DE3715316C2 - Vorrichtung zum Fixieren von Werkstücken auf einem Löttisch und zum Erwärmen bzw. Abkühlen des Löttisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fixieren von Werkstücken auf einem Löttisch und zum Erwärmen bzw. Abkühlen des Löttisches gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise in Ein­ richtungen zur Montage oberflächenmontierbarer Bauelemente auf einem Träger wie z. B. einer Leiterplatte oder einem Keramiksubstrat verwendet und eignen sich insbesondere zum manuellen Löten von Bauelementen der Millimeterwellen­ technik auf eine Finleitung.

In der Millimeterwellentechnik beispielsweise werden Vorrichtungen dieser Art bereits seit längerem eingesetzt, um Beam-Lead-Dioden oder andere Bauelemente manuell auf eine Finleitung zu löten. Bei diesen Vorrichtungen wird zunächst die Trägerplatte mit der Finleitung lose auf einen beheizbaren Löttisch gelegt, der bereits auf die zum Löten erforderliche Temperatur aufgeheizt ist. Danach wird ein kleines Stück des Lötmaterials an der vorgesehenen Stelle auf die Trägerplatte gelegt und durch den heißen Löttisch zum Schmelzen gebracht. Anschließend werden die nur wenige 100 µm langen Beam-Lead-Dioden auf den flüssigen Metalltropfen aufgebracht und in die richtige Position geschoben. Nach Beendigung des Lötvorgangs wird die Trägerplatte zum Abkühlen der Lötverbindung wieder von dem heißen Löttisch genommen.

Bei dieser Art des Lötens kommt es häufig zu Fehllötungen infolge fehlpositionierter Beam-Lead-Dioden, die z. B. während des Lötvorgangs beim Verrücken des Trägers oder nach dem Lötvorgang beim Entfernen des Trägers von dem Löttisch unbemerkt verrutscht sind. Außerdem besteht bei diesen Vorrichtungen die Gefahr, daß man sich beim Hantieren an dem heißen Löttisch verbrennt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine einfache und sichere Vorrichtung zu schaffen, die zum einen ein möglichst fehlerfreies Löten von oberflächen­ montierbaren Bauelementen auf einem Träger ermöglicht und zum anderen insbesondere beim manuellen Löten ein Höchst­ maß an Schutz vor Verbrennungen gewährt.

Die Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Die weiteren An­ sprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte Anwendungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß das zu be­ arbeitende Werkstück mit Hilfe einer oder mehrerer Fixier­ nadeln vor dem Löten auf der Oberseite des noch kalten Löttisches fixiert wird und daß der Löttisch nur zum Löten erwärmt wird, indem ein oder mehrere bewegliche Lötkolben unterhalb des Löttisches angebracht sind, die in ihrer Ruhelage so weit von dem Löttisch entfernt sind, daß kein thermischer Kontakt zwischen ihnen und dem Löttisch be­ steht, und die zum Löten mit ihrer heißen Lötspitze in direkten thermischen Kontakt mit dem Löttisch gebracht werden und nach Beendigung des Lötvorgangs wieder in ihre Ruheposition zurückkehren.

Die Vorteile der Erfindung bestehen hauptsächlich darin, daß durch die Fixierung vor, während und nach dem Löt­ vorgang eine Fehllötung infolge fehlpositionierter Bau­ elemente ausgeschlossen werden kann und daß ein großer Teil der Arbeiten ohne Verbrennungsgefahr auf dem kalten Löttisch ausgeführt wird.

Erfindungsgemäß sind in der Vorrichtung zum Fixieren des zu bearbeitenden Werkstücks auf einem Löttisch oberhalb des Löttisches eine oder mehrere Fixiernadeln vorgesehen, die mit ihrer vorzugsweise abgewinkelten Spitze auf die Oberseite des Werkstücks drücken und es damit auf der Oberseite des Löttisches fixieren. Die Nadeln sind mit ihrem Schaft jeweils an einer in einer Aufnahme drehbar gelagerten Halterung quer zur Drehachse befestigt, wobei die Drehachse in einer Ebene unterhalb der zugehörigen Nadel und parallel zur Löttischoberseite liegt.

Der für die Fixierung erforderliche Anpreßdruck an der Spitze einer Fixiernadel wird durch eine erste Einrichtung erzeugt, die auf die zugehörige Halterung eine erste Hebelkraft ausübt, die in Richtung, Betrag und Lage des Angriffspunktes so gewählt ist, daß das resultierende erste Drehmoment den geforderten Anpreßdruck hervorruft.

