DE10335438B4

DE10335438B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Löten unter Vorspannung

Info

Publication number: DE10335438B4
Application number: DE10335438A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr.-Ing. Niemeier
Original assignee: ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NI; ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NIEMEIER GmbH
Current assignee: ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NI; ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NIEMEIER GmbH
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: DE20311931U1; DE10335438A1

Abstract

Verfahren zum Löten unter Vorspannung, bei dem die Erwärmung mit einem stromdurchflossenen Induktor (1) erfolgt und eine Kraft auf die Lötstelle (9) mit einer Andruckplatte (2) aus elektrisch nichtleitfähigem Material ausgeübt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten, insbesondere zum punktuellen Löten, unter Vorspannung.

Löten unter Vorspannung wird bei unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. In der beigefügten 1 wird beispielhaft ein Löten unter Vorspannung bei der Fertigung von Solarzellen veranschaulicht.

Bei der Fertigung von Solarmodulen ist es erforderlich, die einzelnen Solarzellen 6 miteinander elektrisch zu verbinden. Hierzu werden die einzelnen Solarzellen 6 mit metallischen Anschlußbändern 7 elektrisch leitend miteinander zu sogenannten Strings verbunden. Die überstehenden Anschlußbänder 7 der Strings werden anschließend über Querverbinder 8 verbunden, nämlich mit der sogenannten Randverschaltung. Eine Verbindung 9 der beiden jeweiligen Fügepartner erfolgt durch Löten. Um einen für das Löten erforderlichen Kontakt zwischen den beiden Fügepartnern zu erreichen, müssen die beiden Fügepartner mechanisch zusammengedrückt werden.

Bekannt ist, den erforderlichen mechanischen Andruck mit einem separaten Niederhalter zu bewirken. Nachteilig dabei ist aber, daß dieser Niederhalter den Nutzer bei der Handhabung des Lötwerkzeugs behindert.

Eine weitere Möglichkeit ist, mit dem Lötkolben direkt Kraft auszuüben und damit ein Niederhalten zu bewirken. Dabei erwärmt der Lötkolben das Lot, solange dieser die Lötstelle berührt. Entfernt man den Lötkolben von der Lötstelle, ist das Lot noch eine kurze Zeit flüssig, bevor es erstarrt. Diese Zeitspanne reicht aber aus, daß sich die Position der Fügepartner zueinander aufgrund der anliegenden Spannung wieder verändert und sich eventuell sogar die Verbindung wieder löst.

Ein weiteres bekanntes Verfahren ist das sogenannte Thermodenlöten. Bei diesem wird durch eine Thermode Strom geleitet. Die Thermode ist so gestaltet, daß sie im Arbeitsbereich einen geringen Querschnitt aufweist. Damit hat diese Stelle einerseits einen hohen elektrischen Widerstand, was zu einer guten Erwärmung führt, andererseits eine geringe thermische Masse, was für eine schnelle Abkühlung sorgt. Ein Nachteil ist jedoch, daß die mechanisch aufwendige Thermode in direktem Kontakt mit der Lötstelle steht und damit Verschleiß und Verschmutzungen unterworfen ist.

U.S. Patent 5,742,021 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Metallkappe auf ein Keramiksubstrat gelötet wird. Um eine gasdichte Verbindung zu bekommen, wird die Metallkappe während der Erwärmung auf das Substrat gedrückt. Zur Erwärmung ist ein Heizdraht in das Keramiksubstrat eingebracht, so dass kein zusätzliches Werkzeug zu Erwärmung benötigt wird.

Die Druckschrift DE 10 2004 025 493 A1 beschreibt ein Verbindungsverfahren mit zusätzlichen Füegeelement. Zwei stromdurchflossen Elektroden erwärmen über Induktion ein mit Lotdepot gefüllten Niet oder Bolzen, der zwei oder mehr Fügeteile miteinander verbindet. Die Elektroden drücken dabei jeweils von oben und von unten auf die zu verbindenden Fügeteile.

Die Druckschrift DE P.A.506936*24.8.54 beschreibt einen Einrichtung zum Löten und Schweißen von Blechen. Dabei werden die zu fügenden Bleche zwischen zwei zueinander beweglichen Teilen einer Indutkionsspule positioniert und zusammengedrückt. Während des Lötvorgangs wird ein Pressdruck aufgebracht, der nach dem erfolgreichen Löten vorübergehend aufrechterhalten wird.

