DE19716757A1 - Vorrichtung zur berührungslosen örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von gebündelter Strahlung - Google Patents

Vorrichtung zur berührungslosen örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von gebündelter Strahlung

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DE19716757A1
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light
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Joerg Niemeier
Ralf-Diether Ebel
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NIEMEIER JOERG DIPL ING DIPL I
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Description

In der industriellen Fertigung besteht vielfach der Bedarf, Material (z. B. Werkstücke oder Proben) punktuell zu erwärmen. Beispiele sind Glühen, Hartlöten, Schmelzen, Schrumpfen, Kleben, Trocknen oder Weichlöten von Kunststoffen und Metallen.
Stand der Technik
Ein berührungsloses Verfahren, bei dem die Wärmeenergie auf einen kleinen Bereich begrenzt wird und der Wärmeeintrag ideal geregelt werden kann, ist die Bestrahlung mit Licht (498501: Patentschrift Nr. vom 23.05.1930). Die Strahlungsenergie kann über die Leistung der Lichtquelle, die Strahlungsdauer und die Art der Fokussierung variiert wer­ den. Die Strahlungsenergie wird an der Oberfläche des zu erwärmenden Werkstückes zum Teil reflektiert, zum Teil absorbiert und in Wärme umgewandelt. Daher ist das Ab­ sorptionsverhalten der bestrahlten Werkstücke von entscheidender Bedeutung. Es sollte eine Lichtquelle gewählt werden, deren Wellenlänge in einem Bereich liegt, in dem das Licht sehr gut absorbiert wird.
Aufgrund der guten Strahlqualitäten konnten sich Lasersysteme für eine Vielzahl von Anwendungen etablieren. Jedoch gibt es eine Reihe von Aufgaben (wie z. B. das Einzel­ punktlöten bei der Leiterplattenbestückung), für die sich Lasersysteme im industriellen Einsatz bisher nicht durchsetzen konnten. Die wesentlichen Gründe sind:
  • - Schwierigkeiten bei der Prozeßbeherrschung,
  • - der sicherheitstechnische Aufwand und
  • - die hohen Investitionskosten.
Bei der Verwendung von Infrarotlicht kommen zwei Strahlertypen zum Einsatz: Schwarz­ strahler und Quarz-Hochtemperaturstrahler: Schwarzstrahler, deren Oberfläche aus ge­ schwärzten Metallplatten oder Keramikkörpern besteht, strahlen im Bereich von langwel­ liger IR-Strahlung mit Wellenlängen von 4-10 µm. Sie sind Flächenstrahler. Eine Fokus­ sierung der Strahlung ist nicht möglich, so daß eine Begrenzung der bestrahlten Fläche nur durch zusätzliche Blenden möglich ist.
Bei Quarz-Hochtemperaturstrahlern werden alle von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen mit einem halbelliptischen Reflektor in einem Brennpunkt fokussiert und zur Löt­ stelle geleitet. Das ausgesandte Licht liegt in einem Wellenlängenbereich von 0,5 bis 1,5 µm. 1972 faßt Mayer den stand der Technik zu IR-Strahlern für den industriellen Einsatz beim Löten und Erwärmen zusammen und stellt eindeutig die Wirtschaftlichkeit in Fra­ ge /1/. Mit der steigenden Bedeutung der Elektronikproduktion wurden in den letzten Jah­ ren einige IR-Lichtquellen in Reparaturplätzen für Elektronikbaugruppen vorgestellt. Bei dem Produkt der Firma Royonic wird das Licht mit einem Linsensystem gebündelt, wel­ ches einen beachtlichen Teil der Lichtleistung absorbiert. Aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmedichte wird das System zur langsamen und "schonenden" Aufheizung von Elektronikbauteilen in Verbindung mit einer Unterheizung eingesetzt. Ein weiteres Reparatursystem wurde vom Hahn-Meitner-Institut Berlin entwickelt /2/. Das Licht eines IR-Strahlers wird durch ein Kapillarglasrohr geleitet, welches es ermöglicht, die Handha­ bungsfunktion einer Saugpipette mit der Funktion des Lötwerkzeuges zu kombinieren (DE 196 39 993 A1: Offenlegungsschrift vom 20.3.1997). Auch dieses System arbeitet in Verbindung mit einer Unterheizung. Vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbe­ trieb der Technischen Universität Berlin wurde dieses Gerät in einen Lötkopf mit automa­ tischer Zinnzufuhr integriert. Ohne Unterheizung werden Punkt- und Flächenstrahler von den Firmen MICOR und Panasonic angeboten.