Zum Heben und zum Senken einer Fixiernadel ist eine zweite Einrichtung vorgesehen, die auf die zugehörige Halterung eine zweite Hebelkraft ausübt, die in Richtung, Betrag und Lage des Angriffpunktes so gewählt ist, daß das resultierende zweite Drehmoment in seinem Drehsinn dem des ersten Drehmoments entgegengesetzt ist und dem Betrage nach größer, kleiner oder gleich ist den ersten Dreh­ moment, je nachdem, ob eine Anhebung, Absenkung oder eine stationäre Zwischenposition der Fixiernadelspitze vor­ gesehen ist.

Zur Anpassung an unterschiedlich geformte Werkstücke sind die Fixiernadeln vorzugsweise in den Halterungen in Längs­ richtung und/oder quer dazu verschiebbar und mit Fixier­ elementen wie z. B. Schrauben in einer bestimmten Position in der Halterung fixierbar.

Das Verschieben der Lötkolben aus der Ruheposition in die Lötposition und umgekehrt kann entweder manuell erfolgen oder vorzugsweise mit mechanischen, elektromagnetischen, hydraulischen oder pneumatischen Hubeinrichtungen, die jeweils mit dem lötspitzenfreien Teil eines Lötkolbens verbunden sind.

Vorzugsweise greift die Lötspitze eines Kolbens beim Löten paßgenau in eine entsprechende formgleiche Vertiefung auf der Unterseite des Löttisches, um zum einen eine exakte Positionierung des Lötkolbens beim Löten zu erreichen und um zum anderen die thermische Kontaktfläche zu ver­ größern. Die Lötspitzen können dabei z. B. halbkugel-, kegel- oder kegelstumpfförmig sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt, welches sich insbesondere zum manuellen Löten von Bauelementen der Millimeterwellen­ technik auf eine Finleitung eignet.

In der Figur liegt das zu bearbeitende Werkstück (1) auf dem horizontal ausgerichteten Löttisch (2) und wird mit einer Fixiernadel (12) auf der Oberseite des Löttisches (2) fixiert. Die Fixiernadel (12) steckt mit ihrem Schaft verschiebbar in einer Halterung (13) und ist mit einer Schraube (11) in der Halterung (13) fixiert. Die Halterung (13) ist in einer Aufnahme (4) um die Drehachse (17) drehbar gelagert. Eine Feder (15), die mit ihren einem Ende an der Aufnahme (4) und mit ihren anderem Ende an der Halterung (13) befestigt ist, erzeugt an der Spitze der Fixiernadel (12) den Anpreßdruck, der zur Fixierung des Werkstücks (1) erforderlich ist. Zum Heben und Senken der Spitze der Fixiernadel (12) bzw. zum Lösen und Fixieren des Werkstücks (1) ist eine Rändelschraube (14) vorge­ sehen, die mit ihrem Gewinde in die Aufnahme (4) eingreift und mit ihrer Spitze auf die Halterung (13) drückt. Durch Eindrehen der Rändelschraube (14) in die Aufnahme (4) wird die Halterung (13) im Gegenuhrzeigersinn gedreht und die Fixiernadelspitze angehoben und umgekehrt durch Heraus­ drehen der Rändelschraube (14) wird die Halterung (13) im Uhrzeigersinn gedreht und die Fixiernadelspitze wieder abgesenkt.

Der Lötkolben (5) ist mit seiner Längsachse vertikal ausgerichtet und in der Vertikalen verschiebbar. Die Lötspitze ist kegelstumpfförmig ausgeführt und greift beim Löten paßgenau in eine formgleiche Eindrehung an der Unterseite des Löttisches (2) unterhalb des Werkstückes (1) ein.

Der lötspitzenfreie Teil des Lötkolbens (5) ist mit einem wärmeisolierenden Mantel (6) umgeben, der die Wärmever­ luste des Lötkolbens an die Umgebung minimiert und der gleichzeitig ein sehr effektiver Schutz vor Verbrennungen ist. Der untere Teil des Lötkolbens (5) ist über eine Feder (18) mit einem Druckkolben (8) verbunden, der seinerseits in einem Druckzylinder (9) sitzt, welcher wiederum zentrisch an einen in der Aufnahme (4) ange­ brachten Montagering (7) befestigt ist. Am Boden des Druckzylinders (9) ist ein Druckluftanschluß (10) an­ gebracht, der über ein nicht gezeigtes Handsteuerventil mit einem ebenfalls nicht gezeigten Druckluftgenerator verbunden ist. In der Aufnahme (4) sind seitlich an­ gebrachte Öffnungen (3) vorgesehen, durch die Kühlmittel an den Löttisch herangebracht werden können. Die gesamte Vorrichtung ist auf einem drehbaren Kreuztisch (16) an­ geordnet.

