DE4032192C2

DE4032192C2 - Vorrichtung zum Erhitzen eines ultraschallbetriebenen Löt- oder Schweißkopfes

Info

Publication number: DE4032192C2
Application number: DE19904032192
Authority: DE
Inventors: Michael Kising; Fred Woelke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: DE4032192A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen eines ultraschallbetriebenen Löt- oder Schweißkopfes mittels eines Heizkörpers, der stoffschlüssig mit dem Werkstoff des Löt- oder Schweißkopfes verbunden ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Heizelement und dem Löt- bzw. Schweißkopf.

Aus der DE-OS 22 36 699 ist eine Lötvorrichtung bekannt, die aus einem Lötkolben besteht, dessen Lötspitze zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann. Die Schwingungen begrenzen sich auf einen Frequenzbereich zwischen 10 und 1000 Hz, also im Hörschallbereich. Diese Vorrichtung ist für ultraschallbetriebene Löt- und Schweißvorrichtungen ungeeignet, da der Massenschwinger zu träge ist und eine Temperatursteuerung bzw. -regelung nicht an der Werkzeugspitze erfolgt.

Aus der gattungsbildenden DE-AS 10 39 812 ist ein Ultraschall- Lötkolben bekannt, bei dem die Wärmeübertragung von dem Heizelement zu dem Magnetostriktionsschwinger wirksam herabgedrückt wird, so daß die Anordnung kurz ausgeführt werden kann. Wie aus den Fig. 1-4 ersichtlich ist, handelt es sich hierbei um kompakte Ausführungen von Lötkolben, die mit einem Handgriff versehen zur Handarbeit taugen. Beispielsweise ist das Gerät für den Einsatz zum "Bonden" in der Fügetechnik eines automatisierten Fertigungsbetriebes aber nicht geeignet.

Aus der EP-O 3 37 065 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Lötstation hervor, bei der ein Heizkörper auch zur Temperaturregelung taugt und ansonsten aus einem Keramikrohr besteht. Für Ultraschallschwingungen ist diese Vorrichtung nicht geeignet. Die Problematik eines gewichts- und massereduzierten Heizelements, angebracht an der Sonotrode eines Ultraschallschwingers, ist dort nicht angesprochen.

Aufgabe ist es, eine Heizvorrichtung zum Erhitzen des Löt- oder Schweißkopfes (Sonotrode) ultraschallbetriebener Löt- bzw. Schweißvorrichtungen zu schaffen, die eine gleichmäßige und konstante Durchwärmung des Werkzeuges unter Vermeidung der Nachteile aus dem Stand der Technik ermögllicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Lötverbindung zwischen Heizelement und Löt- bzw. Schweißkopf ist in Anspruch 5 genannt.

Beim Erfindungsgedanken, wie er im Anspruch 1 zum Ausdruck kommt, spielt für die Vorrichtung die stoffschlüssige Verbindung von Heizelementen, die eine geringe Masse haben und gleichzeitig noch zur Temperaturmessung dienen, eine entscheidende Rolle. Aufgrund seiner geringen Masse übt das Heizelement einen nur unwesentlichen Einfluß auf das Frequenzverhalten der Sonotrode aus. Ebenso weist das Heizelement praktisch keine eigene Temperaturträgheit auf. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es erstmals eine direkte Wärmeübertragung bis zu Temperaturen von ca. 600°C, bei guter flächiger und zeitlich konstanter Erwärmung durchzuführen. Zum Beispiel werden beim Bonden bestimmter Materialien durch die gleichmäßige und konstante Durchwärmung des Löt- bzw. Schweißkopfes reproduzierbare Verbindungen erreicht.

Ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Ausführung ist in den Figuren dargestellt. Hierbei zeigen

Fig. 1a und Fig. 1b die Vorder- und Seitenansicht des Löt- bzw. Schweißkopfes an ultraschallbetriebenen Löt- bzw. Schweißvorrichtungen, und

Fig. 2 ein Heizelement (Temperaturelement mit Stromzuleitungsdrähten (z. B. PT 100)).

