DE2715048A1

DE2715048A1 - Vorrichtung zum flussmittelfreien verzinnen mittels ultraschall

Info

Publication number: DE2715048A1
Application number: DE19772715048
Authority: DE
Inventors: Helmut Moll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-04-04
Filing date: 1977-04-04
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2715048C2

Description

Vorrichtung zum flußmittelfreien Verzinnen mittels Ultraschall
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum flußiittelfreien Verzinnen oder Betten mittels Ultraschall, bestehend aus einen Lotbadbehälter nit beheizter Behälterwand, einer durch die BeMlterwand geführten Sonotrode, einer die Sonotrode in einer Knotenebene umgebenden, an die Behälterwand angeflanschten Tellermembran und einem mit der Sonotrode verbundenen Wandler.
Aus der DT-OS 2 231 908 ist es bekannt, zur Anlöten von Anschlußdrähten an bekohlte oder metallisierte Trägerkörper von elektrischen Bauelementen ein Lotbad zu verwenden, das aus einem beheizten, wannenartigen Badbehälter und einer durch dessen Boden senkrecht eingeführten Sonotrode besteht.
Die Sonotrode weist an ihrer Stirnfläche Bohrungen auf, in die die zu verzinnenden und anzulötenden Anschlußdrähte gesteckt werden. Durch Kavitation wird die Oberfläche der zu verlötenden Teile gereinigt und mit einer Lotschicht derart überzogen, daß sie fest aneinander haften. Die Sonotrode ist an einen Wandler angeschlossen, der die von einem Frequenzgenerator kommenden Signale in Ultraschall schwingungen umsetzt und gegebenenfalls durch ein Gebläse gekühlt werden kann.
Um das Lotbad an der Durchführung der Sonotrode durch den Gefäßboden abzudichten, ist an die Sonotrode eine Tellermembran angeformt, die die Sonotrode in einer Ebene umgibt, in der beim Betrieb mit den vorgesehenen Frequenzen ein Schwingungsknoten liegt. Die Tellermembran ist an den Gefäßboden angeflanscht. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß in dom Fall., in den diese Verbindung durch Eraildun nicht mehr dichtet, die darunterliegenden Teile (z.B.
der Vanaler) durch ausleckendes Lot verunreinigt weKen.
Ferner muß bei Wartungsarbeiten das ganze Lotbad entleert werden. um die Dichtung ausbessern zu können. Erschwerend kommt ferner hinzu, daß der Tisch oder die Arbeitsfläche, auf der das Lotbad steht, eine Aussparung für den unter des Lotbad angeordneten Wandler aufweisen muß.
Aus der DT-AS 2 017 862 ist ein Lotbad bekannt, bei den die Sonotrode ebenfalls durch den Boden des Badbehälters geführt ist und in einer Knotenebene über eine Membran am Behälterboden befestigt ist. In dieser Auslegeschrift ist beschrieben, daß einer derartigen senkrechten Anordnung der Sonotrode der Vorzug gegenüber waagrechten Anordnungen gegeben werden muß, da bei waagrechten Anordnungen die Reflexionen an der Behälterwand zu Interferenzen fUhren, so daß vor der Sonotrode Bereiche entstehen, in denen durch Auslöschungen der Schallwellen keine Kavitation auftritt.
Ferner ist ein kommerziell erhältliches Lotbad bekannt, bei den die Sonotrode waagrecht angeordnet ist und praktisch nur mit ihrer freien Stirnfläche in das Lotbad ragt. Bei dieser Anordnung, bei der die schwingungserzeugende fläche praktisch in der Seitenwand des Badbehälters liegt, ist eine störende Interferenz mit reflektierenden Wellen im Bereich vor der Sonotrodenstirnfläche nicht zu befürchten.
Die Befestigung der Sonotrode an der Behälterwand erfolgt dabei nahe der Stirnfläche, d.h. nahe des Schwingungsbauches.
