DE29807123U1 - Vorrichtung zur berührungslosen, örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von gebündelter Strahlung - Google Patents

Vorrichtung zur berührungslosen, örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von gebündelter Strahlung

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Description

Vorrichtung zur berührungslosen örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von gebündelter Strahlung
Anwendungsgebiet
In der industriellen Fertigung besteht vielfach der Bedarf, Material (z.B. Werkstücke oder Proben) punktuell zu erwärmen. Beispiele sind Glühen, Hartlöten, Schmelzen, Schrumpfen, Kleben, Trocknen oder Weichlöten von Kunststoffen und Metallen.
Stand der Technik
Ein berührungsloses Verfahren, bei dem die Wärmeenergie auf einen kleinen Bereich begrenzt wird und der Wärmeeintrag ideal geregelt werden kann, ist die Bestrahlung mit Licht (deutsche Patentschrift Nr. 498501 vorn 23.05.1930). Die Strahlungsenergie kann über die Leistung der Lichtquelle, die Strahlungsdauer und die Art der Fokussierung variiert werden. Die Strahlungsenergie wird an der Oberfläche des zu erwärmenden Werkstückes zum Teil reflektiert, zum Teil absorbiert und in Wärme umgewandelt. Daher ist das Absorptionsverhalten der bestrahlten Werkstücke von entscheidender Bedeutung. Es sollte eine Lichtquelle gewählt werden, deren Wellenlänge in einem Bereich liegt, in dem das Licht sehr gut absorbiert wird.
Aufgrund, der guten Strahlqualitäten konnten sich Lasersysteme für eine Vielzahl von Anwendungen etablieren. Jedoch gibt es eine Reihe von Aufgaben (wie z.B. das Einzel punktlöten bei der Leiterplattenbestückung), für die sich Lasersysteme im industriellen Einsatz bisher nicht durchsetzen konnten. Die wesentlichen Gründe sind:
Schwierigkeiten bei der Prozeßbeherrschung,
der sicherheitstechnische Aufwand und
hohe Investitionskosten.
Bei der Verwendung von Infrarotlicht kommen zwei Strahlertypen zum Einsatz: Schwarzstrahler und Quarz-Hochtemperaturstrahler. Schwarzstrahler, deren Oberfläche aus geschwärzten Metallplatten oder Keramikkörpern besteht, strahlen im Bereich von langwelliger IR-Strahlung mit Wellenlängen von 4-10 &mgr;&eegr;&tgr;&igr;. Sie sind Flächenstrahler. Eine Fokussierung der Strahlung ist nicht möglich, so daß eine Begrenzung der bestrahlten Fläche nur durch zusätzliche Blenden möglich ist.
Bei Quarz-Hochtemperaturstrahlern werden alle von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen mit einem halbelliptischen Reflektor in einem Brennpunkt fokussiert und zur Lötstelle geleitet. Das ausgesandte Licht liegt in einem Wellenlängenbereich von 0,5 bis 1,5 &mgr;&eegr;&eegr;. Im Jahr 1972 faßt Mayer den Stand der Technik zu IR-Strahlern für den industriellen Einsatz beim Löten und Erwärmen zusammen und stellt eindeutig die Wirtschaftlichkeit in Frage IM.
Mit der steigenden Bedeutung der Elektronikproduktion wurden in den letzten Jahren einige IR-Lichtquellen in Reparaturplätzen für Elektronikbaugruppen vorgestellt. Bei dem Produkt der Firma Royonic wird das Licht mit einem Linsensystem gebündelt, welches einen beachtlichen Teil der Lichtleistung absorbiert. Aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmedichte wird das System zur langsamen und „schonenden" Aufheizung von Elektronikbauteilen in Verbindung mit einer Unterheizung eingesetzt.
Ein weiteres Reparatursystem wurde vom Hahn-Meitner-Institut Berlin entwickelt 121. Das Licht eines IR-Strahlers wird durch ein Kapillarglasrohr geleitet, welches es ermöglicht, die Handhabungsfunktion einer Saugpipette mit der Funktion des Lötwerkzeuges zu kombinieren (Offenlegungsschrift DE 196 39 993 A1 vom 20.3.1997). Auch dieses System arbeitet in Verbindung mit einer Unterheizung. Vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der Technischen Universität Berlin wurde dieses Gerät in einen Lötkopf mit automatischer Zinnzufuhr integriert.