Der Löt- oder Schweißkopf (Sonotrode) (3) wird mittels einer Klemmschraube (2) in den Schweißrüssel (5) eingespannt. Die Ultraschallquelle sitzt dabei nicht sichtbar, auf dem Schweißrüssel. An dem Löt- oder Schweißkopf (3) ist mindestens ein Heizelement (1) aufgebracht, das gleichzeitig auch der Temperaturmessung dienen kann (vgl. Fig. 1b). Das Heizelement (1) wird stoffschlüssig mit dem Grundwerkstoff der Sonotrode (3) verbunden. Dadurch entsteht eine innigliche schwer- bis nichtlösbare und hohen Temperaturen aussetzbare Verbindung, die aufgrund der geringen Masse des Heizelementes (1) keine unzulässigen Frequenzstörungen der Ultraschallschwingungen der Sonotrode (3) bewirkt. Die stoffschlüssige Verbindung kann durch Schweißen, Löten oder Kleben erfolgen. Vorteilhaft ist es, das Heizelement (1) so nahe wie möglich an die Werkzeugspitze (4) anzuordnen. Die dafür vorhergesehene Fläche auf der Sonotrode (3) kann gewölbt oder eben sein. Die geometrische Form dieser Fläche kann poligonal, länglich, gedrungen oder rundlich sein. Sie sollte allerdings formschlüssig zum Heizelement ausgebildet werden, um den besten Wärmeübergang auf die Sonotrode zu gewährleisten.

Als kombiniertes Heiz- und Temperaturelement kann beispielsweise ein fertiges miniaturisiertes Bauelement (1) (PT 100) ausgewählt werden (vgl. Fig. 2). Durch Lötung nach dem in Anspruch 5 beanspruchten Verfahren wird eine schwingungsfeste und temperaturfeste Verbindung bis ca. 600°C hergestellt. Die Kontaktdrähte (6) des Heizelements (1) sind dabei so ausgeführt, daß sie lang genug sind, um elastisch den Schwingungen mit der Auslenkung δ ohne hohe Biegebelastungen folgen zu können. Der Vorteil der vorgegebenen Länge der Kontaktdrähte (6) liegt in einem kleinem Biegewinkel (α) direkt an der Übergangsstelle in das Heizelement. Die Länge der Kontaktdrähte wirkt sich aber auch vorteilhaft (7) aus, da diese thermisch weniger belastet ist.

Die Schwingfrequenz des Heizelements (1) liegt dabei bei ca. 60 kHz und die Amplitude δ/2 bei ca. 10 µm.

Claims

1. Vorrichtung zum Erhitzen eines ultraschallbetriebenen Löt- oder Schweißkopfes mittels eines Heizkörpers, der stoffschlüssig mit dem Werkstoff des Löt- oder Schweißkopfes verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
- daß der Löt- oder Schweißkopf (3) unmittelbar in einem ultraschallbeaufschlagten Werkzeugrüssel (5) eingespannt ist, und
- daß der Heizkörper mindestens ein Heizelement (1) von so geringer Masse ist, daß es als Ganzes ausschließlich auf dem hochfrequent schwingenden Löt- bzw. Schweißkopf (3) zwischen Einspannung am Werkzeugrüssel (5) und der Löt- bzw. Schweißkopfspitze (4) flächenhaft und formschlüssig angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1) ein Widerstandselement ist, das abwechslend als Heizung oder Temperaturmesser geschaltet werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1) ein Plättchen ist, das aus Keramik, Glas oder Kunststoff besteht, auf das eine heiz- und meßaktive Werkstoffschicht aufgebracht ist, die bei Änderung der Temperatur eine Änderung des elektrischen Widerstandes bewirkt.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung des Heizelementes (1) mit dem Löt- bzw. Schweißkopf (3) durch Lötung, Schweißung oder Klebung erfolgt.

5. Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Lötverbindung zwischen Heizelement (1) und Löt- bzw. Schweißkopf (3) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) Heizelement (1), Lot und Löt- bzw. Schweißkopf (3) in einem Lösungsmittel gereinigt werden,
b) auf die zu fügenden Flächen Aktivlot oder Glaslot aufgebracht wird,
c) die zu verlötenden Flächen fixiert werden,
d) die zu verlötenden Teile in den Arbeitsraum eines Lötofens eingebracht werden,
e) im Arbeitsraum ein Hochvakuum von ca. 10^-4 bis 10^-5 mbar erzeugt wird, oder im Arbeitsraum unter Schutzgas bei Atmosphärendruck gearbeitet wird,
f) die zu verlötenden Teile bei etwa 800°C gelötet werden,
g) die zu verlötenden Teile auf Raumtemperatur abgekühlt und bei Atmosphärendruck dem Lötofen wieder entnommen werden.