DE3714012A1 - Verfahren zum messen von benetzungskraeften und benetzungslotwaage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Benetzungskräften beim Eintauchen eines Substrats in flüssiges Lot und eine für diese Messung geeignete Be­ netzungslotwaage, bei der das Substrat mittels eines Kraftmeßaufnehmers an einem Meßarm befestigt ist und eine Hubeinrichtung eine Relativbewegung zwischen dem Meßarm und einem Behälter für das flüssige Lot bewirkt.

Herkömmlicherweise arbeiten Benetzungslotwaagen mit sta­ tischen Lotbädern (DE-A 32 43 483). Mittels einer derar­ tigen Benetzungslotwaage kann der gesamte zeitliche Ablauf des Benetzungsprozesses wiedergegeben werden. Hierzu wird ein Substrat als Probe fest mit dem Kraftmeß­ aufnehmer verbunden, der sämtliche Kräfte, die aus dem Benetzungsvorgang resultieren, als Funktion der Zeit aufnimmt und an einen Meßverstärker weiterleitet. Ein­ tauchtiefe, Eintauchgeschwindigkeit sowie Verweilzeit der Probe im Lotbad können beliebig eingestellt werden. Auch lassen sich nahezu alle Bauteilformen und Materialien testen. Trotz der Bedeutung der Benetzungslotwaage für die Qualitätsuntersuchung in der Elektronikindustrie, blieb ihre Anwendung bisher auf Laboruntersuchungen mit separaten statischen Lotbädern beschränkt. In der Praxis hat sich dabei oftmals gezeigt, daß die an statischen Lotbädern gewonnenen Werte für Benetzbarkeit nicht auf automatische Wellenlötanlagen übertragbar waren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der zeitabhängigen Benetzungskräfte und eine geeignete Benetzungslotwaage zu schaffen, mit denen die Benetzungskräfte in einer Weise gemessen werden können, daß die Meßwerte auf automatische Wellenlötanlagen über­ tragbar sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verfahren der eingangs genannten Art das Substrat in die Lotwelle einer Schwallötanlage eingetaucht wird bzw., daß bei einer Benetzungslotwaage der eingangs genannten Art der Meßarm durch die Hubeinrichtung anhebbar und absenkbar ist, und daß der Behälter Teil einer Schwallötanlage ist, wobei das Substrat beim Absenken des Meßarms in die Lotwelle der Schwallötanlage eintaucht.

Durch die Erfindung gelingt es, den automatischen Löt­ prozeß einer Wellenlötanlage in einem Prüfverfahren realistisch zu simulieren und den gesamten Benetzungs­ verlauf optimal zu erfassen. Die Erfindung ermöglicht außerdem eine kontinuierliche Überwachung des Produk­ tionsablaufes selbst.

Überraschenderweise erhält man trotz der Bewegung inner­ halb der Lotwelle und der damit verbundenen Fluktuationen innerhalb des schmelzflüssigen Lots einen weitgehend glatten Kurvenverlauf aus dem Ausgangssignal des Kraft­ meßaufnehmers (vgl. hierzu Fig. 3).

Das Messen der Benetzungskraft, die im allgemeinen unter 10 mN liegt, kann nur mit Hilfe eines Kraftmeßaufnehmers erfolgen, der eine extrem hohe Empfindlichkeit besitzt. In Frage kommen Dehnmeßstreifen, induktive Meßsysteme und Piezokristalle. Vorzugsweise dient als Kraftmeßaufnehmer ein induktives Meßsystem, z.B. das der Typenreihe Q 11 der Firma Hottinger Baldwin. Es besitzt eine hohe Empfindlich­ keit von 16 mV/V, gleiche Kalibrierung in Zug- und in Druckrichtung, eine hohe relative statische Grenzquerbe­ lastung, eine hohe zulässige Gebrauchstemperatur (tempera­ turkompensierter Bereich: -30° ... 100°C) und ist serien­ mäßig an 5 kHz-Trägerfrequenz-Meßverstärker anschließbar.

Um eine Behinderung des Produktionsprozesses zu vermeiden und ein bequemes und gefahrloses Anbringen des Substrats an dem Kraftmeßaufnehmer zu gewährleisten, ist der Meßarm vorzugsweise als einseitiger oder zweiseitiger Hebel aus­ gebildet.

Zur Erzielung einer möglichst ruckfreien Absenkbewegung, wobei die Absenkgeschwindigkeit variabel einstellbar sein soll, weist die Hubeinrichtung vorzugsweise einen Hydrau­ likzylinder auf, der an dem Meßarm angreift.

Damit der Ort des Eintauchens des Substrats in die Lot­ welle beliebig wählbar ist, ist vorzugsweise der Kraft­ meßaufnehmer längs des Meßarms und dieser senkrecht dazu entlang der gesamten Lotwellenbreite verschiebbar.

