DE3829793A1 - Verfahren und messeinrichtung zur bestimmung der qualitaet von fluessigen flussmitteln, insbesondere in automatischen loetanlagen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität von flüssigen Flußmitteln, insbesondere in automatischen Lötanlagen, wobei, gegebenenfalls in wiederholten Zeitintervallen, Feststoff-, Verdünner- und/oder Wassergehalt quantitativ durch Messungen ermittelt werden, aufgrund der Meßwerte der momentane relative Feststoffgehalt bestimmt und durch Zudosierung von Verdünner der relative Feststoffgehalt auf den Ursprungswert eingestellt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Elektroindustrie werden Leiterplatten automatisch mit elektrischen und elektronischen Bauteilen bestückt und anschließend in automatischen Lötanlagen verlötet. Die Lötstellen werden vor dem Verlöten mit dem Lötmittel mit einem flüssigen Flußmittel benetzt, um das Fließverhalten des Lötmittels zu verbessern. Gerade in großen Lötanlagen mit großen Vorräten an Flußmitteln und Lötmitteln ist eine bleibende Qualität und Güte der Lötstellen über eine lange Betriebsdauer der Lötanlage u. a. wesentlich von der Konsistenz des Flußmittels abhängig, insbesondere von dessem Feststoffgehalt.

Zur ständigen Überprüfung der Qualität der eingesetzten flüssigen Flußmittel sind Meßverfahren bekannt, nach denen die Dichte des Flußmittels ermittelt wird, um über die Dichte auf den momentanen Feststoffgehalt schließen und bei einer Zunahme der Dichte, infolge einer Verdunstung des Verdünners, Verdünner zudosieren zu können. Diese Korrektur des Flußmittels wird in großen Lötanlagen automatisch vorgenommen. Flüssige Flußmittel setzten sich üblicherweise aus einem Verdünner, meist Alkohol, mit einem Anteil von 3,5 bis etwa 4 Prozent an Feststoffen zusammen. Werden solche Flußmittel längere Zeit der Luft ausgesetzt, zeigen sie ein stark hygroskopisches Verhalten. Durch die Wasseraufnahme während des Einsatzes des Flußmittels wird der über die Dichtemessung ermittelte Feststoffgehalt in Relation zu dem Anteil an Verdünner verfälscht, zumindest ist keine klare Aussage über den Feststoffgehalt möglich, der jedoch wesentlich für die Qualität des Flußmittels ist.

Da nur eine Messung der Dichte des Flußmittels keine eindeutige Aussage über die Zusammensetzung des Flußmittels hinsichtlich der Anteile an Feststoffen, Verdünner und Wasser zuläßt, werden zusätzlich zu der Bestimmung der Dichte parallele Messungen am Flußmittel durchgeführt, um insbesondere einen Hinweis auf die Wasseraufnahme zu erhalten. Hierzu ist die photometrische Messung am Flußmittel in Durchlaufküvetten oder die Bestimmung des Brechungsindex bekannt.

Selbstverständlich ist eine eindeutige Aussage über den Wassergehalt des Flußmittels durch Laboranalysen möglich; solche Analysen sind aber zeitaufwendig und nicht unmittelbar während des Betriebes einer Lötanlage durchführbar.

Um den Wassergehalt des Flußmittels unmittelbar während des Betriebes einer Lötanlage bestimmen zu können, wurde vorgeschlagen, die elektrische Leitfähigkeit zu messen, da ein direkter Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und dem Wassergehalt des Flußmittels besteht. Diese Messungen werden aber während des Produktionsprozesses durch Verunreinigungen, die sich im Lötmittel und Flußmittel ablagern, verfälscht.

