DE68904640T2 - Eine von einem laser unterstuetzte heizstange zum mehrfachverbinden von leitern. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizgerät und ein Verfahren zum gleichzeitigen Anlöten einer Vielzahl von Leitern jeweils an die zugehörige elektrische Anschlußkleinme.
• Verschiedene herkömmliche elektronische Leiterverbindungsgeräte verwenden einen Laserstrahl zum Transportieren eines Hochenergieimpulses auf einen zu befestigenden Leiter. Der Leiter wird auf diese Weise durch Schmelzen und anschließendes Erstarren des eutektischen Lots mit einer metallischen Klemme, wie z.B. einem Kontaktfleck, elektrisch leitend verbunden. Ein im Zusammenhang mit diesem Lötvorgang, bei dem zum Schmelzen des Lots entweder uninittelbar das Lot oder aber der Leiter erhitzt wird, auftretendes Problem ist, daß nur ein verhältnismäßig geringer Anteil der Laserenergie zum Erwärmen benutzt wird, während ein beträchtlicher Teil der Energie reflektiert oder gestreut wird. Zusätzlich zu dieser Energievergeudung infolge der Reflexion des Laserstrahls kann die reflektierte Laserstrahlung auch eine Gefährdung der Sicherheit der sich in unmittelbarer Nachbarschaft aufhaltenden Personen bedeuten. Die Optimierung der Wellenlänge hat zwar den Energieverlust reduziert, jedoch nicht vollkommen ausschalten können.
• Ein weiteres, bei der herkömmlichen Laserlötmethode auftretendes Problem entsteht durch die sequentielle Art des Lötvorgangs und die signifikante Zeit, die zum Anlöten aller Leiter einer elektronischen Vorrichtung benötigt wird. Angesichts der Tatsache, daß moderne elektronische Baugruppen hundert oder noch mehr Anschlüsse haben können und der Zusammenbau solcher Bauteile eine beliebig große Anzahl solcher Baugruppen umfassen kann, muß beträchtliche Zeit und Kosten aufgewendet werden, um alle Leiter an ihre jeweils zugeordneten Kontaktflecke anzulöten. Im Zusammenhang mit diesem Problem tritt die Notwendigkeit auf, entweder den Laserstrahl oder die Leiter zwischen den Lötvorgängen neu zu positionieren. Das heißt, jeder Leiter muß einzeln vom Laserstrahl erfaßt werden, entweder durch eine x-y-Positionierung des Bauteils oder durch optisches Streichen des Laserstrahls über die stationären Leiter. In beiden Fällen wurde festgestellt, daß die maximale Rate der Leiterbefestigungen nur etwa 10 Leiter je Sekunde betrug.
• Angesichts dieser obigen und noch weiterer Probleme muß zugegeben werden, daß der Einsatz des Laserlötens zur Befestigung von Bauteilen nicht als optimale Technik angesehen werden kann, trotz der hohen Prozeßzuverlässigkeit und der hohen Lötstellenqualität, die mit dieser Technik erzielt wird.
• Andere Lötgeräte, wie z.B. elektrisch beheizte Werkzeuge, bringen möglicherweise zu viel Wärme auf einen begrenzten Bereich eines Bauteils oder einer Leiterplatte auf, was zum Ausfall des Bauteils oder zur physikalischen Beschädigung der Leiterplatte führt. US-A-3 509 317 als am nächsten kommender Stand der Technik offenbart ein Gerät zum gleichzeitigen Löten von Leitern eines Schaltkreises an Kontaktflecke. Strahlungswärme wird auf Wärmeaustauschelemente gegeben, die in Druckkontakt mit den Leitern des Bauteils stehen und die aufgenommene Wärme zu denselben führen. Das Wärmeaustauschelement weist ein durchgehendes, wärmeleitendes, lotabstoßendes Metall mit einer Innenbeschichtung hoher Wärmeabsorptionsfähigkeit auf.