Prinzipiell können auch anstelle eines einzelnen Substrats mehrere Proben zugleich in die Lotwelle eingetaucht wer­ den (z.B. in der Art eines Kammes), die über eine entspre­ chende Halterung alle mit dem Kraftaufnehmer verbunden sind.

Die Benetzungslotwaage soll ferner einen starren und schwingungsfreien Aufbau besitzen und temperaturunem­ pfindlich sein. Dabei ergeben sich grundsätzlich die bei­ den Möglichkeiten, die Vorrichtung entweder direkt an die Schwallötanlage zu montieren oder, davon entkoppelt, auf einem eigenen (schwingungsgedämpften) Fundament zu be­ festigen (z.B. auf in den Boden eingelassene Zementklötze). Die Eintauchtiefe des Substrats in die Lotwelle kann durch eine Stellschraube an dem Rahmen, der den Meßarm trägt, eingestellt werden. Es ist dabei eine Genauigkeit von etwa 0,1 mm erforderlich.

Der Meßarm kann auch als ein Schwenkarm ausgebildet sein, der mittels eines Parallelogramms in der Höhe verstellt wird, oder als Schiebearm an einer vertikalen Säule mit einer Hubvorrichtung, z.B. einem Schneckengang. Es besteht auch die Möglichkeit, den Meßarm als verfahrbares Portal auszubilden, das an die Leiterplatten-Transportkette ankoppelbar ist oder aber auch einen eigenen Antrieb besitzt. Eine weitere Möglichkeit ist die Ausbildung des Meßarms als verfahrbarer, verschwenkbarer Kragträger. In den beiden letzten Fällen kann die Hubbewegung des Meßarmes durch die Fahrbewegung des Portals bzw. des Kragträgers ersetzt werden. Das Ein- und Austauchen würde dann durch ein Bewegen des Substrats über die Lotwelle hinweg, entsprechend der Leiterplattenbewegung im Ferti­ gungsprozess, geschehen. Die Ausführung der Vorrichtung mit einem Schwenkarm hätte zum Vorteil, daß das Anbringen der Probe an die Halterung des Kraftaufnehmers in beque­ mer und gefahrloser Weise erfolgen könnte. Es besteht schließlich auch die Möglichkeit, den Kraftmeßaufnehmer direkt auf eine Platine zu montieren und das daran be­ festigte Substrat in der gleichen Weise über die Lot­ welle zu bewegen, wie eine zu verlötende Leiterplatte.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Benetzungslotwaage von der Seite,

Fig. 2 die Benetzungslotwaage von vorne und

Fig. 3 eine Benetzungskraftkurve.

In Fig. 1 und 2 ist der Aufbau der Benetzungslotwaage in schematisierter Form dargestellt. Zwei Grundstützen 6 sind mit jeweils vier Schrauben direkt rechts und links an einer Schwallötanlage 13 montiert. Die Stützen 6 bilden einen Rahmen, in dem eine Welle 7 in Pendelkugellagern 8 läuft. Die Stützen 6 und die Welle 7 bilden zusammen ein Portal, das aufgrund seines geschlossenen Profils einen sehr stabilen und schwingungsarmen Aufbau ergibt. Die Abmessungen sind so gewählt, daß eine ungehinderte Durch­ fahrt der zu verlötenden Platinen gewährleistet ist. Die Welle 7 trägt über ein Schiebelager 16 den Meßarm 3, so daß der Meßarm 3 längs der Welle 7 und damit längs der gesamten Breite einer parallel dazu liegenden Lotwelle 2 verschiebbar ist. Am vorderen Ende des Meßarms 3 ist der Kraftmeßaufnehmer 4 in einem Längsschlitz des Meßarms 3 gelagert, so daß sich der Kraftmeßaufnehmer 4 längs des Meßarms 3, also in Wellenflußrichtung verschieben läßt. Die gesamte Lotwelle 2 läßt sich dadurch meßtechnisch erfassen. An dem Kraftmeßaufnehmer 4 befindet sich ein Substrathalter 9, an dem je nach Ausführung ein beliebi­ ges Substrat 1 befestigt werden kann. Das am Analogausgang 14 erhaltene Signal wird verstärkt und von einem Schreiber in Form der in Fig. 3 gezeigten Benetzungskraftkurve auf­ gezeichnet.

