang zugrunde liegen.
Die Steuereinheit ist weiter insbesondere dazu eingerichtet, dass die Regelung der Heizleistung auch in Abhängigkeit von die Umgebungstemperatur und/oder eines Emissionsfaktors des Bauteils oder des Substrats repräsentierenden Steuersignalen erfolgt. Dadurch können folglich weitere Störgrößen aus der Umgebung bei der Regelung der Heizleistung Berücksichtigung finden.
Um den bereits beschriebenen Einlernvorgang auch mit der erfindungsgemäßen Lötanlage durchführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn ein Kontaktsensor zur Messung einer Kontakttemperatur des zu erwärmenden Bauteils vorgesehen ist und wenn die Lötanlage derart ausgebildet ist, dass sie in dem angesprochenen Einlernvorgang betreibbar ist, bei dem während des Erwärmungsvorgangs des jeweiligen Bauteils die Strahlungstemperatur und zeitgleich die Kontakttemperatur gemessen werden. Weiterhin werden durch die Steuereinheit Abweichungen zwischen der Strahlungstemperatur und der Kontakttemperatur bestimmt und es werden aus diesen Abweichungen die Temperatur-Korrekturwerte, bzw. auch zugehörige Korrektursignale, erzeugt. Die Temperatur-Korrekturwerte, bzw. die zugehörigen Steuersignale, können dann - wie bereits beschrieben - in der Datenbank oder im Speicher abgelegt werden.
Der Kontakt-Temperatursensor kann insbesondere als Thermoelement oder auch als Widerstandssensor ausgebildet sein. Gerade Thermoelemente haben den Vorteil, dass sie vergleichsweise sehr genaue Messergebnisse liefern.
Weiterhin ist denkbar, dass der Strahlungssensor als Punkt-Infrarotsensor ausgebildet ist, der auf das zu erwärmende Bauteil gerichtet ist. Allerdings ist auch denkbar, dass andere Arten von Infrarotsensoren, insbesondere auch Infrarotkameras, Verwendung finden.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist.
Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Lötanlage;
2 ein mit der Lötanlage gemäß 1 zu erwärmendes Bauteil auf einem Substrat mit einem Heizkopf der Lötanlage; und
3 ein Diagramm mit verschiedenen Temperaturen über der Zeit.

In der 1 ist eine Lötanlage 10 in Form einer Rework-Lötanlage gezeigt, mit der Pins aufweisende Bauteile auf einem Zielbereich eines Substrats, insbesondere einer Leiterplatte, platziert, erwärmt und mittels dem Reflow-Lötverfahren ein- und/oder ausgelötet werden können.
Die Lötanlage 10 umfasst eine Einspannvorrichtung 12 zum Einspannen eines Substrats 14, wie es beispielsweise in 2 gezeigt ist. Wie aus 2 weiter deutlich wird, ist auf dem Substrat 14 ein Zielbereich 16 vorhanden, auf dem ein Bauteil 18 zum Einlöten vorgesehen ist. Zwischen dem Bauteil 18 und dem Substrat ist Lot 19 erkennbar, das zum Einlöten des Bauteils 18 geschmolzen wird.
Die Lötanlage 10 umfasst - wie in 1 gezeigt - eine transparente Auflagefläche 20 zur Auflage von einzulötenden Bauteilen 18. Unterhalb der Auflagefläche 20 ist ein erstes Bilderfassungssystem 24 vorgesehen. Mit dem ersten Bilderfassungssystem 24 können die Pins des Bauteils 18 detektiert werden.
Die Lötanlage 10 weist ein Portal 26 auf, an dem ein zweites Bilderfassungssystem 28, eine Greifeinheit 30 mit einem Greiffinger 34, ein Heizkopf 32 und ein Strahlungssensor 40 in Form eines Infrarotsensors angeordnet sind. Das Portal 26 kann entlang einer Führung in x-Richtung verfahren werden. Das Bilderfassungssystem 28, die Greifeinheit 30, der Heizkopf 32 und der Strahlungssensor 40 können auf dem Portal 26 in senkrecht dazu verlaufender y-Richtung verfahren werden. Ferner kann zumindest der Greiffinger 34 zudem in senkrecht zur x-, y- Richtung verlaufender z-Richtung angehoben und abgesenkt werden. Dabei kann im Heizkopf 32 auch ein Greifer zum Entlöten des Bauteil 18 integriert sein.
