WO2021259635A1 - Verfahren zur überwachung eines laserlötprozesses und laserlötsystem unter verwendung einer spektroskopeinrichtung - Google Patents

Verfahren zur überwachung eines laserlötprozesses und laserlötsystem unter verwendung einer spektroskopeinrichtung Download PDF

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Matthias Fettke
Timo Kubsch
Andrej KOLBASOW
Gero Bonow
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Pac Tech - Packaging Technologies Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring a laser soldering process by means of a monitoring device of a laser soldering system and a laser soldering system comprising a solder ball feed device for outputting a solder ball onto a solderable surface of a substrate and a laser device for at least partial melting of the solder ball.
  • a substrate which can be a printed circuit board, for example, by means of a laser soldering system.
  • contact areas of the chip or the semiconductor component are connected via a solder ball to a solderable area of the substrate, which is also referred to as a “pad” in this context.
  • the solder ball in turn is output to the solderable surface by means of a solder ball feed device of the laser soldering system and is at least partially melted by means of a laser device of the laser soldering system in such a way that a material connection can be formed between the contact surfaces of the chip or the semiconductor component on the one hand and the solderable surface on the other .
  • Burns of the substrate can occur during a laser soldering process, the term “burn” being understood here in particular as thermal heating which does not necessarily have to take place with the formation of flames, which is associated with permanent damage to the substrate.
  • the reason for such a combustion can be a direct action of a laser beam formed by means of the laser device on the substrate.
  • the at least partially melted, thermally heated solder ball hitting the solderable surface causes the solderable surface and thus the substrate thermally coupled to the solderable surface to be thermally excited or heated in such a way that a combustion of the substrate is brought about .
  • thermal imaging camera as a monitoring device for monitoring a laser soldering process of the type described at the beginning proves to be disadvantageous insofar as the temporal and spatial resolution of a thermal imaging camera known from the prior art is not sufficient to enable a "normal" laser soldering process, in particular with the melting of the solder ball, the portion of a light signal associated with a further portion of the light signal, which is associated with a combustion of the substrate, to be clearly differentiated.
  • a thermal imaging camera with an improved temporal and spatial resolution power is a costly endeavor.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a method for monitoring a laser soldering process by means of a monitoring device of a laser soldering system and a laser soldering system by means of which reliable and inexpensive monitoring of a laser soldering process can be carried out.
  • a solder ball is output onto a solderable surface of a substrate by means of a solder ball feed device of the laser soldering system, the solder ball being at least partially melted by means of a laser device of the laser soldering system, with a light signal being formed during the laser soldering process which is detected by means of an optical detection device of the monitoring device, the light signal being broken down into a spectrum of the light signal by means of a spectroscopic device of the monitoring device, with the spectrum being analyzed by means of a processing device of the monitoring device and recognized on the basis of a nature of the spectrum whether during the substrate has been burned or not during the laser soldering process.
  • combustion is understood here to mean, in particular, thermal heating or excitation of the substrate, which leads or can lead to permanent damage to the substrate. A formation of lamb (Leuer) does not necessarily have to take place.
  • combustion can also be understood quite generally as a redox reaction of the substrate, which results in the release of energy in the form of heat or heat radiation and light run off.
  • light especially in connection with the term “light signal”, is not limited to light that is visible or perceptible to the naked eye, but can basically cover the entire electromagnetic spectrum, in particular infrared radiation (heat radiation) and ultraviolet radiation, include.
  • solder ball does not necessarily mean a spherical structure.
  • solder ball can refer to any solder material of any shape.
  • the solder ball can also be in a wire-like form.
  • solder ball feed device can be understood quite generally as a device by means of which a solder material can be dispensed onto a solderable surface.
  • the invention is based on the idea that a light signal formed during the laser soldering process is detected by means of an optical detection device of the monitoring device and then broken down into a spectrum or spectral components of the light signal by means of a spectroscopic device of the monitoring device.
  • a processing device of the monitoring device is then used to analyze the spectrum and, on the basis of a nature of the spectrum, in particular on the basis of characteristic parameters describing the spectrum, it is recognized whether or not the substrate was burned during the laser soldering process.
  • the characteristic parameters can in particular be substrate-dependent intensity peaks as a function of a wavelength.
  • the method according to the invention has the particular advantage that it is possible, by means of the spectroscopic device, to clearly distinguish between a portion associated with a “normal” laser soldering process between a light signal and a portion of the light signal that can be traced back to a combustion of the substrate or, within the spectrum, between a portion describing a “normal” laser soldering process and a portion describing a combustion of the substrate.
  • the method according to the invention thus enables a laser soldering process to be monitored reliably and inexpensively.