Vorteilhaft wäre ein Lötverfahren und eine Lötvorrichtung, die es ermöglichen, einen mechanischen Druck auf die Lötstelle auszuüben, und mit denen sichergestellt werden kann, daß der Druck solange auf die Lötstelle ausgeübt wird, bis die Lötstelle erkaltet bzw. erstarrt ist. Darüber hinaus ist es vorteilhaft; wenn die Erwärmung berührungslos erfolgt und dadurch unabhängig von Verschmutzung und Verschleiß ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 vorgeschlagen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Löten, insbesondere zum punktuellen Löten, unter Vorspannung sieht vor, daß die Erwärmung der Lötstelle mit einem stromdurchflossenen Induktor, typischerweise kontaktlos, erfolgt und eine Kraft auf die Lötstelle mit einer Andruckplatte aus einem elektrisch nichtleitfähigem Material erfolgt. Mit der nichtleitfähigen Andruckplatte kann, ohne unmittelbare Beeinflussung des mittels des Induktors bewirkten Lötprozesses, solange ein Druck bzw. eine Kraft auf die Lötstelle ausgeübt werden, bis nach Beendigung des Lötens die Lötstelle ausreichend abgekühlt ist. Da kein direkter Kontakt zwischen Lötstelle und Induktor besteht, ist dieser weder einem Verschleiß noch Verschmutzungen unterworfen.

Unter Andruckplatte ist hier jedes Element beliebiger, vorzugsweise der Lötstelle angepaßter geometrischer Form gemeint.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzliches Lot in Form von Lotpaste oder festen Lotteilen zugeführt.

Von Vorteil ist, wenn die Andruckplatte mit dem Induktor verbunden ist, da dies die Handhabung stark vereinfacht.

Die Andruckplatte befindet sich typischerweise zwischen Induktor und Lötstelle und ermöglicht unabhängig von dem Betriebszustand des Induktors eine Kraftausübung auf die Lötstelle. Auch nach Abschalten des Induktors, somit nach erfolgtem Löten, kann der Druck auf die Lötstelle aufrecht erhalten werden. Erst wenn die Lötstelle ausreichend erkaltet ist, wird die Druck ausübende Andruckplatte von der Lötstelle entfernt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Löten unter Vorspannung weist einen stromdurchflossenen Induktor zum Erwärmen einer Lötstelle und eine Andruckplatte aus einem elektrisch nichtleitfähigem Material auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In Ausgestaltung ist die Andruckplatte mit dem Induktor, vorzugsweise lösbar, verbunden.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Andruckplatte aus einem durchsichtigen bzw. transparenten Material gefertigt. Dies ermöglicht eine bessere Sichtkontrolle der Lötstelle während des Löt- und Andruckvorgangs.

Es ist vorteilhaft, wenn die relative Lage des Induktors zu der Andruckplatte über eine geeignete, üblicherweise mechanische Einrichtung eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht unterschiedlichen Anwendungsanforderungen angepaßt werden. Auch eine Änderung der relativen Position während des Löt- bzw. Andruckvorgangs ist damit zu bewerkstelligen.

Vorzugsweise sind zusätzlich Befestigungsmittel, die ebenso aus einem durchsichtigen Material gefertigt sein können, vorgesehen.

Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn die Andruckkraft mit einer geeigneten Einrichtung eingestellt werden kann. Auch eine Steuerung bzw. Regelung der Andruckkraft mit einer geeigneten Kontrolleinrichtung ist damit realisierbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen eine Reihe von Vorteilen auf, von denen einige nachfolgend aufgeführt sind.

– Die Energiezufuhr kann innerhalb kürzester Zeit ein- und ausgeschaltet werden.
– Die Andruckplatte selbst wird nicht erwärmt, d.h. nach Abschalten der Wärmezufuhr kann mittels Andruckplatte Druck auf die Lötstelle ausgeübt werden bis das Lot erstarrt.
– Die Wärmeübertragung ist berührungslos und wird durch Verschmutzungen nicht beeinträchtigt.
– Die Wärmequelle kommt nicht mit der Lötstelle in Kontakt, so daß sie nur geringem Verschleiß durch Oxidation, Abbrand oder Verschmutzung unterliegt.
– Da die Andruckplatte elektrisch nicht leitend ist, kann es bei versehentlichen Berührung mehrerer Kontakte nicht zu einem Kurzschluß kommen.
– Da der Andruck direkt in der Lötstelle erfolgt, wird ein Spalt zwischen den Fügepartnern vermieden, so daß zum Löten das Lot der Verzinnung der Fügepartner ausreicht. Die beim manuellen Kolbenlöten der Randverschaltung oft zu beobachtenden überstehenden Lotperlen des zugeführten Lotdrahtes, welche das Deckglas der Solarmodule beschädigen können, werden vermieden.

Neben der Randverschaltung von Solarzellen eignen sich das Verfahren und die Vorrichtung auch für das Verlöten anderer nicht formstabiler Fügepartner, wie z.B. folienisolierte Flachleiter oder Fügepartner, die unter Vorspannung verlötet werden sollen, wie bspw. hochpolige LCD-Anzeigen.