Das Bilderfassungssystem 28 dient zur Erfassung von auf dem in 2 gezeigten Zielbereich 16 vorhandenen Kontaktstellen.
Die Greifeinheit 30 mit dem Greiffinger 34 dient dazu, ein einzulötendes Bauteil 18 aufzunehmen und es auf der Auflagefläche 20 abzusetzen. Ferner dient sie dazu, das abgesetzte Bauteil 18 von der Auflagefläche 20 aufzunehmen, auszurichten und hin zum Zielbereich 16 zu verfahren, um es dort zum Verlöten lagegenau abzusetzen. Die Greifeinheit 30 mit dem Greiffinger 34 dient auch dazu, ein auszulötendes Bauteil 18 während der Erwärmung zu greifen und das Bauteil 18 nach dem Auslötvorgang weg zu bewegen.
Der Heizkopf 32 ist dazu eingerichtet, wie es in 2 gezeigt ist, das auf dem Substrat 14 vorhandene Bauteil 18 während eines Erwärmungsvorgangs mittels Wärmestrahlung 42 und zeitgleich mittels Konvektion 44 zu erwärmen. Gemäß der Erfindung ist ebenfalls denkbar, dass lediglich Wärmestrahlung 42 oder Konvektion 44 zur Erwärmung des Bauteils 18 Verwendung findet. Die Heizleistung, mit der der Heizkopf 32 letztlich das jeweilige Bauteil 18 erwärmt, ist regelbar.
Wie ebenfalls aus 2 deutlich wird, erfasst der Strahlungssensor 40 das Bauteil 18, wobei die Haupterfassungsrichtung des Strahlungssensors 40 mit dem Bezugszeichen 46 angedeutet ist.
Weiter ist, wie aus 1 und 2 deutlich wird, eine Steuereinheit 48 vorgesehen, die die Daten der Bilderfassungssysteme 24 und 28 auswertet. Die Steuereinheit 48 dient weiter zur Steuerung der Greifeinheit 30 sowie zur Steuerung der Heizleistung des Heizkopfes 32. Zur Kommunikation mit der Steuereinheit 48 ist eine Ein- und Ausgabevorrichtung 50, wie sie in 1 gezeigt ist, vorgesehen.
Zum Erwärmen des einzulötenden oder auszulötenden Bauteils 18 wird, wie in 2 deutlich wird, der Heizkopf 32 von der Steuereinheit 48 mit Heizsteuersignale P_H angesteuert, wodurch das Bauteil 18 über die Wärmestrahlung 42 und die Konvektion 44 mit einer Heizleistung beaufschlagt wird. Dabei wird mit dem Strahlungssensor 40 kontaktfrei am Bauteil 18 die Strahlungstemperatur gemessen. Die gemessene Strahlungstemperatur wird über eine Leitung 52 an die Steuereinheit 48 übertragen. Die Steuereinheit 48 ist dabei so eingerichtet, dass sie Heizsteuersignale P_H erzeugt, mit denen die Heizleistung des Heizkopfes 32, und damit die Erwärmung des Bauteils 18, in Abhängigkeit der vom Strahlungssensor 40 gemessenen Strahlungstemperatur, bzw. die gemessene Strahlungstemperatur repräsentierenden Steuersignalen S_T regelt. Die Steuereinheit 48 ist weiterhin so eingerichtet, dass die Heizsteuersignale P_H weiter in Abhängigkeit von Korrektursignalen S_K erzeugt, die Temperatur-Korrekturwerte des zu erwärmenden Bauteils 18 und des Substrats 14 repräsentieren. Die Steuereinheit 48 regelt während des Erwärmungsvorgangs also die Heizleistung des Heizkopfes in Abhängigkeit der Temperatursignale S_K und der Korrektursignale S_K.