Die Absenkbewegung des Meßarms 3 und damit das Eintauchen des Substrats 1 in die Lotwelle 2 ist vergleichbar der Bewegung eines Plattenspielerarms. Die Dämpfung erfolgt über einen Hydraulikzylinder 5, wobei sich durch ein in den Hydraulikkreislauf zwischengeschaltetes Drosselrück­ schlagventil 10 die Geschwindigkeit der Absenkbewegung beliebig langsam einstellen läßt. Durch die Rückschlag- Funktion des Drosselrückschlagventils 10 kann der Meßarm 3 schnell angehoben werden. Das Drosselrückschlagventil 10 verbindet den Hydraulikzylinder 5 über das Kugelventil 15 mit dem Vorratsbehälter 12 für das Hydrauliköl.

Als Endanschlag für den Meßarm 3 dient eine Mikrometer­ schraube 11, mit deren Hilfe die Eintauchtiefe des Sub­ strats 1 auf etwa 0,1 mm genau eingestellt werden kann.

Zur Durchführung einer Messung des zeitlichen Benetzungs­ kraftverlaufs an einem Subtrat werden zunächst die Absenk­ geschwindigkeit des Meßarms 3 mittels des regulierbaren Drosselrückschlagventils 10 und die Eintauchtiefe mittels der Mikrometerschraube 11 eingestellt. Das gründlich gereinigte und durch Eintauchen in Flußmittel gefluxte Substrat wird an der Halterung des Kraftmeßaufnehmers 4 befestigt. Das Substrat 1 wird sodann durch Betätigen (Öffnen/Schließen) des Kugelhahns 15 auf eine Position knapp oberhalb der Lotwellenoberfläche abgesenkt und dort zum Zwecke des Verdampfens der flüchtigen Bestand­ teile aus dem Flußmittel einige Zeit gehalten. Das Substrat 1 wird dann durch erneutes Öffnen des Kugel­ hahns 15 vollends abgesenkt und eine gewisse Zeit in der Lotwelle 2 belassen, ehe der Meßarm 3 wieder hochge­ fahren wird.

Fig. 3 zeigt die Benetzungskraft-Zeit-Kurve, d.h., die von dem Kraftmeßaufnehmer 4 gemessene Kraft im zeitlichen Verlauf. Auffallend ist der nach unten zeigende recht spitze Peak von nur ca. 0,5 s Dauer und der sich daran anschließende steile Anstieg der Kurve. Nach etwa 4 s ist eine einsetzende Entnetzung zu erkennen. Die dem Kurvenverlauf überlagerten kleinen Schwingungen stammen von der Unruhe der Lotwelle 2 und den Schwingungen der Lotpumpe. Der links, noch vor der Ordinate liegende Teil der Kurve, gibt die auf das Meßsystem wirkende zeitabhän­ gige Kraft (F(t)), in der letzten Phase der Absenkbewe­ gung, unmittelbar vor dem Auftreffen des Substrats 1 auf die Lotwelle 2 wieder. Der leichte Anstieg dieses Kurven­ teils beruht darauf, daß der Winkel zwischen der Längsachse des Kraftmeßaufnehmers 4 bzw. des Subtrats 1 gegenüber der Vertikalen während der Absenkbewegung kontinuierlich abnimmt. Der Maximalwert beträgt in der Benetzungskraft­ kurve von Fig. 3 etwa 7 mN. Hierzu ist noch der Auftrieb des Substrats 1 in der Lotwelle 2 zu addieren, damit man die maximale Benetzungskraft erhält. Der nach etwa 4 s einsetzende Abfall der Benetzungskraft, die sog. Entnet­ zung, ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß das Flußmittel von der Lotwelle 2 weggespült wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen von Benetzungskräften beim Ein­ tauchen eines Substrats (1) in flüssiges Lot, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) in die Lotwelle (2) einer Schwallötanlage (13) einge­ taucht wird.

2. Benetzungslotwaage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Behälter für das flüssige Lot, mit einem Meßarm (3) für das Substrat (1), wobei das Substrat (1) mittels eines Kraftmeßaufnehmers (4) an dem Meßarm (3) befestigt ist, und mit einer Hubein­ richtung zur Erzielung einer Relativbewegung zwischen Meßarm (3) und Behälter, dadurch gekennzeich­ net, daß der Meßarm (3) durch die Hubeinrichtung anhebbar und absenkbar ist und daß der Behälter Teil einer Schwallötanlage (13) ist, wobei das Substrat (1) beim Absenken des Meßarms (3) in die Lotwelle (2) der Schwallötanlage eintaucht.

3. Benetzungslotwaage nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßarm (3) als einseitiger oder zweiseitiger Hebel ausgebildet ist.

4. Benetzungslotwaage nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hubeinrichtung einen Hydraulikzylinder (5) aufweist, der am Meßarm (3) angreift.

5. Benetzungslotwaage nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraft­ meßaufnehmer (4) in Wellenflußrichtung verschiebbar ist.

6. Benetzungslotwaage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßarm (3) entlang der gesamten Lotwellenbreite verschiebbar ist.