  • the spectrum can include at least one substrate-independent normal component and, in the case of a combustion of the substrate occurring during the laser soldering process, a substrate-dependent combustion component, whereby the processing device can be used to differentiate between the substrate-independent normal component and the substrate-dependent combustion component.
  • substrate-dependent here means that a nature of the combustion fraction depends on a material or a material composition of the substrate, while the term “substrate-independent” indicates that a nature of the normal fraction depends on a material or a material composition of the substrate is independent, that is to say has essentially the same constitution for any desired substrate.
  • the substrate-independent normal component can originate from a “normal” laser soldering process and thus always be part of the spectrum.
  • the normal portion which is independent of the substrate, can be caused by the melting and the associated thermal heating of the solder ball.
  • the spectrum additionally include the substrate-dependent combustion portion, which can be formed as a result of the combustion.
  • a direct action of a laser beam formed by means of the laser device on the substrate leads to an excitation of electrons contained in the material or in the material composition of the substrate.
  • An emission spectrum associated with this excitation can then make a contribution to the sub- deliver strate-dependent combustion fraction.
  • the processing device can use the presence of the substratab-dependent combustion fraction in the spectrum to identify whether or not combustion of the substrate occurred during the laser soldering process. If the spectrum also includes a substrate-dependent combustion component in addition to the substrate-independent normal component, the processing device can use this presence of the substrate-dependent combustion component in the spectrum to identify whether or not combustion of the substrate has occurred.
  • the normal portion of the processing device which is independent of the substrate, can be known and stored in a database of the processing device. For example, the processing device can then access the stored substrate-independent normal portion for detection and subtract or subtract it from a spectrum recorded by means of the optical detection device and determine whether there is another portion in the spectrum after subtraction or subtraction can be identified with the combustion fraction.
  • a material or a material composition of the substrate can be determined by means of the processing device on the basis of a nature of the substrate-dependent combustion fraction. For example, an excitation of electrons located in the material or materials of the substrate, induced by means of the laser device, leads to the formation of an emission spectrum that is characteristic of the material or materials or material composition. rum (spectral fingerprint), on the basis of which the material or the material composition of the substrate can be determined or identified. If the material or the material composition of the substrate is known, the determination can also serve as a control to determine whether or not a proportion occurring in the spectrum in addition to the substrate-independent normal proportion is actually due to a combustion of the substrate.
  • rum spectral fingerprint
  • the determination can be carried out by comparing characteristic parameters of the substrate-dependent combustion fraction with a large number of different materials or material compositions of substrates which are spectroscopically describing characteristic parameters stored in a database of the processing device.
  • the characteristic parameters can be intensity peaks or intensity peaks as a function of a wavelength.
  • the processing device can be used to output whether or not the substrate was burned during the laser soldering process.
  • the processing device can output an acoustic and / or optical signal, for example, which can indicate to an operator of the laser soldering system that the substrate has been burned. The operator can then manually stop operation of the laser soldering system and sort out the substrate damaged by the combustion.
  • operation of the laser soldering system can be stopped in the event that the substrate is burned during the laser soldering process.
  • the operation of the laser soldering system can advantageously be automatically interrupted in such a case. By stopping the operation of the laser soldering system, it is possible to prevent further burns.
  • the light signal can be due to the melting of the solder ball and in the case of a combustion occurring during the laser soldering process, additionally due to the combustion.
  • the melting of the solder ball can contribute to the substrate-independent normal component and the combustion can contribute to the substrate-dependent combustion component of the spectrum.
  • the contribution caused by the melting of the solder ball can be attributed in particular to infrared or heat radiation emitted by the thermally heated solder ball, while the contribution caused by the combustion can be attributed in particular to infrared or heat radiation emitted by the thermally heated substrate as well as light emitted by the combustion of the substrate and visible to the naked eye.
  • the laser soldering system comprises a solder ball feed device for outputting a solder ball onto a solderable surface of a substrate and a laser device for at least partial melting of the solder ball, the laser soldering system comprising a monitoring device for monitoring a laser soldering process, the monitoring device having an optical detection device for detecting a Light signal formed during the laser soldering process and a spectroscopic device for breaking down the light signal into a spectrum of the light signal, the monitoring device having a processing device by means of which the spectrum can be analyzed and based on a nature of the spectrum it can be identified whether a burn occurs during the laser soldering process of the substrate has occurred or not.
  • the optical detection device can advantageously comprise at least one converging lens.
  • the converging lens can then collect light associated with the light signal and transfer it to the spectroscopic device.
  • the laser soldering system can expediently comprise a glass fiber arrangement by means of which the light signal can be transmitted from the optical acquisition device to the spectroscopic device.