Die Temperatur-Korrekturwerte, bzw. die Korrektursignale S_K, sind dabei in einer Datenbank 54 gespeichert. In der Datenbank 54 sind nicht nur die Korrekturwerte für das in der 2 gezeigte Bauteil 18 und das zugehörige Substrat 14, sondern auch für andere Bauteil-Substrat-Kombinationen hinterlegt, welche miteinander zu verlöten sind. Die Temperatur-Korrekturwerte, bzw. die Korrektursignale S_K, berücksichtigen eine Abweichung zwischen der mit dem Strahlungssensor 40 gemessenen Strahlungstemperatur und einer tatsächlichen, insbesondere mit einem auf dem Substrat 14 aufliegenden Kontaktsensor 56, wie er in 2 gestrichelt angedeutet ist, gemessenen Ist- bzw. Kontakttemperatur.
Die Abweichungen zwischen der gemessenen Strahlungstemperatur und der gemessenen Kontakttemperatur können insbesondere in einem Einlernvorgang bestimmt werden, bei dem beide Temperaturen, also die Strahlungstemperatur und die Kontakttemperatur, zeitgleich gemessen werden. Die Abweichungen zwischen den gemessenen Temperaturen bilden dann die jeweiligen Temperatur-Kontaktwerte, bzw. auf diesen basieren dann die die Temperatur-Kontaktwerte repräsentierenden Korrektursignale S_K.
In der Datenbank 54 sind insbesondere eine Vielzahl von Temperatur-Kontaktwerten hinterlegt, für eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauteil-Substrat-Kombinationen.
Da zu lötende Bauteile 18 mit den Bilderfassungssystemen 24 bzw. 28 erfasst werden, ist der Steuereinheit 48 bekannt, welches Bauteil 18 zu löten ist. Über das Bilderfassungssystem 28, bzw. über die Lötprozessaufgabe, ist der Steuereinheit 48 zudem bekannt, was für ein Substrat 14 Verwendung findet, auf dem das Bauteil 18 verlötet wird.
Die Kombination des zu lötenden Bauteils 18 und des zugehörigen Substrats 14 kann also über die Bilderfassungssystemen 24 bzw. 28 erfasst werden. Denkbar ist, dass die erfasste Bauteils-Substrats-Kombination dem Benutzer am Bildschirm 50 angezeigt wird.
Der Benutzer kann daraufhin in der Datenbank 54 nach einer entsprechenden Bauteil-Substrat-Kombination suchen und der Bauteil-Substrat-Kombination zugeordnete Korrekturwerte auswählen.
Die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte kann auch automatisiert durch die Steuereinheit 48 erfolgen, insbesondere durch Vergleichen und Auswählen der zu lötenden Bauteil-Substrat-Kombination mit einer hinterlegten Bauteil-Substrat-Kombination und durch Heranziehen der der hinterlegten Bauteil-Substrat-Kombination zugeordneten, gespeicherten Temperatur-Korrekturwerten. Sind die Temperatur-Korrekturwerte genau für die Bauteil-Substrat-Kombination hinterlegt, die verlötet werden soll, kann auf diese zugehörigen, hinterlegten Temperatur-Korrekturwerte zurückgegriffen werden.
Ferner ist denkbar, dass die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte durch die Steuereinheit 48 durch Klassifizieren und Auswählen mittels statistischen Klassifizierungsalgorithmen, die eine Trainings- und/oder Verstärkungsverfahren umfassende künstliche Intelligenz verwenden können, erfolgen kann. Folglich kann dadurch dem zu verlötenden Bauteil Temperatur-Korrekturwerte zugeordnet werden, die als solche nicht in der Datenbank hinterlegt sind, aber durch Klassifizieren und entsprechendes Auswählen vorhergesagt und bereitgestellt werden.