• Die Erwärmung wird durch eine Lampe bewirkt, wobei die Strahlung über die reflektierende Innenseite eines Gehäuses auf das Metall gelenkt wird. Diese reflektierenden Fläche des Gehäuses hat die Form einer abgeschnittenen Ellipse, wobei die Lampe im ersten und der zu erwärmende Punkt im zweiten Brennpunkt auf der Längsachse angeordnet sind.
• Die Aufgabe der Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 und 7 ist die Verbesserung dieser Nachteile. Erfindungsgemäß werden ein Heizgerät und ein Verfahren zum gleichzeitigen Löten einer Vielzahl von Leitern jeweils an eine zugehörige elektrische Klemme bereitgestellt, die einen signifikant größeren Anteil der Laserstrahlenergie ausnützen als die herkömmlichen Techniken, während gleichzeitig die Gefahr ausgeschlossen wird, daß die Laserstrahlung in die Umgebung reflektiert oder gestreut wird.
• Ein Träger kann senkrecht oder auch im schrägen Winkel zur Hohlstruktur angeordnet werden. Die Innenflächen des Hohlraums reflektieren die Laserstrahlung, so daß die Strahlung im Inneren entlang einer Längsachse der Struktur mehrfach reflektiert wird während sie absorbiert wird. Die Absorption der Laserstrahlung bewirkt eine gleichmäßige Erwärmung der Struktur auf eine Temperatur, die über dem Schmelzpunkt des eutektischen Lots liegt. Die Außenfläche der Hohlstruktur bewirkt, wenn sie in Berührung mit einer Vielzahl von Leitern des Bauteils gebracht wird, die ihrerseits jeweils an einem mit Lot versehenen Kontaktfleck anliegen, das Schmelzen des Lots und die physikalische und elektrische Verbindung der Leiter mit ihrem jeweils zugeordneten Kontaktfleck.
• Dementsprechend sieht die Erfindung ein Gerät und ein Verfahren vor, das in der Lage ist, in nur einem Arbeitsgang eine Vielzahl von Leitern gleichzeitig an jeweils zugehörige Kontaktflecke anzulöten, wobei die Geschwindigkeit des Arbeitsvorgangs signifikant erhöht und die Kosten gegenüber dem herkömmlichen Verfahren reduziert werden.
• Dieser obige und noch weitere Aspekte der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung einer erfindungsgemäßen, bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genauer erläutert. In diesen Zeichnungen sind:
• Fig. 1 ein Aufriß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizstabs mit weggeschnittener Frontseite;
• Fig. 1a ein Aufriß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizstabs;
• Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht des Heizstabs aus Fig. 1;
• Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht eines Teils des Heizstabs mit Darstellung verschiedener Metallschichten, aus denen sich der Stab zusammensetzt, wobei die Fig. 3 nicht maßstabsgetreu ist;
• Fig. 4 zeigt den Einsatz des erfindungsgemäßen Heizstabs beim Anlöten einer Vielzahl von Leitern einer Baugruppe an den jeweiligen zugehörigen Kontaktfleck;
• Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Heizstab und die Positionierung einer Vielzahl von Thermoelementen, mit denen der Graph in Fig. 6 erzeugt wurde; und
• Fig. 6 ist ein Graph, der das Temperaturprofil des Heizstabs aus Fig. 5 als Funktion der Zeit während und nach der Anwendung eines Impulses der Laserenergie ins Innere des Heizstabs zeigt.