Das in der Figur nicht gezeigte Ventil weist vorzugsweise drei Anschlüsse auf, wobei der erste Anschluß mit den Druckluftanschluß (10) des Druckzylinders (9) und der zweite Anschluß mit dem Druckluftgenerator verbunden ist und der dritte Anschluß z. B. offen ist, und wobei im Ventil jeweils immer nur zwei der drei Anschlüsse durch­ gängig miteinander verbindbar sind.

In einer vorteilhaften Ausführung wird der dritte Anschluß des Ventils zur forcierten Kühlung des Löttisches (2) mit den in der Aufnahme (4) seitlich angebrachten Öffnungen (3) verbunden.

Die Aufwärtsbewegung (Lötvorgang) des Druckkolbens (8) bzw. des Lötkolbens (5) geschieht durch Einblasen von Druckluft über den Druckluftanschluß (10), wobei bei dem oben beschriebenen Ventil der erste Anschluß des Ventils mit den zweiten durchgängig zu verbinden wäre.

Nach Beendigung des Lötvorgangs wird die in Druckzylinder (9) vorhandene Druckluft über das Ventil aus dem Zylinder herausgeführt, wobei bei dem oben beschriebenen Ventil der erste Anschluß des Ventils mit den dritten durchgängig zu verbinden wäre. Der Lötkolben (5) und der Druckkolben (8) fallen dabei durch ihr Eigengewicht zurück in die Ruhe­ stellung. Ist der dritte Anschluß des Ventils mit den Öffnungen (3) in der Aufnahme (4) verbunden, wird mit der entweichenden Druckluft der Löttisch forciert abgekühlt.

In Lötpausen kann bei Verwendung des oben beschriebenen Ventils die forcierte Abkühlung des Löttisches (2) fortge­ setzt werden, indem der zweite Anschluß des Ventils mit dem dritten Anschluß durchgängig verbunden wird.

Es ist z. B. möglich, daß ein oder mehrere Lötkolben unterhalb des Löttisches angeordnet sind, die mitsamt ihrer jeweiligen Hebeeinrichtung in einer Ebene parallel zur Unterseite des Löttisches frei verschiebbar sind und die Hebeeinrichtung, wie in der Figur gezeigt, die Löt­ kolben nur senkrecht zu dieser Ebene verschieben. Weiter­ hin können Mittel vorgesehen werden, mit denen die ein­ zelnen Fixierungs-, Bewegungs-, Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorgänge automatisch gesteuert und überwacht werden. Beispielsweise können diese Mittel Teil einer speicherprogrammierten Steuerung sein. Schließlich können die Hebelkräfte an den Fixiernadelhalterungen z. B. mit Hilfe elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch wirkender Einrichtungen erzeugt werden.

Claims (27)

1. Vorrichtung zum Fixieren eines Werkstücks auf einem Löttisch und zum Erwärmen bzw. Abkühlen des Löttisches, dadurch gekennzeichnet