  • the processing device can include a database in which a
  • the processing device can in particular be a computer whose hard disk can form the database.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a laser soldering system
  • 1 shows a schematic representation of a laser soldering system 10, which comprises a solder ball feed device 11 for outputting a solder ball 21 onto a solderable surface 20 of a substrate 19 and a laser device, not shown here, for at least partially melting the solder ball 21.
  • the laser device can be used to generate a laser beam 12 which, on the one hand, acts on the solder ball 21 and leads to the partial melting of the solder ball 21 and, on the other hand, as shown in FIG. 1, a combustion 22 of the substrate hitting the substrate 19 directly 19 causes. Due the melting of the solder ball 21 and, due to the combustion 22, a light signal 23 is formed.
  • the laser soldering system 10 also includes a monitoring device 13 with an optical detection device 14 for detecting the light signal 23.
  • the optical detection device 14 also includes a collecting lens 17 15 of the monitoring device 13, by means of which the light signal 23 is broken down into a spectrum of the light signal 23 (not shown here).
  • the monitoring device 13 has a processing device 16, by means of which the spectrum can be analyzed and, based on the nature of the spectrum, it can be recognized whether or not a burn 22 of the substrate 19 has occurred during a laser soldering process. Operation of the laser soldering system 10 is stopped in the presence of a combustion 22 of the substrate 19 occurring during the laser soldering process, in particular in order to prevent further burns 22.
  • the combustion fractions 30, 31 or the spectra 24, 25 come from different substrate types or substrates with different materia lien or material compositions.
  • the location and an amount of Intensity peaks 32, 33 represent a type of spectral fingerprint, on the basis of which a material or a material composition of a substrate can be determined.

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Abstract

Diese Anmeldung betrifft ein Laserlötsystem (10) und ein Verfahren zur Überwachung eines Laserlötprozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung (13) des Laserlötsystems (10), wobei mittels einer Lotkugelzuführvorrichtung (11) des Laserlötsystems (10) eine Lotkugel (21) auf eine lötbare Fläche (20) eines Substrats (19) ausgegeben wird, wobei die Lotkugel (21) mittels einer Laservorrichtung des Laserlötsystems (10) zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, wobei während des Laserlötprozesses ein Lichtsignal (23) ausgebildet wird, welches mittels einer optischen Erfassungseinrichtung (14) der Überwachungsvorrichtung (13) erfasst wird, wobei mittels einer Spektroskopeinrichtung (15) der Überwachungsvorrichtung (13) das Lichtsignal (23) in ein Spektrum des Lichtsignals (23) zerlegt wird, wobei mittels einer Verarbeitungseinrichtung (16) der Überwachungsvorrichtung (13) das Spektrum analysiert und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums erkannt wird, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung (22) des Substrats aufgetreten ist oder nicht.

Description

VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINES LASERLÖTPROZESSES UND
LASERLÖTSYSTEM
UNTER VERWENDUNG EINER SPEKTROSKOPEINRICHTUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Laserlöt prozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung eines Laserlötsystems sowie ein Laserlötsystem, umfassend eine Lotkugelzuführvorrichtung zur Ausgabe einer Lotkugel auf eine lötbare Lläche eines Substrats und eine Laservorrichtung zur zumindest teilweisen Aufschmelzung der Lotkugel. Aus dem Stand der Technik ist es hinlänglich bekannt, insbesondere Chips, Halbleiter-Bauelemente oder dergleichen auf ein Substrat, wel ches beispielsweise eine Leiterplatte sein kann, mittels eines Laserlöt systems aufzulöten. Dazu werden Kontaktflächen des Chips bzw. des Halbleiter-Bauelements über eine Lotkugel mit einer lötbaren Lläche des Substrats, welche in diesem Zusammenhang auch als „Pad“ bezeichnet wird, verbunden. Die Lotkugel ihrerseits wird mittels einer Lotkugelzu führvorrichtung des Laserlötsystems auf die lötbare Lläche ausgegeben und mittels einer Laservorrichtung des Laserlötsystems zumindest teilweise derart aufgeschmolzen, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktflächen des Chips bzw. des Halbleiter-Bauelements einerseits und der lötbaren Lläche andererseits ausgebildet werden kann. Während eines Laserlötprozesses können Verbrennungen des Substrats auftreten, wobei hier unter dem Begriff „Verbrennung“ insbesondere eine thermische Aufheizung, welche nicht notwendigerweise unter einer Bildung von Flammen stattfinden muss, verstanden wird, welche mit einer bleibenden Beschädigung des Substrats einhergeht. Grund für eine derartige Verbrennung kann eine direkte Einwirkung eines mittels der Laservorrichtung ausgebildeten Laserstrahls auf das Substrat sein.