Gerade für das Einzelpunktlöten sind Abwandlungen bekannt, die den Prozeß optimieren oder die Leistung steigern. Eine Anwendung nutzt die Fähigkeit des Lichtes, durch eine Folie hindurch zu löten (DT 21 05 513: Offenlegungsschrift vom 9.11.1972). Eine Lei­ stungssteigerung läßt sich erzielen, wenn das Streulicht durch einen zusätzlichen Ring­ reflektor eingefangen wird. Eine Abschirmung der nicht zu erwärmenden Bereiche kann außer mit festen Blenden auch durch eine flexible Folie erfolgen (DE 37 37 457 A1: Of­ fenlegungsschrift vom 18.5.1989).
Literatur
/1/ Mayer, R: Löten und Erwärmen mit Infrarot-Hellstrahlen. In: Verbindungstechnik 4 (1972)6, S. 27-31.
/2/ Gerloff, U.: Löten mit Licht. In: Innovationen aus Berlin Nr. 40 IV/95, Senatsverwal­ tung für Wirtschaft und Technologie, Berlin.
/3/ Seliger, G.; Niemeier, J.; Meisel, U.; Gerloff, U.: New light soldering system inte­ grates the assembly and soldering of SMD-components. In: Proceedings of 2. Int. Congress Molded Interconnect Devices. Erlangen 1996.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei der Anwendung von Licht zur Erwär­ mung der Reflektor oder die Optik durch Löt- und Flußmitteldämpfe und -spritzer, PVC-Dämpfe oder Lösungsmittel von Klebern oder Lacken verschmutzt und die Wirkung des Systems beeinträchtigt oder gar das System beschädigt. Aufgrund der diffusen Strahlung muß die Austrittsöffnung der Strahlung sehr nahe an die Wirkstelle herangeführt werden, wenn eine ausreichende Leistungsdichte im Fokus erreicht werden soll.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß ein Luftstrom, der die Lampe kühlt, um die Op­ tik herum geleitet wird, zwischen Optik und Bearbeitungsstelle ein Luftpolster erzeugt und Dämpfe und Fremdkörper zur Seite drückt.
Eine Lichtquelle, insbesondere Lampe, erzeugt die erforderliche Wärmestrahlung. Das Licht wird durch einen konkaven Reflektor gebündelt und genau auf die Stelle geleitet, an der die Wärme benötigt wird. Die erforderliche Temperatur entsteht durch Absorption der Wärmestrahlung an der Lötstelle. Bei der Gestaltung des optischen Systems sind neben der Hauptfunktion, die zur Erwärmung erforderliche Strahlung zu erzeugen und zu bün­ deln, auch die Funktionen der Kühlung und der Schutz der Optik zu berücksichtigen.
Durch in den Reflektor integrierte Gasanschlüsse wird ein Gas, im einfachsten Falle Luft, an der Lampe vorbei geführt, so daß der Luftstrom die Lampe kühlt. Anschließend wird der Luftstrom durch Aussparungen im Gehäuse um die Optik herum geleitet. Mit einer Düsenblende wird der Luftstrom gebrochen und dadurch ein gleichmäßiger Luftstrom erzeugt, der vor der Optik ein Lüftpolster aufbaut und in Richtung des zu erwärmenden Materials (Bearbeitungsstelle) abgeleitet wird. Dadurch werden Dämpfe und Fremdkörper wie Löt- und Flußmitteldämpfe und -spritzer, PVC-Dämpfe oder Lösungsmittel von Kle­ bern oder Lacken von der Optik oder von einem zwischen Optik und Bearbeitungsstelle angeordneten bzw. die Optik ersetzenden Schutzglas ferngehalten.