• - daß oberhalb des Löttisches (2) mindestens eine Fixiernadel (12) vorgesehen ist, die mit ihrer Spitze auf die Oberseite des Werkstücks (1) drückt und auf der Oberseite des Löttisches fixiert und die mit ihrem Schaft an einer in einer Aufnahme (4) drehbar gelagerten Halterung (13) quer zur Drehachse (17) befestigt ist, welche Drehachse in einer Ebene unter­ halb der Fixiernadel und parallel zur Löttischober­ seite angeordnet ist,
• - daß unterhalb des Löttisches (2) mindestens ein beweglicher Lötkolben (5) vorgesehen ist, der in mindestens einer ersten Position mit seiner Lötspitze in direktem thermischen Kontakt mit der Löttisch­ unterseite steht und in mindestens einer zweiten Position keinen thermischen Kontakt mit dem Löttisch hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft der Fixiernadel (12) in einer Ebene parallel zur Oberseite des Löttisches (2) angeordnet und die Spitze der Fixiernadel in Richtung des Löttisches ab­ gewinkelt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einrichtung vorgesehen ist, die auf die Halterung (13) eine erste Hebelkraft quer zur Drehachse (17) ausübt, welche erste Hebelkraft im Hinblick auf Richtung, Betrag und Lage des Angriffspunktes so gewählt ist, daß mit dem resultierenden ersten Drehmoment der für die Fixierung des Werkstückes (1) erforderliche Anpreßdruck an der Spitze der Fixiernadel (12) erzeugbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine Feder (15) ist, die mit ihrem einen Ende an der Aufnahme (4) und mit ihrem anderen Ende an der Halterung (13) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einrichtung vorgesehen ist, mit der auf die Halterung (13) eine zweite Hebelkraft quer zur Drehachse (17) ausübbar ist, welche zweite Hebelkraft im Hinblick auf Richtung, Betrag und Lage des Angriffs­ punkts so gewählt ist, daß das resultierende zweite Dreh­ moment in seinem Drehsinn dem des ersten Drehmoments entgegengesetzt ist und dem Betrage nach größer, kleiner oder gleich ist dem ersten Drehmoment, je nachdem, ob eine Anhebung, Absenkung oder eine stationäre Zwischenposition der Fixiernadelspitze vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine mit ihrem Gewinde in die Aufnahme (4) eingreifende und die mit ihrer Spitze auf die Halterung (13) einwirkende Rändelschraube (14) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixiernadel (12) zur Anpassung an unterschiedlich geformte Werkstücke (1) in der Halterung (13) in Längsrichtung und/oder quer dazu verschiebbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung der Fixiernadel (12) in der Halterung (13) mindestens ein Fixierelement vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fixierelement eine mit ihrem Gewinde in die Halterung (13) eingreifende und mit ihrer Spitze auf den Schaft der Fixiernadel (12) einwirkende Schraube (11) ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötkolben (5) in der mindestens einen ersten Position mit seiner Lötspitze paßgenau in eine formgleiche Vertiefung auf der Unterseite des Löt­ tisches (2) eingreift.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötspitze des Lötkolbens (5) halbkugelförmig ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötspitze des Lötkolbens (5) kegelförmig bzw. kegelstumpfförmig ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der lötspitzenfreie Teil des Lötkolbens (5) von einem wärmeisolierenden Mantel (6) umgeben ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lötkolben (5) mit einer dritten Einrichtung verbunden ist, durch die der Lötkolben von einer der zweiten Positionen in eine der ersten Positionen und umgekehrt verschiebbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung ein Druckkolben (8) ist, der mit dem lötspitzenfreien Teil des Lötkolbens (5) verbunden, in einem Druckzylinder (9) sitzend zentrisch an einem in der Aufnahme (4) angebrachten Montagering (7) befestigt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (8) und der lötspitzenfreie Teil des Lötkolbens (5) über eine Feder (18) miteinander verbunden sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß am Druckzylinder (9) ein Druckluftanschluß (10) vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß am Druckluftanschluß (10) ein Ventil angebracht ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil drei Anschlüsse aufweist, wobei der erste Anschluß mit dem Druckluftanschluß (10) und der zweite Anschluß mit einem Druckluftgenerator verbunden ist und der dritte Anschluß offen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventil jeweils immer nur zwei der drei Anschlüsse des Ventils durchgängig miteinander verbunden sind, wobei zum Verschieben des Lötkolbens (5) von einer der zweiten Positionen in eine der ersten Positionen der erste An­ schluß mit dem zweiten Anschluß verbunden ist bzw. zum Verschieben des Lötkolbens (5) von einer der ersten Positionen in eine der zweiten Positionen der erste An­ schluß mit dem dritten Anschluß verbunden ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Anschluß des Ventils, mit einem Anschluß (3) in der Aufnahme (4) ver­ bunden, für die Kühlung des Löttisches (2) vorgesehen ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur forcierten Kühlung des Löttisches (2) in den Lötpausen der zweite Anschluß des Ventils mit dem dritten Anschluß verbunden ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötkolben (5) mitsamt der dritten Einrichtung in einer Ebene parallel zur Unterseite des Löttisches (2) frei verschiebbar ist und daß die dritte Einrichtung nur für Verschiebungen des Lötkolbens senkrecht zu dieser Ebene vorgesehen ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auf einem um die Vertikale drehbaren Kreuztisch (16) befestigt ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel zur automatischen Steuerung und Überwachung der einzelnen Fixierungs-, Bewegungs-, Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorgänge vor­ gesehen sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 in Einrichtungen zur Montage von oberflächenmontierbaren Bauelementen auf entsprechende Träger.

27. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 26 zum Löten von Bauelementen der Milli­ meterwellentechnik auf eine Finleitung.