Jedoch ist es ebenso denkbar, dass durch die auf die lötbare Fläche auftreffende zumindest teilweise aufgeschmolzene, thermisch aufgeheiz te Lotkugel die lötbare Fläche und damit das mit der lötbaren Fläche thermisch gekoppelte Substrat derart thermisch angeregt bzw. aufgeheizt wird, dass eine Verbrennung des Substrats herbeigeführt wird.
Aus dem Stand der Technik ist es daher bei Laserschweißprozessen, bei welchen Verbrennungen eines Substrats der vorgenannten Art prinzipiell auch auftreten können, bekannt, einen Laserschweißprozess mittels einer Überwachungsvorrichtung eines Laserschweißsystems zu überwachen, insbesondere mit dem Ziel, zu erkennen, ob während des Laserschweiß prozesses eine Verbrennung eines Substrats aufgetreten ist oder nicht. Beispielsweise ist es auf dem technischen Gebiet des Laserschweißens bekannt, einen Laserschweißprozess mittels einer Wärmebildkamera zu überwachen.
Ein Einsatz einer Wärmebildkamera als Überwachungsvorrichtung zur Überwachung eines Laserlötprozesses der eingangs bezeichneten Art erweist sich jedoch insofern als nachteilhaft, als ein zeitliches und räumliches Auflösungsvermögen einer aus dem Stand der Technik vorbe kannten Wärmebildkamera nicht ausreicht, um einen mit einem „norma len“ Laserlötprozess, insbesondere mit der Aufschmelzung der Lotkugel, verbundenen Anteil eines Lichtsignals von einem weiteren Anteil des Lichtsignals, welcher mit einer Verbrennung des Substrats assoziiert ist, eindeutig zu unterscheiden. Weiter ist eine Verwendung einer Wärme bildkamera mit einem verbesserten zeitlichen und räumlichen Auflö- sungsvermögen ein kostenintensives Unterfangen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung eines Laserlötprozesses mittels einer Über wachungsvorrichtung eines Laserlötsystems sowie ein Laserlötsystem vorzuschlagen, mittels dessen eine verlässliche und kostengünstige Überwachung eines Laserlötprozesses durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 und durch ein Laserlötsystem mit den Merkmalen des An spruchs 9 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung eines Laserlöt prozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung eines Laserlötsystems wird mittels einer Lotkugelzuführvorrichtung des Laserlötsystems eine Lotkugel auf eine lötbare Lläche eines Substrats ausgegeben, wobei die Lotkugel mittels einer Laservorrichtung des Laserlötsystems zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, wobei während des Laserlötprozesses ein Lichtsignal ausgebildet wird, welches mittels einer optischen Erfas sungseinrichtung der Überwachungsvorrichtung erfasst wird, wobei mittels einer Spektroskopeinrichtung der Überwachungsvorrichtung das Lichtsignal in ein Spektrum des Lichtsignals zerlegt wird, wobei mittels einer Verarbeitungseinrichtung der Überwachungsvorrichtung das Spekt rum analysiert und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums erkannt wird, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht.
Unter dem Begriff „Verbrennung“ wird hier insbesondere eine thermi sche Aufheizung bzw. Anregung des Substrats verstanden, welche zu einer dem Substrat auf Dauer anhaftenden Beschädigung des Substrats führt bzw. führen kann. Eine Ausbildung von Llammen (Leuer) muss nicht notwendigerweise stattfinden. Zudem kann unter dem Begriff „Verbrennung“ auch ganz allgemein eine Redoxreaktion des Substrats verstanden werden, die unter Abgabe von Energie in Lorm von Wärme bzw. Wärmestrahlung und Licht abläuft.
Der Begriff „Licht“, insbesondere in Verbindung mit dem Begriff „Lichtsignal“, ist hier nicht auf mit dem bloßen Auge sichtbares bzw. wahrnehmbares Licht beschränkt, sondern kann grundsätzlich das gesam- te elektromagnetische Spektrum, insbesondere auch Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) und Ultraviolettstrahlung, umfassen.
Unter dem Begriff „Lotkugel“ wird hier nicht notwendigerweise ein kugelförmiges Gebilde verstanden. Grundsätzlich kann sich der Begriff „Lotkugel“ auf jedes beliebig geformte Lotmaterial beziehen. Beispiels- weise kann die Lotkugel auch in einer drahtartigen Form vorliegen.