• Unter Bezugnahme zunächst auf die Fig. 1 und 2 wird dort ein laserunterstütztes Miniaturheizgerät 10 gezeigt, das eine Hohlstruktur, d.h. einen Stab, 12 hoher Wärmeleitfähigkeit, sowie ein Halteglied 14 zum Führen einer optischen Faser 16 aufweist, die Laserstrahlung in einen inneren Hohlkammerbereich oder Hohlraum 18 überträgt, wie mit Pfeilen A angezeigt wird. Das Halteglied 14 kann senkrecht über dem Stab 12 zentriert werden oder kann auch versetzt dazu und/oder in einem Winkel zum Stab 12 geneigt angeordnet werden, wie in Fig. 1a gezeigt wird. Die Innenflächen 20 des Hohlraums 18 sind so behandelt, daß sie die Laserstrahlung im Inneren entlang der Längsachse des Stabs 12 wiederholt reflektieren. Durch diese wiederholten Reflexionen innerhalb des Hohlraums 18 wird die Laserstrahlung schrittweise von den Wänden des Hohlraums 18 absorbiert. Diese Absorption der Laserstrahlung bewirkt eine gleichmäßige Erwärmung des Stabs 12 auf eine Temperatur, die über dem Schmelzpunkt des eutektischen Lots, d.i. etwa 183ºC, liegt. Die Außenfläche 22 des Stabs 12 wird dann in Berührung mit einer Vielzahl von Leitern eines Bauteils gebracht, die jeweils an den entsprechenden, lotbeschichteten Kontaktflecken anliegen, und bewirkt das Schmelzen des Lots und die physikalische und elektrische Verbindung der Leiter mit ihrem jeweiligen zugehörigen Kontaktfleck.
• Vorzugsweise ist die Außenfläche des Stabs 12 mit Material beschichtet, das vom Lot nicht benetzt wird. Das Trägermetall des Stabs 12 kann jeder beliebiger Werkstoff sein, der dem Stab eine hinreichende mechanische Festigkeit gibt, wärmeleitend ist, und nicht wechselseitig mit der inneren und äußeren Beschichtung diffundiert. Aluminium und Kupfer sind dafür zwei Beispiele. Auch ist eine gute Haftfähigkeit der inneren und äußeren Beschichtung auf dem Trägermetall stark erwünscht.
• Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und unter Bezugnahme auf Fig. 3 werden der Stab 12 und die Halterung 14 aus Kupferausgangsmetall in einer T-förmigen Konfiguration gespant, um einen Kupferträger 24 zu bilden. Der Stab 12 kann eine Gesamtlänge von etwa 1 cm bis etwa 2,5 cm und eine Breite und Höhe von etwa 1,25 mm aufweisen. In dieser Hinsicht muß die Länge ausreichen, um gleichzeitig eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Bauteilleitern zu berühren, während sie andererseits nicht so groß sein darf, daß ein wesentlicher Temperaturgradient zwischen dem Mittelpunkt des Stabs und dessen Enden auftritt. Diese letztere Überlegung hängt selbstverständlich ab vom Betrag der eingespeisten Laserenergie. Durch diesen Kupferträger 24 wird dann von einem Ende zum anderen ein Loch bzw. ein Kanal gebohrt und bildet in diesem den Hohlraum 18, wobei dieser Hohlraum einen beispielhaften Durchmesser von etwa 0,8 mm aufweist. Die Innenflächen dieses Hohlraums 18 werden chemisch poliert und mit einer Reflexionsschicht 26, z.B. einer Goldschicht, in einer Dicke von etwa 1 um überzogen. Zur Beschichtung der Innenflächen kann ein herkömmlicher Goldtauchprozeß angewendet werden. Der Durchfluß der Goldplattierungslösung durch den Stab 12 wird ermöglicht, weil der Kanal ganz durch den Stab 12 gebohrt ist. Vorzugsweise wird zunächst eine Sperrschicht 28, z.B. eine Vorvernickelung oder eine Platinschicht aufgebracht, um die gegenseitigen Diffusion des Kupferträgers und der Goldschicht zu verhindern. Diese gegenseitige Diffusion ist unerwünscht, weil sich im Lauf der Zeit das Reflexionsvermögen der Fläche 20 verringern würde. Eine äußere, nicht benetzbare Schicht 32, wie z.B Titan, wird aufgebracht, damit