Um eine weitere, noch genauere Regelung der Heizleistung zur Erzielung einer Soll-Temperatur zu ermöglichen, ist denkbar, dass die Steuereinheit 48 auch Steuersignale S_S berücksichtigt, die die Umgebungstemperatur, Emissionsfaktoren des Bauteils, Emissionsfaktoren des Substrats oder weitere Umgebungsfaktoren repräsentieren.
Die Lötanlage 10 kann weiterhin so ausgebildet sein, dass auf dem Display 50 vor oder während des Erwärmungsvorgangs des Bauteils 18 dem Bauteil 18 zugeordnete Temperatur-Korrekturwerte bzw. Korrektursignale S_K angezeigt werden. Die Anzeige kann insbesondere ein in 3 dargestelltes Diagramm umfassen.
3 zeigt Verläufe von Temperaturen [T] über der Zeit [t]. Zum einen ist der Temperaturverlauf der kontaktfrei gemessenen Strahlungstemperatur T_S gezeigt. Zum anderen ist ein korrigierter Temperaturverlauf T_K gezeigt.
Zum Zeitpunkt t₀ beginnt bei einer Temperatur T₀ von ca. 50° der Heizprozess. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Temperatur T₁ von ca. 240° erreicht, bei der das Lot 19 schmilzt und das Bauteil 18aus- oder eingelötet wird.
Der gezeigte Temperaturverlauf T_K setzt sich zusammen zum einen aus dem Temperaturverlauf T_S zuzüglich der dem Bauteil 18 und dem Substrat 14 zugeordneten Temperatur-Korrekturwerte KW. Die Temperatur-Korrekturwerte KW korrigieren, wie aus 3 deutlich wird, die kontaktfrei gemessene Strahlungstemperatur T_S um einen Wert im Bereich von 0° bis ca. 30° nach oben. Dies liegt daran, dass der Strahlungssensor 40 nur recht diffuse, je nach Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils unterschiedliche Wärmestrahlung, die vom Heizkopf 32 auf das Bauteil 18 aufgebracht wird, erfasst. Insgesamt wird dadurch vom Strahlungssensor 14 eine Strahlungstemperatur T_S erfasst, die niedriger ist, als die tatsächliche Bauteiltemperatur 18. Mit anderen Worten, das Bauteil 18 weist eine höhere Ist-Temperatur auf, als die vom Strahlungssensor 14 erfasste Temperatur T_S angibt. Damit das Bauteil 18 die vorgegebene Soll-Temperatur erreicht, wird die gemessene Strahlungstemperatur T_S um Korrekturwerte KW korrigiert.
Der Temperaturverlauf T_S zuzüglich der dem Bauteil 18 und dem Substrat zugeordneten Temperatur-Korrekturwerte KW im jeweiligen Zeitpunkt ergibt letztlich den in 3 gezeigten korrigierten Temperaturverlauf T_K, der wenigstens weitgehend der tatsächlichen Ist-Temperatur des Bauteils entspricht. Erfolgt also die Regelung der Heizleistung nicht nur in Abhängigkeit der gemessene Strahlungstemperatur T_S, sondern in Abhängigkeit der Korrekturwerte KW, kann die Prozesssicherheit beim Löten im beschriebenen Rework-Lötprozess signifikant verbessert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2989872 B1 [0003]
EP 0543270 A2 [0004]
EP 0209650 A2 [0004, 0006]
DE 102007019055 A1 [0004, 0005]

Claims

Verfahren zum Erwärmen eines auf einem Substrat (14) angeordneten elektronischen Bauteils (18), insbesondere zum Aus- und/oder Einlöten des Bauteils (18) in einem Rework-Lötprozess, wobei das auf dem Substrat (14) angeordnete Bauteils (18) mit Wärmestrahlung und/oder mit Konvektion erwärmt wird, wobei während des Erwärmungsvorgangs mit einem das Bauteil (18) wenigstens abschnittsweise erfassenden Strahlungssensor (40) kontaktfrei eine Strahlungstemperatur (T_S) gemessen wird, und wobei die Erwärmung in Abhängigkeit von der gemessenen Strahlungstemperatur (T_S) repräsentierenden Temperatursignalen (S_T) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auch in Abhängigkeit von