Gleichermaßen kann der Begriff „Lotkugelzuführvorrichtung“ ganz allgemein als eine Vorrichtung verstanden werden, mittels der ein Lotmaterial auf eine lötbare Fläche ausgegeben werden kann.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass ein während des Laserlöt- prozesses ausgebildetes Lichtsignal mittels einer optischen Erfassungs einrichtung der Überwachungsvorrichtung erfasst und anschließend mittels einer Spektroskopeinrichtung der Überwachungsvorrichtung in ein Spektrum bzw. spektrale Bestandteile des Lichtsignals zerlegt wird. Mittels einer Verarbeitungseinrichtung der Überwachungsvorrichtung wird das Spektrum hernach analysiert und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums, insbesondere anhand das Spektrum beschreibender charakteristischer Parameter, erkannt, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht. Bei den charakteristischen Parametern kann es sich insbesondere um substratab- hängige Intensitätsspitzen in Abhängigkeit von einer Wellenlänge han deln.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere den Vorteil auf, dass es mittels der Spektroskopeinrichtung möglich ist, eindeutig zwi schen einem mit einem „normalen“ Laserlötprozess verbundenen Anteil eines Lichtsignals und einem Anteil des Lichtsignals, welcher auf eine Verbrennung des Substrats zurückzuführen ist, zu unterscheiden bzw. innerhalb des Spektrums zwischen einem einen „normalen“ Laserlötpro zess beschreibenden Anteil und einem eine Verbrennung des Substrats beschreibenden Anteil zu unterscheiden. Insgesamt ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren somit, einen Laserlötprozess verlässlich und kostengünstig zu überwachen.
Das Spektrum kann zumindest einen substratunabhängigen Normalanteil und im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbren nung des Substrats ferner einen substratabhängigen Verbrennungsanteil umfassen, wobei mittels der Verarbeitungseinrichtung zwischen dem substratunabhängigen Normalanteil und dem substratabhängigen Ver brennungsanteil differenziert werden kann. Unter dem Begriff „substrat abhängig“ ist hier zu verstehen, dass eine Beschaffenheit des Verbren nungsanteils von einem Material bzw. einer Materialzusammensetzung des Substrats abhängt, während der Begriff „substratunabhängig“ an zeigt, dass eine Beschaffenheit des Normalanteils von einem Material bzw. einer Materialzusammensetzung des Substrats unabhängig ist, also für jedes beliebige Substrat im Wesentlichen eine gleiche Beschaffenheit aufweist. Der substratunabhängige Normalanteil kann von einem „nor mal“ ablaufenden Laserlötprozess herrühren und somit immer Bestandteil des Spektrums sein. Insbesondere kann der substratunabhängige Nor malanteil durch die Aufschmelzung und eine damit einhergehende ther mische Aufheizung der Lotkugel verursacht sein. Nur im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbrennung des Substrats kann das Spektrum zusätzlich den substratabhängigen Verbrennungsan teil umfassen, welcher bedingt durch die Verbrennung ausgebildet werden kann. So führt beispielsweise eine direkte Einwirkung eines mittels der Laservorrichtung ausgebildeten Laserstrahls auf das Substrat zu einer Anregung von in dem Material bzw. in der Materialzusammen setzung des Substrats enthaltenen Elektronen. Ein mit dieser Anregung verbundenes Emissionsspektrum kann dann einen Beitrag zu dem sub- stratabhängigen Verbrennungsanteil liefern. Mittels der Verarbeitungs einrichtung ist es dann möglich, zwischen dem substratunabhängigen Normalanteil und dem substratabhängigen Verbrennungsanteil zu diffe renzieren bzw. zu unterscheiden sowie ein an der Verbrennung beteilig tes Material bzw. eine an der Verbrennung beteiligte Materialzusammen setzung anhand von spektralen Informationen zu identifizieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann mittels der Verarbeitungseinrichtung anhand eines Vorhandenseins des substratab hängigen Verbrennungsanteils in dem Spektrum erkannt werden, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetre ten ist oder nicht. Umfasst das Spektrum also zusätzlich zu dem sub stratunabhängigen Normalanteil noch einen substratabhängigen Verbren nungsanteil, so kann die Verarbeitungseinrichtung anhand dieses Vor handenseins des substratabhängigen Verbrennungsanteils in dem Spekt rum erkennen, ob eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht. Dabei kann der substratunabhängige Normalanteil der Verarbei tungseinrichtung bekannt sein und in einer Datenbank der Verarbeitungs einrichtung hinterlegt sein. Beispielsweise kann die Verarbeitungsein richtung zur Erkennung dann auf den hinterlegten substratunabhängigen Normalanteil zugreifen und diesen von einem mittels der optischen Erfassungseinrichtung erfassten Spektrum abziehen bzw. herausrechnen und feststellen, ob nach dem Abziehen bzw. Herausrechnen noch ein weiterer Anteil in dem Spektrum vorhanden ist, der dann mit dem Ver brennungsanteil identifiziert werden kann.