das Haften geschmolzenen Lots außen auf dem Kupferstab 12 unterbunden wird. Nach der Fertigung werden die offenen Enden des Hohlraums 18 verschlossen, damit keine Laserstrahlung austreten kann. Dieser Verschluß kann bewirkt werden durch Einführen einer Metallpaste in die Enden der Stabs 12, wobei diese Paste anschließend ausgehärtet und nachgehärtet wird. Vorzugsweise werden die Enden mit reflektierendem Werkstoff wie z.B. einer Schicht aus Goldfolie 12a verschlossen, damit Laserstrahlung, die die Enden des Hohlraums 18 erreicht, ohne absorbiert zu werden, wieder in den Hohlraum zurückgeworfen wird.
• Im Halteglied 14 ist eine durchgehende Öffnung eingebracht mit einem Durchmesser, der geeignet ist, die optische Faser 16 aufzunehmen. Das Ende der Faser 16, das flachpoliert oder auf sonstige Weise verändert sein kann, um die Abstrahlmerkmale des Strahls zu verändern, steht in Verbindung mit dem Hohlraum 18 zum Ankoppeln der optischen Strahlung an den Hohlraum. Die Faser 16 wird mittels eines geeigneten Klebers oder durch mechanische Mittel, wie z.B. einen oder mehrere O- Ringe, in ihrer richtigen Position befestigt. Durch einstückiges Ausbilden des Halters 14 mit dem Kupferstab 12, kann ein Wärmeisolator, wie z.B eine wärmeisolierende Dichtung oder ein Isolierkissen 30 angewendet werden, um das Heizgerät 10 von anderen Strukturen, wie z.B. einer (nicht dargestellten) Klammer zu isolieren, die an den Träger 14 angebracht ist. Als Alternative, oder in Kombination mit dem Wärmeisolator besteht der Halter 14 aus einem Werkstoff geringerer Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. aus rostfreiem Stahl, um den Verlust von Wärme aus dem Stab 12 zu reduzieren. Für diese letztere Ausführungsbeispiel wird der Stab wie oben beschrieben gefertigt und beschichtet, und der Halter 14 wird anschließend z.B. durch ein Hartlötverfahren daran befestigt.
• In Fig. 4 wird das Miniaturheizgerät 10 in einer dargestellten Anwendung zum Anlöten einer Vielzahl von Bauteilleitern 33, gesehen von einem Ende aus, die jeweils an entsprechende, zugeordnete Kontaktflecke 34 anzulöten sind, eingesetzt. Die Leiter können an eine elektronische Vorrichtung, wie z.B. eine (nicht dargestellte) Speichervorrichtung angeschlossen sein. Die Kontaktflecke 34 sind beispielhaft auf der Oberfläche eines isolierenden Trägers 36, wie z.B. einer Leiterplatte, angeordnet. Jeder dieser Kontaktflecke 34 wird beispielhaft zunächst durch ein herkömmliches Sieb- oder Plattierverfahren vorbereitet, um eine Schicht Lotmasse 38 auf die Kontaktflecke 34 aufzutragen. Im Betrieb wird dann der Stab 12 mit den Leitern 33 in Berührung gebracht und Laserstrahlung wird über die optische Faser 16 in den Hohlraum 18 eingeleitet. Der Stab heizt sich durch die anfeinanderfolgenden inneren Reflexionen und die Absorption der Laserstrahlung schnell gleichmäßig auf. Die Wärme fließt vom Stab 12 durch die dazwischenliegenden Leiter 33 in die Kontaktflecke 34 und in das Lot 38. Das Lot schmilzt und kühlt sich nach Abnehmen des Stabs 12 oder Abschalten der Laserstrahlung ab. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Leitern gleichzeitig angelötet. Das Heizgerät 10 kann an einem herkömmlichen Dreiachsen-Positioniermittel befestigt sein zum Positionieren der Heizvorrichtung in vorgegebene Stellungen bezüglich einer stationären Bauteilmontage. Alternativ dazu ist es auch möglich, das Heizgerät in einer einzigen, vertikalen Achse zu verschieben, während der Träger 36 in einer oder zwei horizontalen Achsen unter dem Heizgerät verfahren wird.