Zur Abdichtung dient ein Asbestring zwischen Sonotrode und Behälterwand. Da dieser Asbestring Jedoch infolge der Schwingungen der Sonotrode rasch ermüdet, wird diese bekannte Vorrichtung leicht undicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leicht handzuhabendes und zu wartendes Tischgerät zur lotmittelfreien Verzinnen mittels Ultraschall anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, bei der die Sonotrode waagrecht durch eine Seitenwand des Badbehälters in das Lotbad ragt.
Die Sonotrode ist also parallel zur Oberflächenspiegel des flüssigen Lotes angeordnet. Vorzugsweise beträgt der Abstand zmm Lotspiegel 1 bis 10 mm, insbesondere 2 bis 5 mm. Ist der Abstand zu klein, so entstehen auch an der Oberfläche des flüssigen Lotes Kavitationen, die dort rasch zur Oxidation des Lots führen. Ist andererseits der Abstand zu groß, so müssen die zu verzinnenden Gegenstände tief in das flüssige Lot eintauchen, bis sie in das Gebiet vor der Sonotrode Kommen, in dem Kavitationen erzeugt werden.
Gemäß der Erfindung ist die Sonotrode mit einer Tellermembran an die Behälterwand angeflanscht, wobei Tellermembran und Sonotrode als ein Werkstück gefertigt sind. Da die Sonotrode dicht unter der Oberfläche des flüssigen Lotes angeordnet ist, ragt ein beträchtlicher Teil der Tellermembran über die Oberfläche hinaus. Es ist bei dieser Anordnung zunächst zu erwarten, daß sich die Schwingungen der Sonotrode auf die Membran übertragen, die dann auch die Lotoberfläche in entsprechende Schwingungen versetzen würde. Die Folge dieser Schwingungen wäre, daß sich rasch ein Oxidfilm("Kretze") auf dem flüssigen Lot bilden würde. Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß sowohl eine unerwünschte Kretzebildung wie störende Interferenzen mit reflektierten Wellen dadurch vermieden werden, daß die Tellermembran in einer Knotenebene der Sonotrode angeordnet ist, wobei die Sonotrode zwangsläufig mit einer Länge, die etwa dem Viertel der verwendeten Wellenlänge entspricht, in das Lotbad hineinragt.
Einerseits ist dadurch eine Schwingungsübertragung auf die membran weitgehend unterbunden, andererseits liegt die schwingungserzeugende Stirnfläche der Sonotrode an einem Ort im Inneren des Lotbades, wo keine störenden Interferenzen beobachtet werden. Insbesondere ist es dabet vorteilhaft, wenn die Sonotrode eine quadratische oder rechteckige Stirnfläche aufweist. Bis zu einer Tite von etwa 5 bis 10 mm werden vor einer derartigen rechteckigen Sonotrode im Lotbadinneren Kavitationen erzeugt, die dort ein gleichmäßiges Verzinnen eingebrachter Gegenstände ermöglichen.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und zweier Figuren wird die Vorrichtung nach der Erfindung noch näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch das Lotbad, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Mit 1 ist eine waagrecht liegende Sonotrode bezeichnet, die vorzugsweise aus einer Titanlegierung besteht. Der Schaft der Sonotrode kann z.B. vorteilhaft zylindrisch mit einem Durchmesser von etwa 25 mm ausgeführt sein und läuft in eine quadratische Stirnfläche 2 von 25 25 mm aus. Etwa im Abstand von 45 mm von der Stirnfläche ist am Sonotrodenschaft eine Tellermebran 3 angeformt, die am Rand einen verstärkenden Flansch 4 träg. Mittels mehrerer Schrauben 5 und eines Isolierringes 6 ist diese Tellermembran an einen Verstärkungsring 7 angeflanscht, der an einer Seitenwand 8 des Lotbadbehälters 9 angeschweißt ist. Die Sonotrode 1 wird dabei so angeordnet, daß sie etwa 2 bis 5 mm unterhalb des Lotspiegels 10 zu liegen kommt.
Der badbehälter, der zur Vermeidung von Rissen und von Legierungsreaktionen mit den Lot vorteilhaft aus V2A-Stahl gefertigt ist, weist einen ungefähr quadratischen Grundriß auf. Die Stirnfläche 2 kommt dabei ungefähr in Nähe der Lotbadmitte zu liegen.