Da der Austrittsquerschnitt der Düse mindestens doppelt so groß ist wie die Summe der Eintrittsquerschnitte der Zuführöffnungen, entsteht keine störende Kühlwirkung an der Bearbeitungsstelle, insbesondere Lötstelle. Vielmehr wird der Erwärmungs-, insbesonde­ re Lötprozeß, durch die Luft, die von der heißen Lampe Wärme aufgenommen hat, un­ terstützt. Im Gegensatz zur Erwärmung mit Heißgas ist der Luftstrom jedoch wesentlich langsamer, so daß unerwünschte Eigenschaften wie z. B. beim Löten das "Wegblasen von Bauteilen" oder eine ungewollt starke Erwärmung der umliegenden Bereiche ausge­ schlossen sind. Weiterhin nimmt die Düse die Funktion einer optischen Blende wahr. Sie hat die Form eines umgestülpten Kegelstumpfes, der nur die Lichtstrahlung durchläßt, die auf die Bearbeitungsstelle gebündelt wird und das Streulicht ausblendet.
Der erforderliche Luftstrom kann durch externe Druckluft oder einen eigenen Lüfter er­ zeugt werden. Bei der Verwendung anderer Gase als Kühl- und Schutzmedium kann ei­ ne zusätzliche Wirkung an der Bearbeitungsstelle erzielt werden. Ein Beispiel ist die Ver­ ringerung der Verzunderung durch Verwendung von Schutzgas beim Löten.
Da das System für den industriellen Einsatz geeignet sein soll, muß ein einfacher und schneller Wechsel der Lampe sowie Reinigen der Optik möglich sein. Bei Verschleiß oder in regelmäßigen Abständen wird der Strahler (Lampe mit Reflektor und Optik) ge­ öffnet, die Lampe gewechselt und die Optik gegen eine zweite Wechseloptik ausge­ tauscht. Die jeweils nicht genutzte Optik wird zur schonenden Reinigung in ein Lösungs­ bad gelegt.
Um einen genauen, möglichst kleinen Brennfleck zu erhalten, muß die Lampe genau im Reflektor justiert werden können. Dazu wird die Lampe in einen Zentrierring gefügt, der genau in die Lampenöffnung des Reflektors paßt. Dadurch wird die Lampe axial zentriert. Zur Stromversorgung ist über dem Reflektor eine handelsübliche Fassung angebracht, in welche die Lampe mit ihren Anschlüssen gesteckt werden kann. Die genaue Positionie­ rung entlang der optischen Achse erfolgt über Abstandshülsen, die auf die Anschlüsse der Lampe gesteckt werden. Die Abstandshülsen werden einmal für jede Anlage ange­ paßt, um Fertigungstoleranzen im Strahleraufbau auszugleichen. Beim Lampenwechsel können die Abstandshülsen wiederverwendet werden.
Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt die Details des Strahlers: In einem Gehäuse (G) wird der Reflektor (R) ange­ ordnet. Der Reflektor (R) hat mehrere Anschlüsse für Luftzufuhr (LZ). Die Befestigung des Reflektors erfolgt über einen Leitring (LR). Der Leitring (LR) hat gemäß Fig. 3 auf seiner Oberseite mehrere Aussparungen (AL) mit entsprechenden Bohrungen (B), um den Luftstrom um die Optik (O) herum zu leiten. Die Optik (O) liegt in einer entsprechen­ den Aussparung (AO) des Leitringes (LR). Darüber hinaus sind Aussparungen am obe­ ren Rand der Düse (D) vorgesehen, die den Aussparungen am Leitring (LR) entspre­ chen. Die Düse (D) hat eine Trichterform, um die Streustrahlung auszublenden. Die Düse (D) wird im Gehäuse (G) durch eine lösbare Verbindung gehalten, z. B. Schraubverbin­ dung oder Schnappverbindung mit Federklemmen. Durch den Reflektor (R) und die Optik (O) ist ein Hohlraum gebildet, in welchem ein Luftstrom (LS) Bestandteile der Lampe kühlt. Die Luftströme (LS) nehmen an der Düsenaustrittsöffnung Partikel und Dämpfe mit, die von der Bearbeitungsstelle (BS) emittiert werden.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung zur Positionierung der Lampe (L): Der Lampenkörper wird in einem Zentrierring (ZR) gehalten. Der Zentrierring (ZR) paßt genau in die Lampenöff­ nung des Reflektors (R) und positioniert die Lampe radial. Die Positionierung längs der optischen Achse erfolgt über Abstandshülsen (AH), die auf die Anschlüsse des Lampe gesteckt werden. Da die Fixierung der Lampe über Zentrierring und Abstandshülsen er­ folgt, muß die Lampenfassung (LF) quer zur optischen Achse nachgiebig sein.
