DE19704764A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen und/oder Regeln der Struktur einer Lötwelle - Google Patents

Description

Bezeichnung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen und/oder Regeln der Struktur einer Lötwelle.

Stand der Technik

Zur automatischen Lötung von Platinen, die mit Drahtbauteilen oder sogenannten oberflächenmontierten Bauelementen (SMD- Bausteinen) bestückt sind, werden im allgemeinen Wellenlötanlagen eingesetzt. In derartigen Anlagen wird flüssiges Lot durch eine als Düse ausgeformte Öffnung eines Behälters gepumpt, wodurch sich am Ausgang dieser Düse eine sogenannte Lötwelle ausbildet, in der das Lot nach unten in einen Sammelbehälter zurückfällt. Über diese Lötwelle wird die Leiterplatte hinweggefahren, wobei die Unterseite der Leiterplatte vom Lot benetzt wird. Das Wellenlöten von SMD- Bausteinen stellt an die Lötwelle verschiedene Anforderungen. Einerseits muß die Lötwelle alle Bauanschlüsse erreichen und andererseits müssen Brücken zwischen den einzelnen Lötstellen auch bei engen Abständen vermieden werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden häufig zwei Lötwellen auf wenigen Zentimetern Abstand verwendet, wobei eine dieser Lötwellen, die sogenannte Chipwelle, eine turbulente Charakteristik aufweist, während die andere Lötwelle, die sogenannte Hauptwelle, möglichst in einer laminaren Strömung betrieben wird.

Für ein einwandfreies Löten sind bestimmte Strukturvoraussetzungen der Lötwelle unabdingbar. Insbesondere muß die Höhe der Lötwelle in einem bestimmten Bereich liegen. Daher sind bereits Vorrichtungen zur Erfassung der Höhe einer solchen Lötwelle, zum Beispiel mit der DE 44 18 732 bekannt geworden. In dieser Druckschrift wird eine Lötwellenanlage beschrieben, bei der ein mindestens bis zur Höhe der Lötwelle reichender Abzweig vorgesehen wird, in den das Lot zugeleitet wird. Über oder in den Abzweig werden sodann Mittel zur Erfassung des Lotstands in diesem Abzweig, beispielsweise ein induktiv erfassender Sensor, angeordnet. Der Stand des Lotes im Abzweig wird als Maß für die Höhe der Lötwelle verwendet. Dieses Maß ist jedoch nur eingeschränkt tauglich, um die tatsächlichen Eigenschaften der Lötwellen zu beschreiben.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen und/oder Regeln der Struktur eine Lötwelle der einleitend genannten Art vorzuschlagen, bei der eine unmittelbare Erfassung der Lötwelle während des Betriebs möglich ist, wobei die Vorrichtung den notwendig vorhandenen Reaktionsbedingungen, das heißt dampfhaltige Umgebung, hohe Temperaturen, usw. standhalten und wobei die vorgeschlagene Meßvorrichtung gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine kostengünstige Lösung darstellen soll.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung und einem Verfahren der einleitend beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das entsprechende Verfahren durch den Einsatz eines berührungslos arbeitenden Sensors, z. B. eines Ultraschallsensors zur Erfassung der Struktur, insbesondere der Höhe der Lötwelle, aus.

Ein berührungslos arbeitender Sensor kann zur Messung während des Lötprozesses eingesetzt werden, ohne den Lötprozeß selbst zu stören bzw. zu beeinflussen. Der Sensor, insbesondere in Form eines Ultraschallsensors, hält einer Umgebung mit hohem Dampfinhalt, vor allem auch mit flußmittelhaltigem Dampfinhalt bei hohen Arbeitstemperaturen stand. Er benötigt fast keinerlei Wartung, da er unempfindlich gegenüber einer Verschmutzung der Meßeinrichtung ist. Er ist zudem in einer handlichen Einheit unterzubringen, so daß eine problemlose Ein- und Ausbaumöglichkeit der Meßeinrichtung möglich wird.

Vorteilhafterweise werden zwei oder mehrere Sensoren vorgesehen. Mit zwei oder mehreren Sensoren läßt sich ein größerer Bereich der Lötwelle abtasten. Hierdurch wird nicht nur die Höhe, sondern zumindest teilweise die räumliche Struktur der Oberfläche der Lötwelle erfaßt. Denkbar wäre auch der Einsatz eines oder mehrerer beweglicher Sensoren, um einen größeren Bereich der Lötwellenoberfläche abzutasten.