Aus diesem Grund wurde in der DE-OS 35 37 368 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Feststoff- und Wassergehaltes in Flußmitteln automatischer Lötanlagen beschrieben, demgemäß die Transmission einer durch Zugabe von Prozeßflüssigkeit getrübten Flußmittelprobe bestimmt wird. Allerdings kann die Probe nicht wieder dem Flußmittel zugeführt werden, da sie mit Prozeßflüssigkeit beladen ist. Ein solches Verfahren sowie die entsprechende Vorrichtung hat sich im Einsatz bewährt; zur Anwendung dieses Verfahrens muß allerdings die Flußmittelprobe in eine Analysenvorrichtung abgezweigt und mit der das Flußmittel trübenden Prozeßflüssigkeit behandelt werden. Die Meßwerte können nicht kontinuierlich abgefragt werden.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Qualität von flüssigen Flußmitteln, insbesondere in automatischen Lötanlagen, anzugeben, bei dem der Wassergehalt ohne die Durchführung von Reaktionen, beispielsweise in Form von Trübungen, gegebenenfalls in sehr kurzen wiederholten Zeitintervallen, ohne Zeitverlust bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wassergehalt des Flußmittels über eine kapazitive Messung mit dem Flußmittel als Dielektrikum ermittelt wird, wobei über die jeweils aus der momentanen Kapazität ermittelten Dielektrizitätskonstanten im Vergleich mit der Dielektrizitätskonstanten des ungebrauchten Flußmittels eine Änderung des Wassergehaltes ermittelt wird. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung zur Bestimmung der momentanen Dielektrizitätskonstanten weist eine Meßzelle mit einem Kondensator auf mit einem Zulauf und einem Ablauf, über die dem Raum zwischen den Elektroden des Kondensators Flußmittel im Durchfluß zuführbar ist. Dieses Verfahren bzw. die entsprechende Meßeinrichtung hat den Vorteil, daß die Messungen während des Betriebes einer Lötanlage kontinuierlich durchgeführt werden können, da das Flußmittel, vom Vorrat beispielsweise einer Lötanlage abgezweigt, kontinuierlich durch die Meßeinrichtung hindurchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Meßverfahren nutzt den Zusammenhang zwischen der Kapazität eines Kondensators und der Dielektrizitätskonstanten des Mediums zwischen den Kondensatorplatten aus. Für einen Plattenkondensator gilt der Zusammenhang

wobei
A = die Fläche der Kondensatorplatte bzw. die Querschnittsfläche des elektrischen Feldes,
d = der Abstand der beiden Kondensatorplatten zueinander,
ε₀ = die absolute Dielektrizitätskonstante und
ε = die relative Dielektrizitätskonstante

ist. Wie die Gleichung zeigt, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Kapazität des Kondensators und der Dielektrizitätskonstanten des Mediums zwischen den Kondensatorplatten. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt nun den Effekt aus, daß Wasser eine relative Dielektrizitätskonstante von etwa 80 bis 82 besitzt, während andere Materialien, abgesehen von keramischen Stoffen, Dielektrizitätskonstanten zwischen 2 und 6 aufweisen, beispielsweise Pertinax mit einer Dielektrizitätskonstanten von 5,5, Bakelit von 2,8, Paraffin von 2,2 und Öl von etwa 2, die wesentlich niedriger sind als diejenige von Wasser. Hieraus folgt, daß bereits eine geringe Wasseraufnahme im Flußmittel über die Änderung der gemessenen Kapazität in der Meßzelle bemerkbar wird. Aus der gemessenen Kapazität kann dann, unter Zugrundelegung der Daten des ungebrauchten Flußmittels, die Wasseraufnahme berechnet und aus dem Meßergebnis eine Qualitätsbeurteilung des Flußmittels vorgenommen werden. Sollte über diese Messung festgestellt werden, daß die Wasseraufnahme über einen Maximalwert ansteigt, muß das Flußmittel ersetzt werden.

Dieses Meßverfahren kann kontinuierlich während der gesamten Einsatzzeit des Flußmittels in sehr kurzen Zeitintervallen wiederholt werden, so daß das Flußmittel ständig neu beurteilt werden kann.

