DE4017286A1 - Verfahren und vorrichtung zum loeten und entloeten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Löten und Entlöten mit Hilfe von Laserenergie.

Insbesondere in der Mikroelektronik werden Verfahren und Vorrichtungen benötigt, die es ermöglichen, die immer kleiner werdenden Lötstellen sauber und in der erforderlichen Qualität zu löten bzw. zu entlöten.

Zu diesem Zweck sind Feinlötgeräte mit feinsten Lötspitzen bekannt, wobei diese Lösung jedoch den Nachteil hat, daß die Temperatur in der feinen Lötspitze beim Lötvorgang stark abfällt und so die Möglichkeit fehlerhafter Lötstellen entsteht.

Es sind weiterhin Heißluft-/Heißgas-Lötgeräte bekannt, bei denen die Lötstelle mit Hilfe eines dünnen heißen Gasstrahles erwärmt wird. Hierbei wird jedoch auch die Umgebung der jeweiligen Lötstelle mehr oder weniger mit erhitzt, was in vielen Fällen unerwünscht bzw. unzulässig ist.

Schließlich sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Laserstrahl auf die jeweilige Lötstelle fokussiert wird. Derartige mit Laserenergie arbeitende Löt- und Entlötvorrichtungen wurden bisher jedoch lediglich in größeren Anlagen verwendet, bei denen die einzelnen Lötstellen durch eine Ablenkung des Laserstrahles angefahren werden. Diese Vorrichtungen sind sehr aufwendig und kostspielig und sie sind insbesondere für Anwendungen nicht geeignet, bei denen einzelne Lötstellen von Hand bearbeitet werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. bei der ein Löten bzw. Entlöten mit Hilfe eines handgeführten Werkzeuges möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung ist ein hochpräzises Löten und Entlöten von selbst sehr kleinen Lötstellen möglich, ohne daß sich ungleichmäßige Temperaturen oder eine übermäßige Erwärmung der Umgebung der Lötstelle ergibt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist auf das freie, von der Laserleistungsquelle abgewandte Ende des Lichtleiters eine Lötspitze in Form einer Kappe oder Hülse aufgeschoben, die an ihrem freien Ende eine angeformte oder auf andere Weise ausgebildete Linse aufweist, die die Laserenergie auf die Lötstelle fokussiert. Diese Lötspitze ist damit leicht auswechselbar und kann bei einer Verschmutzung oder Beeinträchtigung nach einer Vielzahl von Lötvorgängen ausgewechselt werden.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Lötspitze mit einer durchgehenden Innenbohrung versehen, die eine derartige Längsschnittform aufweist, daß die Laserenergie von dem Lichtleiter, der in das eine, von dem Arbeitsende der Lötspitze abgewandte Ende der Bohrung eingesetzt ist, im Inneren der Bohrung durch Totalreflektion auf das Arbeitsende der Bohrung hin reflektiert und an diesem Arbeitsende oder kurz außerhalb dieses Arbeitsendes fokussiert wird. Die Innenflächen der Bohrung können entsprechend bearbeitet und ggf. beschichtet sein, wobei diese Bohrung im wesentlichen verjüngend in Richtung auf das Arbeitsende der Lötspitze hin verläuft.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Lötspitze mit einer Sackbohrung versehen sein die an dem dem Arbeitsende benachbarten Ende der Lötspitze verschlossen ist und in deren offenes Ende der Lichtleiter eingesetzt ist. Die aus dem Lichtleiter austretende Laserenergie ist auf den Bereich des verschlossenen Endes der Sackbohrung fokussiert und führt zu einer Erwärmung des Arbeitsendes, ohne daß die Gefahr eines Austritts von Laserenergie aus der Lötspitze besteht. Auch in diesem Fall kann durch eine entsprechende Beschichtung der Wandungen der Sackbohrung dafür Sorge getragen werden, daß sich eine möglichst vollständige Umwandlung der Laserenergie in Wärmeenergie ergibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Löten und Entlöten mit Hilfe von Laserenergie,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Löt- oder Entlötspitze,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Lötspitze,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Lötspitze.

In Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Löten und Entlöten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform ist eine Laserleistungsquelle 1 vorgesehen, deren Laserenergie über einen Lichtleiter 2 einem Handstück 3 zugeführt wird, durch das hindurch sich der Lichtleiter zu einer am vorderen Ende des Handstückes angeordneten Lötspitze 4 erstreckt.

Die Laserleistungsquelle 1 kann mit Hilfe eines Stellgliedes, das lediglich hinsichtlich seiner Einwirkung bei 11 angedeutet ist, hinsichtlich ihrer Laserleistung und/oder der Impulsdauer und -wiederholfrequenz der Laserimpulse eingestellt werden.

Die Lötspitze 4 wirkt auf eine Lötstelle 5 ein, die ein Bauelement 6 mit einem Substrat 7, beispielsweise einer Leiterplatte verbindet. Die Temperatur der Lötstelle 5 kann ggf. auch über eine nur schematisch angedeutete Rückmeldung 8 zur Steuerung der Laserleistungsquelle entweder anstelle des Stellgliedes 11 oder zusätzlich zu diesem verwendet werden.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform der Lötspitze 4 nach Fig. 1 dargestellt, die in Fig. 2 insgesamt mit 40 bezeichnet ist. Diese Lötspitze weist eine Sackbohrung 41 auf, in die das freie Ende des Lichtleiters 2 eingesteckt ist, wobei das vordere, das Arbeitsende der Lötspitze darstellende Ende durch eine Linse 42 gebildet ist, die entweder an die Lötspitze 40 angeformt ist oder insgesamt einen Teil dieser Lötspitze bildet. Diese Linse fokussiert die aus dem Lichtleiter 2 austretende Laserenergie auf die Lötstelle 4. Die Anpassung des freien Endes des Lichtleiters an die Linse 42 kann entsprechend üblicher in der Laser- und Lichtleitertechnik üblicher Technik erfolgen.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Lötspitze dargestellt, die allgemein mit 50 bezeichnet ist. Diese Lötspitze weist eine durchgehende Bohrung 51 auf, die entsprechend einer vorgegebenen Längsschnittform derart gekrümmt ist, daß die Laserenergie, die aus dem in die Bohrung 51 eingesteckten Lichtleiter 2 austritt, eine Totalreflektion an den Innenwänden der Bohrung 51 derart erfährt, daß die Laserenergie zur Mündung 52 dieser Bohrung am Arbeitsende hin fokussiert wird. Der Fokussierungspunkt kann dabei unmittelbar in der Mündung oder direkt vor dieser liegen, so daß die Gefahr einer Blendung durch das austretende Laserlicht sehr stark verringert wenn nicht beseitigt ist.

In Fig. 4 ist eine dritte Ausführungform der Lötspitze dargestellt, die allgemein mit 60 bezeichnet ist und eine Sackbohrung 61 aufweist, in deren offenes Ende das freie Ende des Lichtleiters 2 eingesteckt ist. Entsprechend der verjüngten Spitze der Lötspitze 60 kann auch die Sackbohrung 61 an ihrem dem Arbeitsende benachbarten Ende verjüngt ausgebildet sein, wobei die aus dem Lichtleiter austretende Laserenergie in die Bohrung benachbart zu dem Arbeitsende der Lötspitze 60 eintritt und hier in Wärmeenergie umgewandelt wird, die zur Erwärmung des Arbeitsendes dient. Ggf. kann durch entsprechende Materialauswahl und/oder Beschichtung der Innenwandungen der Bohrungen 61 für eine Optimierung der Energieumwandlung Sorge getragen werden.

Bei allen in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen der Lötspitze kann ein auf die Lötstelle 5 gerichteter Sensor, vorzugsweise ein Infrarotsensor oder ein Pyrometersensor verwendet werden, der die Temperatur der Lötstelle feststellt und über die Rückmeldeleitung 8 ein entsprechendes Signal zur Steuerung der Laserleistungsquelle 1 liefert.