Das Auflösungsvermögen eines Ultraschallsensors ist durch die Größe der sogenannten Schallkeule beschränkt. Um-kleine Störungen in der Struktur der Lötwelle, beispielsweise verursacht durch Verunreinigungen am Ausgang der Lotdüse, erfassen zu können, ist ein Ultraschallsensor mit entsprechend schmaler Schallkeule erforderlich. Dieses Auflösungsvermögen eines Ultraschallsensors wird bevorzugt mit Hilfe einer akustischen Linse, die zwischen Sensor und Meßobjekt angeordnet wird, verbessert. Durch eine solche akustische Linse können die Ultraschall strahlen gebündelt und somit der Abtastbereich verkleinert werden.

Vorzugsweise wird eine Digitalisierungseinheit zur Umwandlung eines analogen Sensorsignals in einen digitalen Wert vorgesehen. Dies ermöglicht den Einsatz einer digitalen Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Meßwertes, ausgehend von einem analogen Sensorsignal.

Vorzugsweise wird erfindungsgemäß eine Referenzmessung an der Lötwelle durchgeführt, die ohne zu verlötende Leiterplatte bei einer vorbestimmten Lothöhe durchgeführt wird. Zur Verwendung dieser Referenzmessung für die spätere Auswertung eines Meßsignals während des Lötprozesses werden vorteilhafterweise entsprechende Speichermittel zum Abspeichern der Referenzdaten vorgesehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abweichung des während des Lötprozesses erfaßten Meßwertes von einem Referenzwert als Maß für die Struktur und Güte einer Lötwelle verwendet. Hierzu werden vorteilhafterweise entsprechende Mittel zur Bestimmung einer Abweichung des Meßwertes von einem Referenzwert vorgesehen. Dies wird beispielsweise in einer Auswerteeinheit durchgeführt, die in Form eines Rechners vorliegen kann.

Die Auswertung des Sensorsignals findet bevorzugt mit Hilfe eines vorbestimmten Rechenalgorithmus statt, der anlagebedingte bzw. lötwellenbedingte Einflüsse auf das Meßergebnis berücksichtigt. Dieser Meßalgorithmus berücksichtigt somit die bestimmte Wellenform, zum Beispiel ob es sich um eine Hauptwelle oder eine Chipwelle handelt, sowie die speziellen Anordnungen und bestimmte Arten von einzelnen Komponenten der Anlage sowie die damit erfahrungsgemaß verbundenen potentiellen Defekten, die bei der Lötung auftreten können.

In einer besonderen Ausführungsform werden mehrere derartige anlagenspezifischer bzw. wellenspezifischer Rechenalgorithmen wahlweise für die Auswertung des Sensorsignals vorgesehen. Eine derartige Meßvorrichtung ist somit universell für die Erfassung unterschiedlicher Lötwellen sowie für den Einsatz in unterschiedlichen Lötwellenanlagen verwendbar, in dem lediglich der entsprechende Rechenalgorithmus aufgerufen wird.

Bevorzugt wird eine Gaszufuhr für wenigstens einen Ultraschallsensor vorgesehen. Diese Gasströmung, beispielsweise in Form von Stickstoff, ist in der Lage, Ablagerungen im Innenraum des Sensorkopfes zu minimieren und zugleich Wärme abzuleiten, so daß ein Wärmestau bei den inneren Komponenten vermieden wird. Die Temperatur des zugeführten Gases soll in dem Arbeitstemperaturenbereich, z. B. Raumtemperatur, der Ultraschallsensoren liegen.

Bevorzugt werden Steuermittel zur Steuerung wenigstens eines Strukturparameters der vermessenen Lötwelle auf der Grundlage des Ergebnisses der Messung an der Lötwelle vorgesehen. Ein derartiger Strukturparameter kann beispielsweise in der Drehzahl der Pumpe und somit dem Druck, mit dem die Lötwelle produziert wird, bestehen. Die Steuermittel beinhalten somit einen Regelkreis, der aufgrund der Vermessung der Lötwelle die Prozeßparameter zur Erzeugung der Lötwelle so regelt, daß stets eine Lötwelle mit der gewünschten Struktur in vorgegebenen Toleranzen vorliegt.