Da es erforderlich ist, die Qualität des in Benutzung befindlichen Flußmittels mit den Werten des ursprünglichen Flußmittels zu vergleichen, müssen die Daten des Flußmittels in seiner ursprünglichen Form, d. h. der Anteil an Feststoffen und der Anteil an Verdünner, abgespeichert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein zweiter Kondensator eingesetzt, der bevorzugt in seinen Abmessungen und dem Abstand der Platten dem Kondensator der Meßzelle entspricht, der luftdicht abgeschlossen mit dem ursprünglichen Flußmittel als Dielektrikum gefüllt ist und den Referenzwert zu dem momentan gemessenen kapazitiven Wert liefert. Mit dieser Referenzkapazität kann in den weiteren Messungen die Drift der eigentlichen Meßzelle überprüft und korrigiert werden. In einer sehr einfachen Ausführung kann eine solche Referenzkapazität auch über einen einstellbaren Kondensator zu Beginn des Betriebes der Lötanlage eingestellt werden, um während des Betriebes der Lötanlage zur Überprüfung des Flußmittels auf diesen ursprünglichen Wert zurückgreifen zu können.

Um einen eindeutigen Anhaltspunkt über die Anteile an Feststoffen, Verdünner und Wasser des im Betrieb befindlichen Flußmittels zu erhalten, sollte zusätzlich zu der Kapazitätsmessung eine Bestimmung der spezifischen Dichte des Flußmittels vorgenommen werden. Eine solche Dichtemessung kann über die bekannten Verfahren, wie beispielsweise eine aerometrische Messung, vorgenommen werden, wobei dieses Meßergebnis ebenfalls der Auswerteelektronik zugeführt und zusammen mit dem oder den aus den Kapazitätsmessung(en) erhaltenen Meßwerten verarbeitet wird.

Eine schnelle Auswertung der Meßergebnisse in sehr kurzen Zeitintervallen kann durch eine Auswerteelektronik erreicht werden, in der die momentan gemessene Kapazität mit dem Flußmittel als Dielektrikum zur Ermittlung der Wasseraufnahme und die Dichte des Flußmittels gemessen wird und aufgrund einer Dosiervorschrift ein Wert ermittelt wird, der als Ausgangssignal der Auswerteelektronik eine Dosiereinrichtung ansteuert, die dem Flußmittelvorrat in der Lötanlage Verdünner zudosiert, um wieder den ursprünglichen Gehalt an Feststoffen im Verhältnis zu dem Gehalt an Verdünner einzustellen.

Wie bereits vorstehend erwähnt, besteht die Meßeinrichtung zur Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstanten des Flußmittels aus einem Plattenkondensator, dessen Platten bevorzugt auf der Außenseite einer dünnwandigen Meßzelle, beispielsweise aus Kunststoff, aufgebracht sind. In einer abgewandelten Ausführungsform, die trotz großer Flächen der Kondensatorplatten nur einen geringen Platzbedarf erfordert, besteht der Kondensator aus zwei zylindrischen, konzentrisch zueinander verlaufenden Elektroden, wobei in einen zwischen den beiden Elektroden gebildeten Ringraum das Flußmittel hindurchgeleitet wird. Auch hier wird der Ringraum bevorzugt durch Kunststoffzylinder gegenüber den Kondensatorplatten abgetrennt, damit die Kondensatorplatten nicht durch das Flußmittel angegriffen werden. Bevorzugt beträgt der freie Abstand der Kondensatorplatten bzw. Elektroden 3 mm bis 6 mm, die Größe der Kondensatorplatten sollte jeweils zwischen 20 cm² und 50 cm² betragen, um ein ausreichend großes, direkt weiterverarbeitbares Meßsignal zu erhalten. Fall die Kondensatorplatten oder die Elektroden gegenüber dem Flußmittel bzw. Dielektrikum durch die Wand der Meßzelle abgetrennt sein sollen, sollte die Meßzelle eine Wandstärke von höchstens 2 mm, bevorzugt eine Wandstärke im Bereich von 1 mm aufweisen. Mit einem Grobfilter vor dem Zulauf der Meßzelle können grobe Verunreinigungen im Flußmittel in Form von groben Schwebstoffteilchen herausgefiltert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Meßeinrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, mit der kontinuierlich der Wassergehalt sowie die Dichte des Flußmittels bestimmt werden kann,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Meßzelle mit einem Plattenkondensator,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine kapazitive Meßzelle mit konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Schnittlinie V-V in Fig. 4 und