• Fig. 5 zeigt die Positionen von vier Thermoelementen (A - D), die in Längsrichtung entlang des Stabes 12 angeordnet sind; wobei der Stab 12 eine Länge von etwa 1,25 cm hat. Mit einem im CW-Modus arbeitenden YAG-Laser 40 (1,06 um) wurde dem Heizgerät 10 für 1000 Millisekunden (ms) 50 W Laserenergie zugeführt. Das sich einstellende Temperaturprofil wird im Graph der Fig. 6 dargestellt. Der Stab 12 heizt sich mit einer in wesentlichen gleichmäßigen Rate von 223ºC die Sekunde mit einer im wesentlichen konstanten Temperaturveränderung von 40ºC auf, bis die Stabtemperatur über 200ºC liegt. Da das eutektische Lot bei 183ºC schmilzt, wird verständlich, daß das Heizgerät 10 über seine gesamte Länge zum Löten von Leitern eingesetzt werden kann.
• Zwar wurde hier auf einen Nd:YAG-Laser als Quelle für die optische Energie verwiesen, es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß das erfindungsgemäße Heizgerät mit jeder geeigneten optischen Strahlungsquelle betrieben werden kann. Zum Beispiel haben sowohl Argon-Ion-Laser als auch Excimer-Laser Ausgangswellenlängen, die sich zur Übertragung durch herkömmliche optische Fasern eignen. Eine Überlegung ist, daß der Laser fähig sein muß, im CW-Modus genügend lange Zeit betrieben zu werden, daß die Temperatur des Heizgeräts auf den gewünschten Punkt steigt. In dieser Hinsicht stehen Nd:YAG- Laser, die im CW-Modus arbeiten und eine Ausgangswellenlänge haben, die geeignet ist, durch optische Fasern übertragen zu werden, jederzeit zur Verfügung.
• Das erfindungsgemäße Heizgerät beschleunigt der Beobachtung nach das Anlöten von elektrischen Leitern etwa um eine Größenordnung gegenüber den maximalen Raten bei herkömmlichen Direktlaserlötmethoden. Auf ähnliche Weise ist im Vergleich zu herkömmlichen elektrisch beheizten Heizvorrichtungen ("hot blades") die erfindungsgemäße Heizvorrichtung in der Lage, bei weitem höhere Heiraten zu liefern. Zusätzlich ist das erfindungsgemäße Heizgerät infolge der Art der Energieübertragung signifikant kompakter als ein gleichwertiges elektrisches Heizgerät. Das heißt, die Leistung wird durch eine haarfeine optische Faser übertragen gegenüber einem verhältnismäßig viel dickeren elektrischen Kabel bei einem elektrischen Heizgerät. Physikalische Größe, Gewicht und Leistungsanschlüsse sind bei der Automatisierung eines Komponentenmontageverfahrens, insbesondere für kleine Geräte mit eng stehenden Leiteranschlüssen, als kritische Faktoren anzusehen.
• Das erfindungsgemäße Heizgerät ist besonders einsetzbar bei Anwendungen, wenn kleine Bauteilgrößen und Geometrien die Einsatzmöglichkeiten für herkömmliche Heizgeräte beschränken und örtliche Wärmezufuhr gefordert wird, die das unnötige Aufheizen wärmempfindlicher Geräte oder von Leiterplatten mit gedruckten Schaltungen vermeiden. Das erfindungsgemäße Heizgerät ist auch dort vorteilhaft einzusetzen, wo die obigen Merkmale mit hohen Durchsatzraten kombiniert werden müssen. Beispiele für solche Anwendungen schließen das Löten von auf der Oberfläche montierten Komponenten und Aufsetzen von Komponenten mittels automatischen Filmbondens (TAB) ein, bei dem die Zwischenräume zwischen den einzelnen Leitern beispielhaft 508 um (20 mils) oder weniger betragen.