Vorteilhafterweise werden die Meßergebnisse über die Struktur der Lötwelle als Grundlage für die Qualitätskontrolle verwendet. Die Struktur der Lötwelle gibt Aufschluß über die Qualität der Lötung der zum jeweiligen Zeitpunkt gelöteten Leiterplatten. Die Qualitätskontrolle kann beispielsweise in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel dadurch bewerkstelligt werden, daß die Meßergebnisse bei der Messung der Struktur der Lötwelle mit einer Identifizierungsnummer der zum jeweiligen Zeitpunkt an der Lötwelle bearbeiteten Baugruppe zugeordnet wird. Die Struktur der Lötwelle während der Lötung dient somit als Qualitätsmerkmal jeder einzelnen bearbeiteten Baugruppe.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden Anzeigemittel zum Anzeigen der gemessenen Lötwellenstruktur vorgesehen. In einer Weiterbildung dieses Merkmals wird zugleich angezeigt, ob die Strukturmessung innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegt.

In einer besonderen Ausführungsform wird hierbei jeweils der Meßwert der online über ein bestimmtes Zeitintervall aufgenommen wurde, angezeigt. Es werden dabei bevorzugt immer die Meßwerte des zuletzt gemessenen Zeitintervalls dargestellt.

Die genannten Anzeigemittel können in Form visueller Displays oder aber auch in Form von akustischen Meldern, usw. bestehen. In einer Weiterbildung der Erfindung werden zusätzlich entsprechende Alarmmeldungen, wiederum beispielsweise in akustischer oder optischer Form ausgegeben, wenn die erfaßte Lötwellenstrukturwerte die vorgegebenen Toleranzintervalle über- oder unterschreiten. In diesem Fall wäre es auch möglich, die Lötwellenanlage automatisch zu stoppen.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Lötwellenanlage mit zwei Lötwellen,

Fig. 2 eine Darstellung verschiedener Anordnungs­ möglichkeiten einer Abstandssensorik,

Fig. 3 zwei Abbildungen zur Veranschaulichung des lokalen Auflösungsvermögens einer erfindungs­ gemäßen Sensoranordnung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Reihen­ anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Sensor­ vorrichtungen,

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung und

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.

Die Darstellung gemäß Fig. 1 veranschaulicht eine Wellenlötanlage 1 mit einer unter hohem Druck aufgebauten Chipwelle 2, die bezogen auf die Förderrichtung F eines zu lötenden Bauelements 3 vor der sogenannten Hauptwelle 4, die möglichst ruhig und mit laminarer Strömung erzeugt wird, angeordnet ist. Durch zwei Pumpkanäle 5, 6 wird hierzu flüssiges Lot durch zwei Düsen 7, 8 gepumpt. Oberhalb der Düsen fällt das Lot 9 jeweils beidseits in ein Lotreservoir herunter.

Die Baugruppe 3 wird mit der zu lötenden Seite durch eine nicht näher dargestellte Fördereinrichtung über beide Wellen 2, 4 gezogen. Die turbulente Chipwelle 2 sorgt hierbei für eine vollständige Benetzung aller Kontaktstellen, während die Hauptwelle 4 ein Ablaufen des überflüssigen Lotes sowie die Bildung gleichmäßiger Kontaktstellen gewährleistet.

In Fig. 4 ist schematisch der Verlauf der Oberfläche einer Lötwelle 10 bzw. 10' dargestellt, die bei unterschiedlichem Druck aus einer Düse 11 erzeugt wird. Oberhalb der Wellen 10, 10' sind in verschiedenen Positionen zwei Sensoranordnungen 12, 13 angebracht. Die Sensoranordnung 12 befindet sich hierbei im Bereich des Scheitelpunkts der Wellen 10, 10', die aufgrund der Gravitation einen parabolischen Verlauf haben. Die Sensoranordnung 12 in der Nähe des Scheitelpunkts liegt daher in einer Position, in der sie fast unmittelbar die Höhe der Lötwelle an der Stelle mißt, an der auch die zu lötenden Baugruppen über die Lötwelle gezogen werden. In dieser Position ist das Meßsignal daher direkt proportional zu der zu erfassenden Höhe H. Andererseits hat diese Position den Nachteil, daß Änderungen im Abstand der Lötwelle 10, 10' zur Sensoranordnung 12, beispielsweise aufgrund von Druckschwankungen sehr gering ausfallen, so daß eine Auswertung des Meßsignals erschwert wird.