Seitlich am Lotbad ist eine zum Lotbad hin ungefähr bis auf die Höhe des Lotspiegels 10 schräg abfallende Abstreiffläche 11 für die Kretze vorgesehen. Sowohl an der Wandung 9 des Lotbades sowie an der Abstreiffläche 11 sind elektrische Heizplatten 12 und 13 angeordnet. Dadurch wird einerseits das Lot selbst flüssig gehalten, zum anderen kann die Kretze z.B. mittels eines Schabers leicht von des flüssigen Lot auf die Abstreiffläche geschoben werden, wobei überschüssiges Lot an der beheizten Abstreiffläche 11 entlang zurück in das Lotbad fließt. Eine derart beheizte seitliche Abstreiffläche erleichtert allgemein bei Lotbädern die Handhabung und erspart gleichzeitig unnötigen Lotverlust.
Das Lotbad ist von einer Sicherhejtswanne 15 umgeben, die mit Isoliermaterial 16 ausgeschlagen ist. Dadurch wird einerseits das Lotbad selbst thermisch isoliert, andererseits ein Auslaufen von flüssigem Lot in andere Teile der Vorrichtung verhindert.
Das rückwärtige Ende der Sonotrode 1 ist aus der Sicherheitswann 15 herausgeführt und über ein Verbindungsstück 17 mit einem Wandler 18 verbunden. Dieser Wandler 18, der z.B.
ein kommerzieller elektrostriktiver Wandler sein kann, wird von einem außerhalb der Vorrichtung angeordneten, nicht gezeichnet, Frequenzgenerator über die Leitung 19 mit der vorgesehnen Hochfrequenz, z.B. 20 bis 22 kH, gespeist. Sonotrode, Wander und Zwischenstück sind auf diese Frequenz abgestimmt; ihre Länge beträgt etwa eine halbe Wellenlänge oder ein Vielfaches davon. Zur Stromversorgung ist der Frequenzgenerator an eine Steuereinrichtung 20 angeschlossen, die ihrermeits am Versorgungsnetz liegt und einen Schalter zum Einschalten der Stromversorgung des Generators aufweist.
Die Regelung der Strahlungsleistung geschieht, wie bei den gebräuchlichen Generatoren, am Generator selbst. Es können somit verschiedene handelsübliche Generatoren, deren Leistungen iötst zwischen 100 und 600 Watt liegen, an die Vorrichtung angeschlossen werden. Ferner ist das Steuergerät 20 über (nicht Dargestellte) Leitungen mit den Heizplatten 12 und 13 sowie einem an Lotbad angeordneten Temperaturfühler 14, z.B. einem Widerstandsthermometer des Typs PT100, verbunden.
Die räumliche Anordnung mit waagrecht liegender Sonotrode und anschließenden Wandler ermöglicht es, das Steuergerät 20 direkt unterhalb des Wandert raumsparend in einem kompakten Gehäuse 21 anzuordnen, wodurch ein handliches Tischgerät entsteht. Ferner ist ein Geblise 22 vorgesehen, dessen Luftstrom sowohl den Wandler und das Verbindungsstück 17 wie auch die elektronische Steuervorrichtung 20 kühlt.
Mit 23 sind entsprechende Lüftungssdilitze ii Gehäuse 24 der Vorrichtung angedeutet.
Die elektronische Steuervorrichtung 20 enthält einen Temperaturreg@er, um mittels des Temperaturfühlers 14 und der Heizplatten 12 und 13. das Lotbad auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Gebläse, Temperaturregler und Heizplatten sind vorzugsweise so ausgelgt, daß eine maximale Lotbadtemperatur von 4500C eingestellt werden kann, um die Vorrichtung auch für spezielle Hochtemperaturver@hren und Lotmaterialien anzuwenden. Ferner enthält die Steuervorrichtung eine Verriegelung, um ein Einschalten des Frequenzgenerators bei stillstehenden Gebläse zu verhindern, da sich sonst der angeschlossene Wandler unzulässig (z.B. über 80°C) erhitzen würde. Vorteilhaft enthält die Steuereinrichtung ferner elektronische Mittel, um die Luftkühlung auch nach Abschalten der Lotbadheizung und des Wandlers noch solange aufrecht zu erhalten, bis Lotbad und Sonotrode soweit abgekühlt sind, daß keine Schädigung thermisch empfindlicher Bauteile durch Wärmerückleitung von heißen Lotbad zu befürchten ist.