Claims (9)

1. Heizvorrichtung (10) enthaltend:

einen wärmeleitenden Heizstab (12) mit einem darin eingeschlossenen inneren Hohlraum (18), wobei dieser Hohlraum Flächen (20) aufweist, die im wesentlichen für die einfallende optische Strahlung ref lektierend und teilweise für die einfallende optische Strahlung absorbierend sind; und

Mittel an diesen Hohlraum gekoppelt sind zum Leiten der optischen Strahlung in denselben, wobei dieses Leitmittel aus einer optischen Faser (16) besteht, deren Ausgangsende in optischer Verbindung mit dem Hohlraum steht und deren Eingangsende in optischer Verbindung mit einer optischen Strahlungsquelle (40) steht;

wobei die Strahlung wiederholt internen Reflexionen entlang einer Längsachse dieses Heizstabs (12) unterworfen wird, während denen sie absorbiert wird, wobei dieser Heizstab durch die absorbierte optische Strahlung gleichmäßig erwärmt wird.

2. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1, in dem dieser Heizstab besteht aus:

Einem wärmeleitenden metallischen Träger (24), innerhalb dessen dieser Hohlraum angeordnet ist;

einer reflektierenden Metallbeschichtung (26), die auf die Flächen dieses Hohlraums aufgebracht ist; und

einer Außenbeschichtung (32), die auf den Außenflächen dieses Heizstabs aufgebracht ist, wobei die Außenschicht aus einem Werkstoff besteht, der im wesentlichen vom geschmolzenen Lot nicht benetzbar ist.

3. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 2 bei dem dieser metallische Träger (24) aus Kupfer besteht, die reflektierende Metallbeschichtung (26) aus Gold und die Außenbeschichtung (32) aus Titan besteht.

4. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei dem ferner zwischen dem Kupferträger und der Goldschicht eine Sperrschicht (28) aufgebracht ist, wobei diese Sperrschicht aus einem Werkstoff besteht, der geeignet ist, die gegenseitige Diffusion zwischen dem Kupferträger und der Goldschicht im wesentlichen zu verhindern, und die vorzugsweise aus Nickel oder Platin besteht.

5. Heizvorrichtung gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, bei dem dieses Leitmittel ferner ein Halteglied (14) für eine an diesem Heizstab befestigte optische Faser umfaßt, und zwar vorzugsweise als einstückige Erweiterung dieses Körperteils ausgebildet ist.

6. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei dem dieses Halteglied aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitfähigkeit des Heizstabs aufweist, und vorzugsweise aus rostfreiem Stahl besteht.

7. Verfahren zum gleichzeitige Löten einer Vielzahl von Leitern jeweils an eine zugehörige elektrische Klemme, bestehend aus folgenden Schritten:

Inberührungbringen eines jeden einer Vielzahl von Leitern mit der jeweils zugehörigen elektrischen Klemme und mit einer bestimmten Lotmenge (38);

Inberührungbringen jedes einzelnen einer Vielzahl von Leitern mit einem langgestreckten wärmeleitenden Glied (12);

Übertragen von Laserstrahlung aus einer Laserstrahlungsquelle (40) in einen langgestreckten Hohlraum (18), der in dem Glied eingeschlossen ist, wobei der Hohlraum im wesentlichen entlang der gesamten Länge dieses Glieds angeordnet ist und Flächen (20) aufweist, die im wesentlichen auf die einfallende optische Strahlung reflektierend und teilweise absorbierend wirken;

wiederholtes Reflektieren der Laserstrahlung an diesen Flächen (20) des Hohlraums, so daß die Laserstrahlung im wesentlichen gleichmäßig über die ganze Länge des Hohlraums absorbiert wird, um das Glied im wesentlichen gleichmäßig über seine ganze Länge aufzuheizen; und

Übertragen der Wärme von diesem Glied gleichzeitig auf eine Vielzahl von Leitern (33), so daß das jedem Leiter zugeordnete Lot geschmolzen wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, in dem der Schritt zur Übertragung durch die Aktivierung eines Nd:YAG-Lasers für eine genügend lange Zeit erzielt wird, die ausreicht, um das Glied auf eine Temperatur zu erwärmen, die höher liegt als der Schmelzpunkt des Lots.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, in dem der Schritt zur Übertragung durch die Übertragung der Laserstrahlung durch eine optische Faser erfolgt, die ein Ausgangsende in optischer Verbindung mit dem Hohlraum hat.