Hierbei kann es vorteilhaft sein, das von der Lötstelle 5 ausgehende Infrarotlicht über einen parallel zum Lichtleiter 2 geführten weiteren Lichtleiter in die Nähe der Laserleistungsquelle 1 zurückzuführen, so daß außer den Lichtleitern eine elektrischen Verbindungen zwischen der Laserleistungsquelle und der Lötspitze erforderlich sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 kann weiterhin in der in dieser Fig. angedeuteten Weise am Arbeitsende der Lötspitze ein Temperaturmeßfühler 63, beispielsweise ein Thermoelement vorgesehen sein, dessen Ausgangssignal zur Steuerung der Laserleistungsquelle dient.

Claims (12)

1. Löt- und Entlötverfahren, bei dem das Lot an der Lötstelle mit Hilfe einer Laserstrahlung zum Schmelzen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Lasers über einen Lichtleiter einer an einem Handstück befestigten Lötspitze zugeführt wird, die die Laserenergie auf die Lötstelle konzentriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserenergie mit Hilfe einer an dem von der Laserleistungsquelle abgewandten Ende des Lichtleiters angeordneten, die Lötspitze bildenden Kappe auf die Lötstelle konzentriert wird, wobei die Kappe eine Linsenwirkung aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem freien Ende des Lichtleiters austretende Laserenergie durch Totalreflektion an den Innenwänden einer durchgehenden Innenbohrung einer Lötspitze auf das freie Ende dieser Bohrung und kurz vor diesem fokussiert wird, wobei das freie Ende des Lichtleiters in ein Ende der Bohrung eingesteckt wird, die in Richtung auf das Austrittsende verjüngt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserenergie in der Lötspitze in Wärme umgewandelt wird, wobei die Lötspitze eine am Arbeitsende geschlossene Innenbohrung aufweist, in die der Lichtleiter derart eingesteckt wird, daß die Energie auf das geschlossene Ende der Lötspitze fokussiert wird.

5. Löt- und Entlötvorrichtung unter Verwendung eines Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Laserleistungsquelle (1) über einen Lichtleiter (2) mit einem Handstück (3) verbunden ist, das an seinem freien Ende eine Lötspitze 4; 40; 50; 60) trägt die die Laserenergie auf die Lötstelle (5) richtet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötspitze die Form einer Kappe (40) aufweist, die auf das von der Laserleistungsquelle (1) abgewandte Ende des Lichtleiters (2) aufsteckbar ist und an ihrem Arbeitsende eine Linse (42) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötspitze (50) eine durchgehende Bohrung (51) aufweist, die sich in Richtung auf das Arbeitsende hin verjüngt und in deren vom Arbeitsende abgewandtes Ende das freie Ende des Lichtleiters (2) eingesteckt ist, und daß die Bohrung (51) derart verjüngt ausgebildet ist, daß sich eine Totalreflektion der aus dem Lichtleiter (2) austretenden Laserenergie an den Innenwänden der Bohrung (51) derart ergibt, daß die Laserenergie am Arbeitsende (52) der Bohrung bzw. kurz vor diesem fokussiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötspitze (60) eine Sackbohrung (61) aufweist, die sich bis in die Nähe ihres Arbeitsendes erstreckt und in deren offenes Ende das freie Ende des Lichtleiters (2) eingesteckt ist, wobei das dem Arbeitsende benachbarte Ende der Bohrung (61) so ausgebildet ist, daß die Laserenergie in Wärme zur Erwärmung des Arbeitsendes der Lötspitze (60) umgewandelt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung mit einem die der Lötstelle zugeführten Energie messenden Meßfühler zur Steuerung der Laserleistung und/oder Laserimpulsdauer vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Infrarot-Meßfühler ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Lötstelle ausgehende Strahlung über einen weiteren Lichtleiter zu einer dem Laser benachbarten Steuereinrichtung zurückgeführt wird und daß der weitere Lichtleiter nahe benachbart zum Austrittsende des ersten Lichtleiters in der Lötspitze angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, unter Rückbeziehung auf Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Lötspitze (60) benachbart zu dem Ende der Sackbohrung (61) ein Thermoelement (63) zur Messung und Regelung der Temperatur der Lötspitze angeordnet ist.