Korrektursignalen (S_K) geregelt wird, die Temperatur-Korrekturwerte (KW) des zu erwärmenden Bauteils und/oder des Substrats (14), auf dem das Bauteil (18) während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur-Korrekturwerte (KW) in einem Einlernvorgang bestimmt werden, bei dem während des Erwärmungsvorgangs des Bauteils (18) eine Abweichung zwischen der gemessenen Strahlungstemperatur (T_S) und einer zeitgleich unter Kontakt mit dem Substrat (14) und/oder dem Bauteil (18) gemessenen Kontakttemperatur (T_K) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einem Speicher und/oder in einer Datenbank (54) eine Vielzahl von hinterlegten Temperatur-Korrekturwerten (KW) für bestimmte Bauteile (18) und/oder bestimmte Substrate (14) gespeichert sind, und wobei dem zu erwärmenden Bauteil (18) und/oder dem Substrat (14), auf dem das zu erwärmte Bauteil (18) während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, gespeicherte Temperatur-Korrekturwerte (KW) zugeordnet werden, und wobei die Erwärmung in Abhängigkeit von Korrektursignalen (S_K) geregelt wird, die die zugeordneten Temperatur-Korrekturwerte (KW) repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte (KW) durch Vergleichen von den gespeicherten Temperatur-Korrekturwerten (KW) mit dem zu erwärmenden Bauteil (18) und/oder dem Substrat (14), auf dem das zu erwärmte Bauteil (18) während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, durch Vergleichen und Auswählen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte (KW) durch Klassifizieren und Auswählen von den gespeicherten Temperatur-Korrekturwerten (KW) mittels statistischen Klassifizierungsalgorithmen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor und/oder während dem Erwärmungsvorgang des Bauteils (18) dem Bauteil (18) und/oder dem Substrat (14), auf dem das Bauteil (18) beim Erwärmungsvorgang angeordnet ist, zugeordnete Temperatur-Korrekturwerte (KW) abrufbar und/oder einem Benutzer anzeigbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelung der Erwärmung auch in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder eines Emissionsfaktors des Bauteils (18) und/oder des Substrats (14) repräsentierenden Steuersignalen (S_S) erfolgt.
Lötanlage (10) zum Aus- und/oder Einlöten eines auf einem Substrat (14) angeordneten elektronischen Bauteils (18), insbesondere in einem Rework-Lötprozess, mit einem eine Heizleistung bereitstellenden Heizkopf (32), der dazu eingerichtet ist, das auf dem Substrat (14) angeordnete Bauteil (18) während eines Erwärmungsvorgangs mittels Wärmestrahlung (42) und/oder Konvektion (44) zu erwärmen, mit einem Strahlungssensor (40), der dazu eingerichtet ist, während des Erwärmungsvorgangs das Bauteil (18) wenigstens abschnittsweise zu erfassen, um kontaktfrei eine Strahlungstemperatur (T_S) zu messen, und mit einer Steuereinheit (48), die dazu eingerichtet ist, Heizsteuersignale (P_H) zur Regelung der Heizleistung des Heizkopfs (32) in Abhängigkeit von die gemessene Strahlungstemperatur (T_S) repräsentierenden Temperatursignalen (S_T) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (48) weiter dazu eingerichtet ist, die Heizsteuersignale (P_H) zur Regelung der Heizleistung auch in Abhängigkeit von Korrektursignalen (S_K) zu erzeugen, wobei die Korrektursignale (S_K) die Temperatur-Korrekturwerte (KW) des zu erwärmenden Bauteils (18) und/oder des Substrats (14), auf dem das Bauteil (18) während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, repräsentieren.