Weiter kann mittels der Verarbeitungseinrichtung anhand einer Beschaf fenheit des substratabhängigen Verbrennungsanteils ein Material oder eine Materialzusammensetzung des Substrats bestimmt werden. So führt eine beispielsweise mittels der Laservorrichtung induzierte Anregung von in dem Material bzw. den Materialien des Substrats befindlichen Elektronen zur Ausbildung eines für das Material bzw. die Materialien bzw. die Materialzusammensetzung charakteristischen Emissionsspekt- rums (spektraler Fingerabdruck), anhand dessen das Material bzw. die Materialzusammensetzung des Substrats bestimmt bzw. identifiziert werden kann. Ist das Material bzw. die Materialzusammensetzung des Substrats bekannt, so kann die Bestimmung auch zur Kontrolle dienen, um festzustellen, ob ein in dem Spektrum zusätzlich zu dem substratun abhängigen Normalanteil auftretender Anteil tatsächlich auf eine Ver brennung des Substrats zurückzuführen ist oder nicht.
Vorteilhafterweise kann die Bestimmung mittels eines Vergleichs von charakteristischen Parametern des substratabhängigen Verbrennungsan- teils mit in einer Datenbank der Verarbeitungseinrichtung hinterlegten, eine Vielzahl von verschiedene Materialien oder Materialzusammenset zungen von Substraten spektroskopisch beschreibenden charakteristi schen Parametern durchgeführt werden. Insbesondere kann es sich bei den charakteristischen Parametern um Intensitätsspitzen bzw. Intensi- tätspeaks in Abhängigkeit von einer Wellenlänge handeln.
Zweckmäßigerweise kann mittels der Verarbeitungseinrichtung ausgege ben werden, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht. Dazu kann die Verarbeitungseinrich tung beispielsweise ein akustisches und/oder optisches Signal ausgeben, das einen Bediener des Laserlötsystems darauf hinweisen kann, dass eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist. Der Bediener kann einen Betrieb des Laserlötsystems dann gegebenenfalls manuell anhalten und das durch die Verbrennung beschädigte Substrat aussortieren.
Weiter kann ein Betrieb des Laserlötsystems im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbrennung des Substrats angehalten werden. Vorteilhafterweise kann der Betrieb des Laserlötsystems in einem solchen Fall automatisch unterbrochen werden. Durch das Anhal ten des Betriebs des Laserlötsystems ist es möglich, weitere Verbren nungen zu verhindern. Das Lichtsignal kann bedingt durch die Aufschmelzung der Lotkugel und im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbrennung zusätzlich bedingt durch die Verbrennung ausgebildet werden. Dabei kann die Aufschmelzung der Lotkugel einen Beitrag zu dem substratun abhängigen Normalanteil und die Verbrennung einen Beitrag zu dem substratabhängigen Verbrennungsanteil des Spektrums leisten. Dabei kann der durch die Aufschmelzung der Lotkugel bedingte Beitrag insbe sondere auf von der thermisch aufgeheizten Lotkugel abgestrahlte Infra rot- bzw. Wärmestrahlung zurückzuführen sein, während der durch die Verbrennung bedingte Beitrag insbesondere sowohl auf von dem ther misch aufgeheizten Substrat abgestrahlte Infrarot- bzw. Wärmestrahlung als auch auf durch die Verbrennung des Substrats abgestrahltes, mit bloßem Auge sichtbares Licht zurückzuführen sein kann.