Ohne Unterheizung werden Punkt- und Flächenstrahler von den Firmen MICOR und Panasonic angeboten.
Gerade für das Einzelpunktlöten sind Abwandlungen bekannt, die den Prozeß
optimieren oder die Leistung steigern. Eine Anwendung nutzt die Fähigkeit des Lichtes, durch eine Folie hindurch zu löten (Offenlegungsschrift DE 2105513 vom 9.11.1972). Eine Leistungssteigerung läßt sich erzielen, wenn das Streulicht durch einen zusätzlichen Ringreflektor eingefangen wird. Eine Abschirmung der nicht zu erwärmenden Bereiche kann außer mit festen Blenden auch durch eine flexible Folie erfolgen (Offenlegungsschrift DE 3737457 A1 vom 18.5.1989).
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei der Anwendung von Licht zur Erwärmung der Reflektor oder die Optik durch Löt- und Flußmitteldämpfe und spritzen PVC-Dämpfe oder Lösungsmittel von Klebern oder Lacken verschmutzt und die Wirkung des Systems beeinträchtigt oder gar das System beschädigt. Aufgrund der diffusen Strahlung muß die Austrittsöffnung der Strahlung sehr nahe an die Wirkstelle herangeführt werden, wenn eine ausreichende Leistungsdichte im Fokus erreicht werden soll.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß ein Luftstrom, der die Lampe kühlt, um die Optik herum geleitet wird, zwischen Optik und Bearbeitungsstelle ein Luftpolster erzeugt und Dämpfe und Fremdkörper zur Seite drückt.
Eine Lichtquelle, insbesondere Lampe, erzeugt die erforderliche Wärmestrahlung. Das Licht wird durch einen konkaven Reflektor gebündelt und genau auf die Stelle geleitet, an der die Wärme benötigt wird. Die erforderliche Temperatur entsteht durch Absorption der Wärmestrahlung an der Lötstelle. Bei der Gestaltung des optischen Systems sind neben der Hauptfunktion, die zur Erwärmung erforderliche Strahlung zu erzeugen und zu bündeln, auch die Funktionen der Kühlung und der Schutz der Optik zu berücksichtigen.
Durch in die Lampenfassung oder den Reflektor integrierte Gasanschlüsse wird ein Gas, im einfachsten Falle Luft, an der Lampe vorbei geführt, so daß der Luftstrom die Lampe kühlt. Anschließend wird der Luftstrom durch Aussparungen im Gehäuse
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um die Optik herum geleitet. Mit einer Düsenblende wird der Luftstrom gebrochen und dadurch ein gleichmäßiger Luftstrom erzeugt, der vor der Optik ein Luftpolster aufbaut und in Richtung des zu erwärmenden Materials (Bearbeitungsstelle) abgeleitet wird. Dadurch werden Dämpfe und Fremdkörper wie Lot- und Flußmitteldämpfe und -spritzer, PVC-Dämpfe oder Lösungsmittel von Klebern oder Lacken von der Optik oder von einem zwischen Optik und Bearbeitungsstelle angeordneten bzw. die Optik ersetzenden Schutzglas ferngehalten.
Da der Austrittsquerschnitt der Düse mindestens doppelt so groß ist wie die Summe der Eintrittsquerschnitte der Zuführöffnungen, entsteht keine störende Kühlwirkung an der Bearbeitungsstelle, insbesondere Lötstelle. Vielmehr wird der Erwärmungs-, insbesondere Lötprozeß, durch die Luft, die von der heißen Lampe Wärme aufgenommen hat, unterstützt. Im Gegensatz zur Erwärmung mit Heißgas ist der Luftstrom jedoch wesentlich langsamer, so daß unerwünschte Eigenschaften wie z.B. beim Löten das ,,Wegblasen von Bauteilen" oder eine ungewollt starke Erwärmung der umliegenden Bereiche ausgeschlossen sind. Weiterhin nimmt die Düse die Funktion einer optischen Blende wahr. Sie hat die Form eines umgestülpten Kegelstumpfes, der nur die Lichtstrahlung durchläßt, die auf die Bearbeitungsstelle gebündelt wird und das Streulicht ausblendet. Der erforderliche Luftstrom kann durch externe Druckluft oder einen eigenen Lüfter erzeugt werden. Bei der Verwendung anderer Gase als Kühl- und Schutzmedium kann eine zusätzliche Wirkung an der Bearbeitungsstelle erzielt werden. Ein Beispiel ist die Verringerung der Verzunderung durch Verwendung von Schutzgas beim Löten.
