DE3925916A1 - Lichtstrahlbetriebene heizeinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft lichtstrahlbetriebene bzw. lichtstrahlbetätigte Heizeinrichtungen bzw. Heizmaschinen und insbesondere eine lichtstrahlbetriebene Heizeinrichtung, in der die Strahlungswärme eines Lichtstrahles verwendet wird, um Lot- bzw. Lötmittel zu schmelzen, um hierdurch ein Werkstück, wie z.B. ein elektronisches Bauteil, zu löten.

Beispiele der vorerwähnten Einrichtungen bzw. Maschinen sind Heizeinrichtungen, wie sie z.B. in den japanischen Gebrauchsmusteranmeldungen und -Veröffentlichungen 3 269/1987 und 1 13 866/1987 dargestellt sind. Ein Beispiel einer derartigen Anordnung von Heizeinrichtungen ist in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 7 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Lichtbogenlampe, die eine punktförmige Lichtquelle 2 besitzt. Die Lichtbogenlampe ist so angeordnet, daß ihre punktförmige Lichtquelle 2 an oder nahe dem ersten Brennpunkt eines elliptischen Spiegels 3 angeordnet ist. Die Lichtbogenlampe 1 besitzt eine Anode 4 und eine Kathode 5, zwischen denen eine Betriebsspannung durch eine Lampenspannungsquelle (nicht gezeigt) angelegt ist, um die punktförmige Lichtquelle 2 anzuregen. Die Heißlichtquellenlampe oder Lichtbogenlampe ist z.B. eine Xenonlampe vom Typ mit kurzem Lichtbogen.

Ein thermischer oder Wärmelichtstrahl, der von der punktförmigen Lichtquelle 2 emittiert wird, wird durch den elliptischen Spiegel 3 reflektiert. Der so reflektierte Lichtstrahl wird weiter durch einen ersten Planspiegel 6 reflektiert und anschließend durch einen zweiten Planspiegel 7 reflektiert. Der Winkel des ersten Planspiegels 6 und die Position des zweiten Spiegels 7 können präzise eingestellt werden. Z. B. kann die Lage des zweiten Planspiegels 7 in horizontaler Richtung genau durch eine Einstellvorrichtung 8 eingestellt werden. Eine zylindrische Linse bzw. Optik 9 ist in dem Pfad des Lichtstrahles angeordnet, der von dem zweiten Planspiegel 7 reflektiert wird. Die Linse 9 wird unter einem bestimmten Winkel gehalten und ihre Lage in horizontaler Richtung kann exakt durch eine Einstellvorrichtung 10 eingestellt werden.

Eine Lichtbegrenzungsplatte 11 ist in dem Pfad des Lichtstrahles angeordnet, der von dem zweiten Planspiegel 7 reflektiert wird, und zwar an der Lichteinfallseite der zylindrischen Linse 9. Jede Lichtbegrenzungsplatte 11 besteht aus zwei Platten, die entlang der Längsrichtung der zylindrischen Linse 9 angeordnet sind. Der Abstand zwischen den beiden Platten wird durch eine Abstandseinstellvorrichtung 12 gesteuert, um so die Breite des Lichtstrahles zu verändern, der auf die zylindrische Linse 9 auftrifft. Ein optisches System mit dem vorbeschriebenen ersten Planspiegel 6, zweiten Planspiegel 7, Einstellvorrichtungen 8 und 10, einer zylindrischen Linse 9 und einer Lichtbegrenzungsplatte 11 ist in jedem der vier Quadranten angeordnet, die die Mittelachse des elliptischen Spiegels 3 umgeben. Nur zwei solcher optischen Systeme sind in der Querschnittsdarstellung nach Fig. 7 gezeigt.