Diese Vorrichtung ermöglichtes, Lotbad, Heizung, Wandler, Schalter, Sicherungen und das Steuersystem zur wirksamen Temperaturüberwachung, insbesondere mit einer Nachlaufzeit für die Kühlung der temperaturempfindlichen Bauteile, in einem preisgtlnstigen Kompaktgerät unterzubringen. Ferner sind entsprechende Kontrollampen für die Kühlung, die Heizung und den Ultraschallgeber am Gehäuse der Vorrichtung angeordnet.
Mit diesem Ultraschall-Lötbad ist es möglich, flußmittelfrei zu betten und zu löten. Insbesondere ist auch das Abisolieren von lötbaren lackdrähten und ein flßmittelfreies Verzinnen von Kupfernickel-Materialien und von elektrischen Bauteilen, die durch lange Lagerzeit schwer lötbar geworden sind, möglich.
15 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentanspruche Vorrichtung zur flußiittelfreien Verzinnen oder Beloten mittels Ultraschall, bestehend aus einem Lotbadbehälter mit beheizter Behälterwand, einer durch die Behälterwand geführten Sonotrode, einer die Sonotrode in einer Knotenebene Umgebenden, an die Behälterwand angeflanschten Tellermembran und einem mit der Sonotrode verbundenen, an eine Prequenzgenerator anschließbaren Wandler, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Sonotrode (1) waagrecht durch eine Seitenwand des Badbehälters (9) in das Lotbad ragt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche der Sonotrode quadratisch oder rechteckig ist.
3. Vorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine seitlich ar Lotbad angeordnete, zum Lotbad hin ungefähr bis auf die Höhe des Lotapiegeis (10) schräg abfallende, beheizte Abstreiffläche (11).
4. Vorrichtung nach eines der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Badbehälter aus V2A-Stahl geschweißt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des Bedbehälters (9) einen Verstärkungsring (7) aufweist, an den die Sonotrode (1) mit der Tellerseibran (3) angeflanscht ist.
6. Vorrichtung nach einet der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Badbehälter in eine Sicherheitswanne (15) eingesetzt ist.
7. Vorrichtung nach einet m der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an Lotbad ein Tenperaturfuhler (14), insbesondere ein Widerstandthermometer, angeordnet ist und daß die Heizung (12, 13) für das Lotbad und gegebenenfalls die Abstreiffläche über einen mit im Temperaturfühler verbundenen Temperaturregler regelbar ist.
8. Vorrichtung nach eine. der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Kühlgebläse (22) zur Kühlung des Wandlers (18) und der elektrischen Bauteile (20) der Vorrichtung.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Gebläse steuerung, die das Gebläse nach Abschalten der Lotbadheizung noch während einer einstellbaren Nachlaufzeit in Betrieb hält.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 und Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung, der Temperaturregler und die Kühlung auf eine maximale Lotbadtemperatur von 450 0C ausgelegt sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß und ein Schalter für die Stromversorgung des Frequenzgenerators vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den Anschluß handelsübliche Frequenzgeneratoren anschließbar sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8 und Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Verrelung, die ein Einschalten der Stromversorgung für den frequenzgenerator bei stillstehende. Gebläse verhindert.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7, 9, 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler, die Gebläsesteuerung, die Schalter für die Stromversorgung des Generators und der Heizung und dirtVerriegelung als eine gemeinsame Steuereinrichtung (20) ausgebildet sind und innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung unterhalb des Wandlers angeordnet sind.

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15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Sicherungen und Kontrolllampen für Generator, Heizung und Gebläse vorgeschen sind.