Anwendungsbeispiel
Nicht alle Lötverbindungen lassen sich mit den herkömmlichen Massenlötverfahren her­ stellen. Besonders bei größeren oder exotischen Bauteilen gibt es häufig Probleme we­ gen ungünstiger Temperaturverteilung. Mit dem Ziel, kostengünstig einzelne hochwertige Lötverbindungen zu erzeugen, wurde ein Lichtlötsystem entwickelt. Das Verfahren kann sowohl zum Reflowlöten mit Lotpaste, als auch zum Löten mit Lotdraht verwendet wer­ den. Die Strahlquelle, insbesondere Lampe, ist im Brennpunkt eines halbelliptischen Re­ flektors angeordnet, so daß die Strahlen auf einem Punkt fokussiert werden. Die offene Seite des Reflektors ist mit einer Optik abgedichtet. Die einfachste Form einer Optik ist eine plane Schutzscheibe. An das Gehäuse ist die Positioniereinrichtung der Lotdraht­ zuführeinheit montiert. Die Temperaturmessung an der Lötstelle erfolgt berührungslos mit einem IR-Detektor/Pyrometer (P). Die aufgenommen Werte werden von der Steue­ rung in Steuersignale für Lampe und Lotdrahtzuführeinheit umgesetzt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur berührungslosen örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von gebündelter Strahlung, insbesondere Licht, zu dessen Bündelung ein konkaver Reflektor (R) und eine Optik (O) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (LZ, R, O, LR, D) zur Führung eines Gasstroms vorgesehen sind, der zur Küh­ lung von Bestandteilen der Lichtquelle (L) dient, und die den von der Lichtquelle er­ wärmten Gasstrom so führen, daß er im Betrieb Partikel oder Dämpfe von der Optik oder von einem Schutzglas wegführt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zu kühlende Bestand­ teile in einem Hohlraum (H) angeordnet sind, der wenigstens eine Zuführöffnung (LZ) sowie wenigstens eine Abführöffnung (AL) für das Gas aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abführöffnung (AL) am Rand der Optik (O) oder einer Schutzscheibe (S) für den Reflektor (R) befin­ det.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als Düse (D) für den Gasstrom enden, die zugleich Austrittsöffnung für das gebündelte Licht ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als Düse (D) für den Gasstrom enden und Streulicht ausblenden, daß nicht zur Erwärmung im vorbestimmten, örtlich begrenzten Bereich vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (D) durch eine lösbare Verbindung mit einem Gehäuse (G) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (O) und/oder das Schutzglas eine das sichtbare Licht herausfilternde Wirkung aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (L) über einen Zentrierring (ZR) und zwei Abstandshülsen (AH) im Reflektor (R) positioniert ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einzelpunktlöten mit Lotdraht ein automatische Lotdrahtzuführung integriert ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Wärmedetektor (P) aufweist, mit dem die Temperatur an dem örtlich begrenzten zu erwärmenden Bereich des Materials ermittelt werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Austrittsquerschnitt der Düse (D) mindestens doppelt so groß ist wie die Summe aller Eintrittsquerschnitte der Zutrittsöffnungen (LZ).
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (O) bzw. das Schutzglas ohne Demontage des Reflektors (R) aus­ wechselbar ist.
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