Da das System für den industriellen Einsatz geeignet sein soll, muß ein einfacher und schneller Wechsel der Lampe sowie Reinigen der Optik möglich sein. Bei Verschleiß oder in regelmäßigen Abständen wird der Strahler (Lampe mit Reflektor und Optik) geöffnet, die Lampe gewechselt und die Optik gegen eine zweite Wechseloptik ausgetauscht. Die jeweils nicht genutzte Optik wird zur schonenden Reinigung in ein Lösungsbad gelegt.
Um einen genauen, möglichst kleinen Brennfleck zu erhalten, muß die Lampe genau im Reflektor justiert werden können. Dazu wird die Lampe in einen Zentrierring gefügt, der genau in die Lampenöffnung des Reflektors paßt. Dadurch
wird die Lampe axial zentriert. Zur Stromversorgung ist über dem Reflektor eine handelsübliche Fassung angebracht, in welche die Lampe mit ihren Anschlüssen gesteckt werden kann. Die genaue Positionierung entlang der optischen Achse erfolgt über Abstandshülsen, die auf die Anschlüsse der Lampe gesteckt werden. Die Abstandshülsen werden einmal für jede Anlage angepaßt, um Fertigungstoleranzen im Strahleraufbau auszugleichen. Beim Lampenwechsel können die Abstandshülsen wiederverwendet werden. Durch in die Lampenfassung integrierte Kanäle wird das angeschlossene Gas so geleitet, daß es beim Eintritt in den Reflektor die Lampe kühlt.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig.1 zeigt die Details des Strahlers: In einem Gehäuse (G) wird der Reflektor (R) angeordnet. Der Reflektor (R) hat mehrere Anschlüsse für Luftzufuhr (LZ). Die Befestigung des Reflektors erfolgt über einen Leitring (LR). Der Leitring (LR) hat gemäß Fig. 3 auf seiner Oberseite mehrere Aussparungen (AL) mit entsprechenden Bohrungen (B), um den Luftstrom um die Optik (O) herum zu leiten. Die Optik (O) liegt in einer entsprechenden Aussparung (AO) des Leitringes (LR). Darüber hinaus sind Aussparungen am oberen Rand der Düse (D) vorgesehen, die den Aussparungen am Leitring (LR) entsprechen. Die Düse (D) hat eine Trichterform, um die Streustrahlung auszublenden. Die Düse (D) wird im Gehäuse (G) durch eine lösbare Verbindung gehalten, z.B. Schraubverbindung oder Schnappverbindung mit Federklemmen. Durch den Reflektor (R) und die Optik (O) ist ein Hohlraum gebildet, in welchem ein Luftstrom (LS) Bestandteile der Lampe kühlt. Die Luftströme (LS) nehmen an der Düsenaustrittsöffnung Partikel und Dämpfe mit, die von der Bearbeitungsstelle (BS) emittiert werden.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung zur Positionierung der Lampe (L): Der Lampenkörper wird in einem Zentrierring (ZR) gehalten. Der Zentrierring (ZR) paßt genau in die Lampenöffnung des Reflektors (R) und positioniert die Lampe radial. Die Positionierung längs der optischen Achse erfolgt über Abstandshülsen (AH), die auf die Anschlüsse des Lampe gesteckt werden. Da die Fixierung der Lampe über
Zentrierring und Abstandshülsen erfolgt, muß die Lampenfassung (LF) quer zur optischen Achse nachgiebig sein.