In der beigefügten Zeichnung sind zur Verdeutlichung der Erfindung Ausgestaltungen dieser dargestellt. Unter Bezugnahme auf diese Zeichnung werden einige weiteren Vorteile aufgezeigt.
2 zeigt das Grundprinzip, bei dem auf Fügepartner 3, 5 mit einer Andruckplatte 2 Kraft ausgeübt wird und die Erwärmung mittels eines stromdurchflossenen Induktors 1 durch die Andruckplatte 2 erfolgt.
Für den Fall, daß das Lot der Verzinnung nicht ausreicht, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, zusätzliches Lot 4 in Form von Lotpaste oder festen Lotteilen zuzuführen und zwischen den Fügepartnern 3, 5 zu plazieren.
Die Andruckplatte 2 kann

– auf die Lötstelle 9 aufgelegt werden,
– mit den Fügepartnern 3, 5 oder einer Auflage verspannt werden,
– mit einem separatem Niederhalter auf die Lötstelle 9 gedrückt werden, oder
– wie in 3 gezeigt, mit dem Induktor 1 bzw. einem seiner Befestigungselemente 2a verbunden werden. Vorteilhaft für die Wartung des Systems ist es, wenn die Befestigung der Andruckplatte 2 als lösbare Verbindung 2a ausgebildet ist.

Der Andruck kann durch die Gewichtskraft der Andruckplatte bzw. Vorrichtung, durch zusätzliche Elemente wie z.B. Federn, Pneumatikzylinder, Luftüber- bzw. -unterdruck oder auch durch den Induktor erfolgen.
Es ist vorteilhaft, wenn die Andruckplatte 2 durchsichtig ist, so daß der betrachtet werden kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Andruckplatte 2 lotabweisend ist, um Verschmutzungen möglichst zu vermeiden.
4a zeigt den Schnitt durch eine Ausprägung der Erfindung, bei der die Andruckplatte 2 aus Glas oder einem vergleichbaren Werkstoff ist.
Weiterhin sollte die Andruckplatte sehr dünn sein, da die Wirkung des Induktors 1 mit zunehmenden Abstand deutlich abnimmt. Harte Materialien, wie z.B. Glas, sind jedoch sehr spröde. Um ein Zerbrechen aufgrund der mechanischen Belastung zu vermeiden, wird die Andruckplatte bei der Ausprägung gemäß 4a durch einen Stützrahmen 10 und eine Stützplatte 11 abgestützt.
4b zeigt in Draufsicht eine beispielhafte Anordnung von Induktor 1 und erhabenen Flächen 11a der Stützplatte 11. Vorteilhaft für die Wartung des Systems ist es, wenn die Befestigung der Andruckplatte 2, des Stützrahmens 10, der Stützplatte 11 und des Induktors 1 als lösbare Verbindung ausgebildet ist. Es ist jedoch auch die Integration von zwei oder mehreren dieser Komponenten in einem Bauteil möglich.
In einer weiteren Ausführungsform werden der Induktor 1 und die Andruckplatte 2 mit einem ggf. durchsichtigen Material vergossen.
Eine Erweiterung dieser Erfindung ist es, die Andruckplatte 2 nachgiebig zu montieren und die Andruckkraft der Andruckplatte 2 auf die Lötstelle 9 einstellbar zu gestalten.
Da an einem Solarmodul mehrere Anschlußbänder miteinander zu verbinden sind, ist die oben beschriebene Lötvorrichtung mehrfach auszulegen, oder die Lötvorrichtung ist relativ zu dem Solarmodul beweglich anzuordnen. Dazu wird die Lötvorrichtung oder das Solarmodul bewegt. Auch eine Kombination ist möglich.
Es versteht sich, daß die vorstehenden genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen sonder auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Löten unter Vorspannung, bei dem die Erwärmung mit einem stromdurchflossenen Induktor (1) erfolgt und eine Kraft auf die Lötstelle (9) mit einer Andruckplatte (2) aus elektrisch nichtleitfähigem Material ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzliches Lot (4) in Form von Lotpaste oder festen Lotteilen zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Andruckplatte (2) mit dem Induktor verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Andruckplatte (2) sich zwischen dem Induktor (1) und der Lötstelle (9) befindet.
Vorrichtung zum Löten unter Vorspannung, bei dem ein stromdurchflossenen Induktor (1) zum Erwärmen einer Lötstelle (9) und eine Andruckplatte (2) aus einem elektrisch nichtleitfähigem Material vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Andruckplatte (2) mit dem Induktor (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Andruckplatte (2) mit dem Induktor (1) lösbar verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Andruckplatte (2) aus einem durchsichtigen Material gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der zusätzlich Befestigungselemente (11) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Befestigungselemente (11) aus einem durchsichtigen Material gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, bei der die relative Lage des Induktors (1) zu der Andruckplatte (2) eingestellt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei der eine Einrichtung zum Einstellen der Andruckkraft der Andruckplatte (2) auf die Lötstelle (9) vorgesehen ist.