Das erfindungsgemäße Laserlötsystem umfasst eine Lotkugelzuführvor- richtung zur Ausgabe einer Lotkugel auf eine lötbare Fläche eines Substrats und eine Laservorrichtung zur zumindest teilweisen Auf schmelzung der Lotkugel, wobei das Laserlötsystem eine Überwachungs vorrichtung zur Überwachung eines Laserlötprozesses umfasst, wobei die Überwachungsvorrichtung eine optische Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines während des Laserlötprozesses ausgebildeten Lichtsig nals und eine Spektroskopeinrichtung zur Zerlegung des Lichtsignals in ein Spektrum des Lichtsignals aufweist, wobei die Überwachungsvor richtung eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, mittels der das Spekt rum analysierbar und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums er kennbar ist, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Laserlötsystems wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Vorteilhafterweise kann die optische Erfassungseinrichtung zumindest eine Sammellinse umfassen. Die Sammellinse kann dann mit dem Licht signal assoziiertes Licht sammeln und an die Spektroskopeinrichtung übergeben. Zweckmäßigerweise kann das Laserlötsystem eine Glasfaseranordnung umfassen, mittels der das Lichtsignal von der optischen Erfassungsein richtung zu der Spektroskopeinrichtung übertragbar sein kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Laserlötsystems kann die Verarbeitungseinrichtung eine Datenbank umfassen, in welcher eine
Vielzahl von verschiedene Materialien oder Materialzusammensetzungen von Substraten spektroskopisch beschreibenden charakteristischen Parametern hinterlegbar ist. Die Verarbeitungseinrichtung kann insbe sondere ein Computer sein, dessen Festplatte die Datenbank ausbilden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Laserlötsystems ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Laserlötsystems;
Fig. 2 eine diagrammatische Darstellung eines Spektrums für zwei verschiedene Laserlötprozesse. Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserlötsystems 10, welches eine Lotkugelzuführvorrichtung 1 1 zur Ausgabe einer Lotkugel 21 auf eine lötbare Fläche 20 eines Substrats 19 und eine hier nicht dargestellte Laservorrichtung zur zumindest teilweisen Aufschmelzung der Lotkugel 21 umfasst. Dabei ist mittels der Laservorrichtung ein Laserstrahl 12 ausbildbar, welcher einerseits auf die Lotkugel 21 einwir kend zu der teilweisen Aufschmelzung der Lotkugel 21 führt und ande rerseits, wie in der Fig. 1 gezeigt, auch unmittelbar auf das Substrat 19 auftreffend eine Verbrennung 22 des Substrats 19 bewirkt. Bedingt durch die Aufschmelzung der Lotkugel 21 und bedingt durch die Verbrennung 22 wird ein Lichtsignal 23 ausgebildet.
Weiter umfasst das Laserlötsystem 10 eine Überwachungsvorrichtung 13 mit einer optischen Erfassungseinrichtung 14 zur Erfassung des Licht signals 23. Weiter umfasst die optische Erfassungseinrichtung 14 eine Sammellinse 17. Über eine Glasfaseranordnung 18 des Laserlötsystems 10 wird das Lichtsignal 23 dann von der optischen Erfassungseinrichtung 14 zu einer Spektroskopeinrichtung 15 der Überwachungsvorrichtung 13 übertragen, mittels der das Lichtsignal 23 in ein hier nicht gezeigtes Spektrum des Lichtsignals 23 zerlegt wird. Darüber hinaus weist die Überwachungsvorrichtung 13 eine Verarbeitungseinrichtung 16 auf, mittels der das Spektrum analysierbar und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums erkennbar ist, ob während eines Laserlötprozesses eine Verbrennung 22 des Substrats 19 aufgetreten ist oder nicht. Ein Betrieb des Laserlötsystems 10 wird im Lalle einer während des Laserlötprozes ses auftretenden Verbrennung 22 des Substrats 19 angehalten, insbeson dere um weitere Verbrennungen 22 zu verhindern.
Die Fig. 2 zeigt ein Spektrum 24 sowie ein Spektrum 25 für zwei ver schiedene Laserlötprozesse. Dabei ist auf einer Abszissenachse 26 eine Wellenlänge in Nanometern und auf einer Ordinatenachse 27 eine Inten sität in einer beliebigen Einheit dargestellt. Das Spektrum 24 bzw. 25 umfasst einen substratunabhängigen Normalanteil 28 bzw. 29, wobei der Normalanteil 28 mit dem Normalanteil 29 im Wesentlichen überein stimmt. Weiter umfasst das Spektrum 24 bzw. 25 einen substratabhängi gen Verbrennungsanteil 30 bzw. 31. Insbesondere ist hier ersichtlich, dass Intensitätsspitzen 32 des Verbrennungsanteils 30, insbesondere bezogen auf eine Lage relativ zu der Abszissenachse 26, deutlich von Intensitätsspitzen 33 des Verbrennungsanteils 31 verschieden sind. Somit rühren die Verbrennungsanteile 30, 31 bzw. die Spektren 24, 25 von verschiedenen Substrattypen bzw. Substraten mit verschiedenen Materia lien oder Materialzusammensetzungen her. Die Lage und eine Höhe der Intensitätsspitzen 32, 33 stellen eine Art spektralen Fingerabdruck dar, anhand dessen ein Material oder eine Materialzusammensetzung eines Substrats bestimmt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung eines Laserlötprozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung ( 13) eines Laserlötsystems ( 10), wobei mittels einer Lotkugelzuführvorrichtung ( 11) des Laserlötsystems ei ne Lotkugel (21) auf eine lötbare Fläche (20) eines Substrats ( 19) ausgegeben wird, wobei die Lotkugel mittels einer Laservorrichtung des Laserlötsystems zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, wobei während des Laserlötprozesses ein Lichtsignal (23) ausgebildet wird, welches mittels einer optischen Erfassungseinrichtung ( 14) der