Fig. 6 einen Querschnitt einer zylindrischen Meßzelle mit auf der Außenseite angebrachten Elektroden.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Vorratsbehälter bezeichnet, der mit Flußmittel gefüllt ist. Dieser Flußmittelbehälter 1 ist Teil einer automatischen nicht näher dargestellten Lötanlage, in der mit elektrischen oder elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatten verlötet werden. Mit dem Flußmittel werden vor dem Verlöten die Leiterplatten und damit die Lötstellen benetzt. Der Vorratsbehälter 1 weist einen Ablauf 2 und einen Zulauf 3 auf; über den Ablauf 2 wird ständig über eine Pumpe 4 Flußmittel einer Meßeinrichtung 5 zugeführt, die aus einer Meßzelle 6 mit einem Zulaufstutzen 7 und einem Ablaufstutzen 8 besteht und an zwei gegenüberliegenden Außenwänden parallel zueinander verlaufend jeweils eine Kondensatorplatte 9 aufweist. An den Kondensatorplatten 9 liegt eine gepulste Spannung einer Versorgungs- und Meßeinheit 10 über die elektrischen Versorgungsleitungen 11 an, wobei die Spannung von einer Auswerteelektronik 12 überwacht wird. Die Meßzelle 6 weist weiterhin eine aerometrische Meßzelle 14 auf, die über die Leitung 15 mit einer Meßeinrichtung 13 verbunden ist. Das Meßsignal der Meßzelle 14 bzw. der Meßeinrichtung 13, das von der Dichte des Flußmittels in der Meßzelle 6 abhängig ist, wird gleichfalls der Auswerteelektronik 12 zugeführt. Diese Meßeinrichtung 13 für die Dichtemessung kann auch getrennt von der Meßzelle 6 angeordnet werden. In der Auswerteelektronik 12 werden die Meßsignale aus der kapazitiven Messung sowie die Meßsignale aus der Dichtemessung ausgewertet. Aus der aerometrischen Messung kann auf die Dichte des Flußmittels geschlossen werden, während über die kapazitive Messung auf die Änderung der Dielektrizitätskonstanten und damit auf die Wasseraufnahme des Flußmittels geschlossen werden, wobei die ursprüngliche Kapazität und damit die Dielektrizitätskonstante des Flußmittels über eine Referenzkapazität in Form eines Drehkondensators 16 in der Auswerteelektronik 12 eingestellt wird. Gleichzeitig dient diese Referenzkapazität zur Überprüfung der Drift der eigentlichen kapazitiven Meßzelle 6. In der Auswerteelektronik 12 wird aus den ermittelten Werten über die momentane Dichte des Flußmittels sowie die Wasseraufnahme des Flußmittels ein Differenzsignal oder Steuersignal abgeleitet und über eine Steuerleitung 17 mit diesem Signal eine Dosiereinheit 18, in der Verdünner bevorratet ist, angesteuert, die ihrerseits über ein Magnetventil 19 dem Flußmittel in dem Vorratsbehälter 1 der Lötanlage Verdünner zudosiert. Die einzelnen Meß- und Regelzyklen wiederholen sich, wobei aus dem kapazitiven Wert bzw. der Dielektrizitätskonstanten des Flußmittels auf die Wasserzunahme bzw. den Wassergehalt geschlossen wird und diese Wasserzunahme bei der Korrektur des Feststoffgehaltes berücksichtigt wird.

Wie die Fig. 2 bis 6 zeigen, kann die kapazitive Meßeinrichtung unterschiedliche Geometrien aufweisen; in diesen Figuren sind für in ihrer Funktion der Fig. 1 entsprechende gleiche Bauteile gleiche Bezugsziffern verwendet. Die Meßzelle nach den Fig. 2 und 3 weist eine im Querschnitt rechteckige Geometrie auf mit zwei langgestreckten Seitenwänden 20, die einen Hohlraum 21 umschließen, der eine Breite 22 von 3 mm aufweist. Die Wandstärke 23 der Seitenwände 20 beträgt 1,5 mm. Beidseitig der Meßzelle, d. h. parallel zu den Seitenwänden 20, befinden sich an deren Außenseite jeweils die Kondensatorplatten 9. In Längsrichtung gesehen (siehe Fig. 3) ist an der einen Seite der Zulaufstutzen 7, an der gegenüberliegenden Seite der Ablaufstutzen 8 für das Flußmittel angeordnet, das in Richtung der Strömungspfeile 24 durch den Hohlraum 21 der Meßzelle 6 und damit zwischen den Kondensatorplatten 9 hindurchströmt.