In der so aufgebauten Heizeinrichtung bildet der thermische oder Wärmelichtstrahl, der radial von der Punktlichtquelle 2 abgestrahlt und durch den elliptischen Spiegel 3 reflektiert wird, einen bestimmten Lichtkonzentrationspfad (a) und er wird in vier Richtungen durch die vier ersten Planspiegel 6, angeordnet in der Form einer quadratischen Pyramide, reflektiert, so daß vier optische Pfade (b) gebildet werden. Die Lichtstrahlen in den optischen Pfaden (b) werden durch die zweiten Planspiegel 7 reflektiert, um optische Pfade (c) zu bilden, die so auf die zylindrischen Linsen 9 auftreffen. Jede der Lichtstrahlen wird durch die jeweilige zylindrische Linse 9 in einer jeweiligen Brennpunktlinie des Lichtes 14 gesammelt, auch bezeichnet als linearer Spot 14. Die vier linearen Lichtspots 14 werden auf eine gedruckte Leiterplatte 13 fokussiert. Die linearen Lichtspots werden nahe der Leitungsdrähte der elektronischen Elemente 15, die die Werkstücke bilden, angewandt. Da die Abschnitte der gedruckten Leiterplatten, die durch die Lichtspots bestrahlt werden sollen, vorher mit Lot bzw. Lotmaterial beschichtet worden sind, wird das Lot durch die Strahlungswärme der Lichtspots 14 geschmolzen, wodurch die Leitungsdrähte an der gedruckten Leiterplatte 13 verlötet werden.

Bei der lichtstrahlbetätigten Heizeinrichtung der vorerwähnten Art wird der einzelne Lichtstrahl, der durch die Konzentration des Ausgangslichtstrahles der Lichtpunktquelle 1 durch den elliptischen Spiegel 3 erhalten wird, in vier Lichtstrahlen mit den vier ersten Planspiegeln 4 in einer Ebene, rechtwinklig zu der optischen Achse des einzelnen Lichtstrahles unterteilt und die vier Lichtstrahlen, die so gebildet sind, werden auf die zylindrischen Linsen 9 durch die zweiten Planspiegel 7 gegeben.

Fig. 8 zeigt eine Vorderansicht (Teil A) des herkömmlichen optischen Lichtsammel- oder Konzentrationssystemes, eine Seitenansicht (Teil B) des Systems und ein Diagramm (Teil C) der Lichtenergieverteilungsintensität in Längsrichtung des linearen Lichtspots (Lichtlinien) 14. Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung des Lichtstrahles stromauf der Linse 9 nach dem Schnitt A-A in Fig. 8. Die Linie B-B in Fig. 9 repräsentiert die Längsrichtung des linearen Lichtspots. Bei Konzentration bzw. Sammlung durch die Linse 9 zu einer einzigen Linie auf der gedruckten Leiterplatte 13 variiert die Intensität, wie in Teil C von Fig. 8 gezeigt. Tatsächlich ist die Intensität in der Mitte der fokussierten Lichtlinie übermäßig unterschiedlich von derjenigen an den Enden der Lichtlinie 14.

Es ist demzufolge ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorerläuterten Schwierigkeiten in Verbindung mit herkömmlichen lichtstrahlbetriebenen Heizeinrichtungen oder -Maschinen zu beseitigen. Insbesondere besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine lichtstrahlbetriebene Heizeinrichtung zu schaffen, bei der die Lichtenergieunterschiede des Lichtstrahles in Längsrichtung des linearen Lichtspots minimiert sind, wodurch die Energieverteilung in einem Maße vergleichmäßigt werden kann, wie dies für eine praktische Verwendung vorteilhaft ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer lichtstrahlbetriebenen Heizeinrichtung nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß dann, wenn zumindest ein Lichtstrahl, der in seiner Intensitätsverteilung in einer Richtung in einer Ebene rechtwinklig zu seiner optischen Achse ungleichmäßig ist, in eine Richtung, rechtwinklig zu der erstgenannten Richtung konzentiert wird, um einen linearen Lichtspot zu bilden, der Lichtstrahl in der einen, erstgenannten Richtung durch eine Streueinrichtung diffus gestreut wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines lichtkonzentrierenden, optischen Systems zeigt, bei dem das technische Konzept der vor­ liegenden Erfindung angewandt ist. Insbesondere sind die Teile (A) und (B) von Fig. 1 eine Vor­ deransicht und eine Seitenansicht des das Licht zusammenfassenden bzw. konzentrierenden opti­ schen Systems und der Teil (C) von Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Energieverteilung in Längsrichtung eines linearen Lichtspots zeigt,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung, die ein opti­ sches Element zeigt, das in einem das Licht kon­ zentrierenden optischen System nach der vorlie­ genden Erfindung angewandt wird,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung, die eine Modi­ fikation des optischen Elementes nach Fig. 2 für die Anwendung im Rahmen der vorliegenden Erfin­ dung zeigt,