Lötanlage (10) nach Anspruch 8, wobei ein Speicher und/oder eine Datenbank (54) vorgesehen ist, wobei im Speicher und/oder in der Datenbank (54) eine Vielzahl von hinterlegten Temperatur-Korrekturwerten (KW) für bestimmte Bauteile (18) und/oder bestimmte Substrate (14) gespeichert sind, und wobei die Steuereinheit (48) weiter so eingerichtet ist, dass dem zu erwärmenden Bauteil (18) und/oder dem Substrat (14), auf dem das zu erwärmende Bauteil (18) während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, gespeicherte Temperatur-Korrekturwerte (KW) zugeordnet werden, und dass die Heizleistung in Abhängigkeit von Korrektursignalen (S_K) geregelt wird, die die zugeordneten Temperatur-Korrekturwerte (KW) repräsentieren.
Lötanlage (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Steuereinheit (48) weiter derart eingerichtet ist, dass anhand von mittels Bilderfassungssystemen (24, 28) generierten Bilddaten des zu erwärmenden Bauteils (18) und/oder des Substrats (14), auf dem das zu erwärmende Bauteil (18) während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, das zu erwärmende Bauteil (18) und/oder das Substrat (14) automatisiert erkannt wird.
Lötanlage (10) nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Steuereinheit (48) weiter derart eingerichtet ist, dass die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte (KW) durch Vergleichen von den gespeicherten Temperatur-Korrekturwerten (KW) mit dem zu erwärmenden Bauteil (18) und/oder dem Substrat (14), auf dem das zu erwärmte Bauteil (18) während des Erwärmungsvorgangs angeordnet ist, und durch Auswählen erfolgt.
Lötanlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Steuereinheit (48) weiter derart eingerichtet ist, dass die Zuordnung der Temperatur-Korrekturwerte (KW) durch Klassifizieren und Auswählen von den gespeicherten Temperatur-Korrekturwerten (KW) mittels statistischen Klassifizierungsalgorithmen erfolgt.
Lötanlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei eine Ausgabeeinheit (50) vorgesehen und wobei die Steuereinheit (48) weiter derart eingerichtet ist, dass vor und/oder während dem Erwärmungsvorgang des Bauteils (18) abrufbar und/oder einem Benutzer anzeigbar sind: - das zu erwärmende Bauteil (18) und/oder das Substrat (14), auf dem das zu erwärmende Bauteil (18) angeordnet ist, und/oder - dem Bauteil (18) und/oder dem Substrat (14), auf dem das Bauteil (18) beim Erwärmungsvorgang angeordnet ist, zugeordnete Temperatur-Korrekturwerte (KW).
Lötanlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Steuereinheit (48) weiter derart eingerichtet ist, dass die Regelung der Heizleistung auch in Abhängigkeit von die Umgebungstemperatur und/oder eines Emissionsfaktors des Bauteils (18) und/oder des Substrats (14) repräsentierenden Steuersignalen (S_S) erfolgt.
Lötanlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei ein Kontaktsensor (56) zur Messung einer Kontakttemperatur (T_K) des zu erwärmenden Bauteils (18) vorgesehen ist und wobei die Lötanlage (10) derart ausgebildet ist, dass sie in einem Einlernvorgang zum Einlernen von Temperatur-Korrekturwerte (KW) betreibbar ist, bei dem während des Erwärmungsvorgangs des Bauteils (18) die Strahlungstemperatur (T_S) und zeitgleich die Kontakttemperatur (T_K) gemessen werden und wobei die Steuereinheit (48) weiter dazu eingerichtet ist, Abweichungen zwischen der Strahlungstemperatur (T_S) und der Kontakttemperatur (T_K) zu bestimmen und daraus Temperatur-Korrekturwerte (KW) zu erzeugen.
Lötanlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei der Kontakttemperatursensor (56) als Thermoelement oder als Widerstandssensor ausgebildet ist.
Lötanlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei der Strahlungssensor (40) als Punkt-Infrarotsensor und/oder als Infrarotkamera ausgebildet ist.