Die Meßzelle nach den Fig. 4 und 5 weist einen zu der Achse 25 konzentrischen Aufbau auf, wobei die Seitenwände durch Zylinder gebildet werden, die als Hohlraum 21 einen Ringraum einschließen. Auf der Außenseite und der Innenseite der Wände 20 der Meßzelle sind zylindrische Kondensatorplatten 9 aufgebracht. Der Hohlraum oder Ringraum 21 geht an der Oberseite und der Unterseite in einen Sammelraum 26 über, die mit dem Zulaufstutzen 7 bzw. Ablaufstutzen 8 verbunden sind. In dieser Anordnung wird bei einem geringen Platzbedarf eine große Fläche der zylindrischen Kondensatorplatten erreicht.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform der Meßeinrichtung 5 mit einer zylindrischen Meßzelle 6 gezeigt, die einen relativ großen Hohlraum 21 für das Flußmittel umschließt; die beiden Kondensatorplatten 9 sind als zylindrische Schalen auf der Außenseite der Meßzelle 6 aufgebracht.

Claims (16)

1. Verfahren zur Bestimmung der Qualität von flüssigen Flußmitteln, insbesondere in automatischen Lötanlagen, wobei, gegebenenfalls in wiederholten Zeitintervallen, Feststoff-, Verdünner- und/oder Wassergehalt quantitativ durch Messungen ermittelt werden, aufgrund der Meßwerte der momentane relative Feststoffgehalt bestimmt und durch Zudosierung von Verdünner der relative Feststoffgehalt auf den Ursprungswert eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt über eine kapazitive Messung mit dem Flußmittel als Dielektrikum ermittelt wird, wobei über die jeweils aus der momentanen Kapazität ermittelte Dielektrizitätskonstante im Vergleich mit der Dielektrizitätskonstanten des ungebrauchten Flußmittels eine Änderung des Wassergehaltes ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ursprüngliche Kapazität durch eine abgeschlossene, ein dem ungebrauchten Flußmittel entsprechendes Referenz-Flußmittel enthaltende Kapazität festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ursprüngliche Kapazität durch einen einstellbaren Kondensator festgelegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Kapazitätsmessung eine Bestimmung der spezifischen Dichte des Flußmittels durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die momentan gemessene Kapazität in einer Auswerteelektronik mit der ursprünglichen Kapazität des ungebrauchten Flußmittels verglichen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteelektronik aus der Kapazitätsmessung und der Dichtemessung der Verdünnergehalt bestimmt, mit dem ursprünglichen Verdünnergehalt des Flußmittels verglichen und aufgrund eines Differenzsignales dem Flußmittel zur Einstellung des Feststoffgehaltes Verdünner zudosiert wird.

7. Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer flüssiges Flußmittel aufnehmenden Meßzelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Bestimmung der momentanen Dielektrizitätskonstanten des Flußmittels einen Kondensator (9) aufweist mit einem Zulaufstutzen (7) und einem Ablaufstutzen (8), über die dem Raum (21) zwischen den Elektroden des Kondensators (9) Flußmittel zuführbar ist.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (9) ein Plattenkondensator ist.

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (9) durch zwei ringförmige, konzentrisch zueinander verlaufende, zylindrische Elektroden gebildet ist.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf die Außenseiten der Meßzelle (6) aufgebracht sind.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Abstand der Kondensatorplatten (9) bzw. Elektroden 3 mm bis 6 mm beträgt.

12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorplatten (9) bzw. Elektroden jeweils eine Größe von 20 cm² bis 50 cm² aufweisen.

13. Meßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (6) eine Wandstärke (23) von 1 mm bis 2 mm aufweist.

14. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite, einen Kondensator (16) aufweisende Referenzmeßzelle aufweist.

15. Meßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmeßzelle mit einem Flußmittel befüllbar ist.

16. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (6) vor dem Zulaufstutzen (7) einen Grobfilter für Schwebstoffteilchen aufweist.