Fig. 4, 5 und 6 Anordnungen von anderen Beispielen nicht konzentrierender optischer Systeme, an denen das technische Konzept der vorliegenden Erfindung angewandt ist. Im einzelnen zeigen die Teile (A) von Fig. 4, 5 und 6 Seitenan­ sichten des lichtkonzentrierenden optischen Systems und die Teile (B) von Fig. 4, 5 und 6 sind Diagramme, die die jeweiligen Energie­ verteilungen in Längsrichtung des jeweiligen linearen Lichtspots zeigen,

Fig. 7 die Anordnung einer herkömmlichen lichtstrahl­ betätigten Heizeinrichtung,

Fig. 8 die Anordnung eines herkömmlichen lichtkonzen­ trierenden optischen Systems. Im einzelnen sind die Teile (A) und (B) von Fig. 8 eine Vorderan­ sicht und eine Seitenansicht des herkömmlichen lichtkonzentrierenden optischen Systems und der Teil (C) von Fig. 8 ist ein Diagramm, welches eine Energieverteilung in Längsrichtung des linearen Lichtspots zeigt,

Fig. 9 eine Seitenansicht eines Lichtstrahles, der in seiner Intensitätsverteilung ungleichmäßig ist, in einer Richtung in einer Ebene rechtwinklig zur optischen Achse.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Das technische Konzept der Erfindung wird auf eine lichtstrahlbetätigte Heizeinrichtung angewandt, von der Art, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Ihr spezielles, erfindungsgemäßes Merkmal besteht in einem lichtkonzentrierenden optischen System, durch das ein Lichtstrahl, der in einer Richtung in einer Ebene, die rechtwinklig zur optischen Achse 0 verläuft, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, in seiner Intensitätsverteilung ungleichmäßig ist, als ein linearer Lichtspot 14 auf eine gedruckte Leiterplatte 13 angewandt wird.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein optisches Element zur Bildung bzw. als Teil des lichtkonzentrierenden optischen Systems, wie es in den Teilen (A) und (B) von Fig 1 und 2 gezeigt ist, auf: einen zylindrischen Linsenabschnitt 21, der eine in eine Richtung wirksame Lichtkonzentrationseinrichtung bildet, um einen einfallenden Lichtstrahl in einen linearen Lichtspot 14′ zu konzentrieren, und einen Ausnehmungsabschnitt 22 mit einer bogenförmigen Oberfläche von bestimmtem Radius, die in der dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche ausgebildet ist derart, daß der bogenförmige Abschnitt einen konstanten Radius in Längsrichtung des zylindrischen Linsenabschnittes 21 aufweist. In dem optischen Element 20 ist der ausgenommene Abschnitt 22 eine Streu- oder Diffusionseinrichtung zum Streuen des einfallenden Lichtstrahles in Längsrichtung des zylindrischen Linsenabschnittes 21, d.h. in der Richtung (B-B in Fig. 9), in der der einfallende Lichtstrahl in seiner Intensitätsverteilung ungleichmäßig ist. Somit ist das optische Element 20 nicht nur als in einer Richtung wirksame Lichtkonzentrationseinrichtung zum Konzentrieren des einfallenden Lichtstrahles zu einem linearen Lichtspot 14 wirksam, sondern auch als Diffusionseinrichtung zum Streuen des einfallenden Lichtstrahles in einer Richtung rechtwinklig zu der Lichtkonzentrationsrichtung.