Anwendungsbeispiel
Nicht alle Lötverbindungen lassen sich mit den herkömmlichen Massenlötverfahren herstellen. Besonders bei größeren oder exotischen Bauteilen gibt es häufig Probleme wegen ungünstiger Temperaturverteilung. Mit dem Ziel, kostengünstig einzelne hochwertige Lötverbindungen zu erzeugen, wurde ein Lichtlötsystem entwickelt. Das Verfahren kann sowohl zum Reflowlöten mit Lotpaste, als auch zum Löten mit Lotdraht verwendet werden. Die Strahlungsquelle, insbesondere Lampe, ist im Brennpunkt eines halbelliptischen Reflektors angeordnet, so daß die Strahlen auf einem Punkt fokussiert werden. Die offene Seite des Reflektors ist mit einer Optik abgedichtet. Die einfachste Form einer Optik ist eine plane Schutzscheibe. An das Gehäuse ist die Positioniereinrichtung der Lotdrahtzuführeinheit montiert. Die Temperaturmessung an der Lötstelle erfolgt berührungslos mit einem IR-Detektor/Pyrometer (P). Die aufgenommen Werte werden von der Steuerung in Steuersignale für Lampe und Lotdrahtzuführeinheit umgesetzt.
Zusammenfassung
Vorrichtung zur berührungslosen örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von gebündelter Strahlung zu dessen Bündelung ein konkaver Reflektor und eine Optik vorgesehen sind. Die Kühlung der Lichtquelle erfolgt über einen Luftström, der so geleitet wird, daß er im Betrieb Partikel oder Dämpfe von der Optik oder von einem Schutzglas wegführt.
Literatur:
/1/ Mayer, R: Löten und Erwärmen mit Infrarot-Hellstrahlen. In: Verbindungstechnik 4 (1972) 6, 5. 27-31.
121 Gerloff, U.: Löten mit Licht. In: Innovationen aus Berlin Nr. 40 IV195, Senatsverwaltung für Wirtschaft und Technologie, Berlin
/3/ Seliger, G.; Niemeier, J.; Meisel, U.; Gerloff, U.: New light soldering system integrates the assembly and soldering of SMD-components. In: Proceedings of Int. Congress Molded Interconnect Devices. Erlangen 1996.
Verzeichnis der Bezugszeichen Abstandshülsen
AH Aussparung für Luftführung
AL Aussparung für Optik
AO Bohrung
B Platine mit Bauelementen
BE Bearbeitungsstelle
BS Düsenblende
D Gehäuse
G Hohlraum
H Lampe
L
LF Lampenfassung
LR Leitring
LS Luftstrom
LV Lotdrahtvorschub
LZ Anschlüsse für Luftzufuhr
O Optik
P Pyrometer
R Reflektor
Z Zentrierring

Claims (13)

Ansprüche
1. Vorrichtung zur berührungslosen örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von gebündelter Strahlung, insbesondere Licht, zu dessen Bündelung ein konkaver Reflektor (R) und eine Optik (O) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (LZ, R, O, LR, D) zur Führung eines Gasstroms vorgesehen sind, der zur Kühlung von Bestandteilen der Lichtquelle (L) dient, und die den von der Lichtquelle erwärmten Gasstrom so führen, daß er im Betrieb Partikel oder Dämpfe von der Optik oder von einem Schutzglas wegführt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu kühlende Bestandteile in einem Hohlraum (H) angeordnet sind, der wenigstens eine Zuführöffnung (LZ) sowie wenigstens eine Abführöffnung (AL) für das Gas aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abführöffnung (AL) am Rand der Optik (O) oder einer Schutzscheibe (S) für den Reflektor (R) befindet.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als Düse (D) für den Gasstrom enden, die zugleich Austrittsöffnung für das gebündelte Licht ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als Düse (D) für den Gasstrom enden und Streulicht ausblenden, das nicht zur Erwärmung im vorbestimmten, örtlich begrenzten Bereich vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (D) durch eine lösbare Verbindung mit einem Gehäuse (G) verbunden ist
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (O) und/oder das Schutzglas eine das sichtbare Licht herausfilternde Wirkung aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (L) über einen Zentrierring (ZR) und zwei Abstandshülsen (AH) im Reflektor (R) positioniert ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einzelpunktlöten mit Lotdraht ein automatische Lotdrahtzuführung integriert ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Wärmedetektor (P) aufweist, mit dem die Temperatur an dem örtlich begrenzt zu erwärmenden Bereich des Materials ermittelt werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt der Düse (D) mindestens doppelt so groß ist wie die Summe aller Eintrittsquerschnitte der Zutrittsöffnungen (LZ)
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (O) bzw. das Schutzglas ohne Demontage des Reflektors (R) auswechselbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung eines Gasstroms zur Kühlung von Bestandteilen der Lichtquelle (L) durch Kanäle in die Fassung der Lichtquelle (L) integriert ist.
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