Demgegenüber bietet die Anordnung im Bereich hinter dem Scheitelpunkt gemäß der Sensoranordnung 13 den Vorteil, daß durch Druckschwankungen die Änderungen im Abstand zur Sensoranordnung 13 größer sind. Diese Änderungen lassen sich daher leichter aus den Ausgangssignalen der Sensoranordnung 13 auswerten. Dieses Ausgangssignal ist allerdings dann im entsprechenden Auswerteverfahren in Bezug zu der zu messenden Höhe H zu bringen.

Der Abstand der Sensoren 12 bzw. 13 von der Wellenoberfläche wird möglichst nahe gewählt, ist jedoch auf die maximale Betriebstemperatur des Sensors abzustimmen. Für einen Sensor, dessen maximale Betriebstemperatur ungefähr 60 Grad Celsius beträgt, empfiehlt es sich, für den Sensor einen minimalen Abstand von 100 mm zu wählen. Andererseits ist es bei kleineren Abständen durchaus möglich, die Betriebstemperatur des Sensors durch entsprechende Gastemperaturen eines wie o.a. zuzuführenden Gases zu kontrollieren.

Durch Düsenverunreinigungen der Austrittsdüsen 7, 8, 11 kann der Verlauf der Lötwelle beeinflußt werden. Denkbar sind hierbei sowohl Erhöhungen in der Lötwelle, sowie Einbuchtungen oder gar Abrisse der Lötwelle an bestimmten Punkten. Erhöhungen bilden sich dadurch, daß leichte Verschmutzungen für einen geringeren Düsenquerschnitt an dieser Stelle sorgen, so daß das Lot an dieser Stelle mit größerer Geschwindigkeit austritt. Stärkere Verschmutzungen können die Düse lokal verstopfen, so daß hier Vertiefungen oder Abrisse der Wellen entstehen.

Um derartige lokale Veränderungen messen zu können, muß die sogenannte Schallkeule 14, 15 jeder Sensoranordnung 12, 13 entsprechend fokussiert werden. Die Schallkeule entspricht dem lokalen Bereich, innerhalb dessen der Sensor der Sensoranordnung 12, 13 reflektierte Schallwellen erfaßt. In Fig. 3 sind zwei Beispiele unterschiedlich geformter Schallkeulen 16, 17 dargestellt, die im Bereich eines Oberflächendefekts 18 einer Lötwelle 10 eingestrahlt werden. Die breitere Schallkeule 16 ist hierbei weiter ausgedehnt als der Defekt 18, so daß mit dieser Anordnung dieser lokale Defekt nicht dedektierbar ist. Hingegen kann mit einer Sensoranordnung, deren Schallwelle 17 eine kleinere Ausdehnung als der Defekt 18 der Lötwelle 10 aufweist, dieser Defekt erkannt werden. Das Auftreten derartiger Defekte ist ein Hinweis, die Düsen einer Reinigung zu unterziehen, um die gewünschte Lötwellenstruktur wieder zu erzielen.

Um ein für die gesamte Wellenbreite repräsentatives Meßergebnis zu erzielen, empfiehlt es sich, mehrere Sensoren nebeneinander anzuordnen. Die Darstellung gemäß Fig. 4 veranschaulicht eine solche Reihe von Sensoranordnungen 19, die mit ihren Schallkeulen 20 die gesamte Breite B einer Lötwelle 10 abdecken. In dieser Darstellung sind weiterhin die schematisch angedeuteten Transportschienen 21 mit Greiffingern 22 für den Transport der Baugruppen 3 über die Lötwelle 10 angedeutet.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Sensoranordnung 23 dargestellt, die beispielsweise in der vorbeschriebenen Weise als Sensoranordnung 12, 13 bzw. 19 einzusetzen ist. Ein Ultraschallsensor 24 ist innerhalb einer Sensorkammer 25 angeordnet. Eine elektrische Anschlußvorrichtung 26 ist seitlich an der Sensoranordnung 23 angedeutet. Vor dem Sensor 24 ist in Detektionsrichtung eine akustische Linse 27 vorgesehen. Diese akustische Linse 27 dient dazu, die Schallkeule der Sensoranordnung 23 zu bündeln und somit das lokale Auflösungsvermögen zu verbessern. Auf diese Weise werden kleinere Defekte 18 in der Lötwelle 10 durch eine derartige Sensoranordnung 23 erfaßbar.