Überwachungsvorrichtung erfasst wird, wobei mittels einer Spektro skopeinrichtung ( 15) der Überwachungsvorrichtung das Lichtsignal in ein Spektrum (24, 25) des Lichtsignals zerlegt wird, wobei mittels einer Verarbeitungseinrichtung ( 16) der Überwachungsvorrichtung das Spektrum analysiert und anhand einer Beschaffenheit des Spekt rums erkannt wird, ob während des Laserlötprozesses eine Verbren nung (22) des Substrats aufgetreten ist oder nicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Spektrum (24, 25) zumindest einen substratunabhängigen
Normalanteil (28, 29) und im Falle einer während des Laserlötpro zesses auftretenden Verbrennung (22) des Substrats ( 19) ferner einen substratabhängigen Verbrennungsanteil (30, 31) umfasst, wobei mit tels der Verarbeitungsreinrichtung ( 16) zwischen dem substratunab- hängigen Normalanteil und dem substratabhängigen Verbrennungsan teil differenziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass mittels der Verarbeitungseinrichtung (16) anhand eines Vorhan denseins des substratabhängigen Verbrennungsanteils (30, 31) in dem Spektrum (24, 25) erkannt wird, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung (22) des Substrats (19) aufgetreten ist oder nicht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass mittels der Verarbeitungseinrichtung (16) anhand einer Beschaf- fenheit des substratabhängigen Verbrennungsanteils (30, 31) ein Ma terial oder eine Materialzusammensetzung des Substrats (19) be stimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass die Bestimmung mittels eines Vergleichs von charakteristischen
Parametern des substratabhängigen Verbrennungsanteils (30, 31) mit in einer Datenbank der Verarbeitungseinrichtung (16) hinterlegten, eine Vielzahl von verschiedene Materialien oder Materialzusammen setzungen von Substraten spektroskopisch beschreibenden charakte- ristischen Parametern durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass mittels der Verarbeitungseinrichtung (16) ausgegeben wird, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung (22) des Substrats (19) aufgetreten ist oder nicht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass ein Betrieb des Laserlötsystems (10) im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbrennung (22) des Substrats (19) angehalten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass das Lichtsignal (23) bedingt durch die Aufschmelzung der Lot kugel (21) und im Falle einer während des Laserlötprozesses auftre- tenden Verbrennung (22) zusätzlich bedingt durch die Verbrennung ausgebildet wird.
9. Laserlötsystem (10), umfassend eine Lotkugelzuführvorrichtung (11) zur Ausgabe einer Lotkugel (21) auf eine lötbare Fläche (20) eines Substrats (19) und eine Laservorrichtung zur zumindest teilweisen Aufschmelzung der Lotkugel, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass das Laserlötsystem eine Überwachungsvorrichtung (13) zur Überwachung eines Laserlötprozesses umfasst, wobei die Überwa chungsvorrichtung eine optische Erfassungseinrichtung (14) zur Er- fassung eines während des Laserlötprozesses ausgebildeten Lichtsig nals (23) und eine Spektroskopeinrichtung (15) zur Zerlegung des Lichtsignals in ein Spektrum (24, 25) des Lichtsignals aufweist, wo bei die Überwachungsvorrichtung eine Verarbeitungseinrichtung (16) aufweist, mittels der das Spektrum analysierbar und anhand einer Be- schaffenheit des Spektrums erkennbar ist, ob während des Laserlöt prozesses eine Verbrennung (22) des Substrats aufgetreten ist oder nicht.
10. Laserlötsystem nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass die optische Erfassungseinrichtung (14) zumindest eine Sammel linse (17) umfasst.
11. Laserlötsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass das Laserlötsystem (10) eine Glasfaseranordnung (18) umfasst, mittels der das Lichtsignal (23) von der optischen Erfassungseinrich tung (14) zu der Spektroskopeinrichtung (15) übertragbar ist.
12. Laserlötsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch g e k e n n z e ic h n e t, dass die Verarbeitungseinrichtung (16) eine Datenbank umfasst, in welcher eine Vielzahl von verschiedene Materialien oder Materialzu sammensetzungen von Substraten spektroskopisch beschreibenden charakteristischen Parametern hinterlegbar ist.
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