In Fig. 6 ist zum einen erkennbar, wie mehrere Sensoranordnungen 23 mit akustischer Linse 27 nebeneinander angeordnet sind. Neben den Anschlußvorrichtungen 26 für die elektrischen Anschlüsse ist eine zusätzliche Durchführung 28 für eine Gasleitung in die Sensorkammer 25 vorgesehen. Über diese Gasdurchführungen 28 kann ein Gas, beispielsweise Stickstoff in die Sensorkammern 25 eingeblasen werden, wodurch zum einen die Verschmutzung im Innern der Sensorkammern 25 reduziert und zum anderen eine Überhitzung aufgrund der Wärmeabfuhr durch die Gasströmung vermieden wird.

Wie bereits erwähnt, kann das Ausgangssignal der Sensoren 24 mit Hilfe einer entsprechenden Auswerteeinheit in Beziehung zu der Struktur, insbesondere der Höhe der vermessenen Lötwelle 10 gebracht werden. In dieser Auswertung sollten neben dem Sensorsignal auch weitere Parameter, beispielsweise die spezielle Düsenform, die Art der Lötwelle (Chipwelle 2 oder Hauptwelle 4), die Anordnung und Ausgestaltung der Sensoranordnungen 23, usw. berücksichtigt werden. Bevorzugt werden hierzu verschiedene Rechenalgorithmen, vorbereitet und abgespeichert, um eine derartige Sensoranordnung 21 möglichst flexibel einsetzen zu können. Das Ergebnis in der Auswertung kann in Form einer Rückkopplung wieder dazu verwendet werden, bestimmte Parameter, beispielsweise den Pumpendruck für die Erzeugung der Lötwellen 2, 4, 10 zu regeln. Auch weitere, für die Qualität der Lötung wichtige Parameter, beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit der Baugruppen 3, die Eintauchtiefe der Baugruppen 3 in die Lötwellen 2, 4, 10, usw. können mit Hilfe der Meßdaten gesteuert werden.

Da die Meßdaten, insbesondere in Verbindung mit den weiteren für die Lötung wichtigen Parameter, wie die Vorschubgeschwindigkeit der Baugruppen 3, die Art der Bestückung der Baugruppen 3 usw., aussagekräftig über die Qualität der durchgeführten Lötung sind, kann eine Qualitätskontrolle mit Hilfe dieser Meßdaten durchgeführt werden. Bevorzugt wird dies, wie bereits o. a., über eine Zuordnung der bei der Lötung vorliegenden Meßdaten zu der jeweiligen Baugruppe 3 durchgeführt.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Messen und/oder Regeln der Struktur einer Lötwelle, die mittels einer Lötpumpe erzeugt wird, die flüssiges Lot aus einem Reservoir zu einer Ausflußdüse fördert, dadurch gekennzeichnet, daß ein berührungsloser Sensor 24 zur Erfassung der Struktur der Lötwelle 2, 4, 10 vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor 23 ein Ultraschallsensor ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren 23 vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ultraschallsensor mit einer akustischen Linse 27 versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Digitalisierungseinheit zur Umwandlung eines analogen Sensorsignals in einen digitalen Wert vorhanden ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Speichermittel zum Abspeichern der Daten einer Referenzmessung vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bestimmung einer Abweichung des Meßwertes von einem Referenzwert vorhanden sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Auswertung der Sensorsignale nach einem vorbestimmten Rechenalgorithmus vorhanden sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rechenalgorithmen wahlweise für die Auswertung der Sensorsignale vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gaszufuhr 28 für wenigstens einen Ultraschallsensor 23 vorhanden ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel zur Steuerung wenigstens eines Strukturparameters der Lötwelle 2, 4, 10 auf der Grundlage des Ergebnisses der Messung einer Lötwelle 2, 4, 10 vorhanden sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Qualitätskontrolle auf der Grundlage des Meßergebnisses vorhanden sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Qualitätskontrolle eine Zuordnung des Ergebnisses der Messung an der Lötwelle 2, 4, 10 zu einer Identifizierungsnummer der in diesem Zustand der Lötwelle 2, 4, 10 bearbeiteten Baugruppe umfaßt.

14. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anzeigemittel zum Anzeigen der gemessenen Lötwellenstrukturdaten und/oder von Abweichungen dieser Lötwellenstrukturdaten von vorgegebenen Referenzwerten vorhanden sind.

15. Verfahren zum Messen und/oder Regeln der Struktur einer Lötwelle, die mittels einer Lötpumpe erzeugt wird, um das flüssige Lot aus einem Reservoir durch eine Ausflußdüse zu fördern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.