Mit dem optischen Element 20 wird der einfallende Lichtstrahl in einen linearen Lichtspot oder eine fokussierte Lichtlinie konzentriert, während er zugleich in einer Richtung rechtwinklig zu der Lichtkonzentrationsrichtung gestreut wird, wodurch die Differenz in der Lichtenergieintensität des Lichtstrahles zwischen dem Mittelabschnitt und dem Endabschnitt des linearen Lichtspots 14′ minimiert ist und die Energieverteilung eher nahezu gleichmäßig in dem Maße ist, daß sie praktisch verwendbar ist. Der einfallende Lichtstrahl wird in Längsrichtung des optischen Elementes 20 nach der Erfindung gestreut. Daher wird die Länge der langen Seite des linearen Lichtspots, die z.B. im Bereich von 28 mm im Stand der Technik liegt, auf ungefähr 35 mm bei der Erfindung erhöht. Entsprechend wird der Bereich bzw. die Fläche, die erhitzt und gelötet werden kann, erhöht. Somit kann sogar ein elektronisches Bauteil, das eine Anzahl von Anschlüssen in einer Linie aufweist, wie z.B. ein großer flacher Paket-IC, durch einen Strahlungs-Heizvorgang verlötet werden.

In dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Ausnehmungsabschnitt 22 oder die Diffusionseinrichtung integral einstückig mit dem zylindrischen Linsenabschnitt 21. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann eine Diffusionslinse 24 mit einer Ausnehmung 22 und einer zylindrischen Linse 21 auch jeweils separat voneinander ausgebildet sein. Wenn in diesem Fall die Diffusionslinse 24 so gestaltet ist, daß sie in Richtung ihrer optischen Achse in bezug auf die zylindrische Linse 21 bewegbar ist, dann kann der zusammengesetzte Brennpunkt mit der zylinderischen Linse 21 leicht eingestellt werden. In dem oben erläuterten Ausführungsbeisiel ist die Diffusionseinrichtung ein Ausnehmungsabschnitt 22 mit einer Bogenfläche, die in einer Richtung konstant ist, die Oberflächenkonfiguration des Ausnehmungsabschnittes 22 ist jedoch nicht hierauf oder hierdurch beschränkt. Das heißt, es kann ein Ausnehmungsabschnitt 22 A, der, wie in dem Teil (A) von Fig. 4 dargestellt ist, Bogenflächen aufweisen, die in einer Richtung nicht glatt miteinander verbunden sind oder ineinander übergehen oder ein Ausnehmungsabschnitt (B), der, wie in Fig. 5 Teil (A) gezeigt ist, hat flache Oberflächen, die nicht glatt miteinander in einer Richtung verbunden sind bzw. ineinander übergehen oder es kann ein Ausnehmungsabschnitt 22 C gewählt werden, der, wie als Teil (A) in Fig. 6 gezeigt ist, eine parabolische Oberfläche besitzt. Im einzelnen hat der Ausnehmungsabschnitt 22 A, wie er in dem Teil (A) von Fig. 4 gezeigt ist, Bogenflächen von gleichem Radius, die aber nicht glatt in einer Ebene P rechtwinklig zur Längsachse des optischen Elementes 20 A, die die optische Achse 0 enthält, verbunden sind und die symmetrisch zu einer Ebene P sind. Der Ausnehmungsabschnitt 22 B, wie er als Teil (A) von Fig. 5 dargestellt ist, besitzt flache Oberflächen, die nicht in der Ebene P glatt ineinander übergehend miteinander verbunden sind und die in bezug auf die optische Achse 0 unter dem gleichen Winkel geneigt sind und die symmetrisch in bezug auf die Ebene P verlaufen. Im Falle des Teiles (A) nach Fig. 6 ist die Oberfläche des Ausnehmungsabschnittes 22 C glatt in der Ebene P verbunden bzw. ineinander übergeführt. Mit diesen optischen Elementen können Energieverteilungen in Längsrichtung jeweils der linearen zugehörigen Lichtspots erreicht werden, wie sie in den Teilen (B) nach den Fig. 4, 5 und 6 jeweils dargestellt sind.

In dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist der einzelne Lichtstrahl von einer Lichtquelle in vier Lichtstrahlen in einer Ebene unterteilt, die rechtwinklig zur optischen Achse des einzelnen Lichtstrahles verläuft und die vier so gebildeten Lichtstrahlen werden verwendet, um vier lineare Lichtspots zu bilden, d.h. vier optische Systeme sind gebildet.

Die Anzahl solcher optischen Systeme ist jedoch nicht nur auf vier begrenzt. Das heißt, das technische Konzept der Erfindung ist auch auf eine Vielzahl solcher optischen Systeme anwendbar, deren Anzahl der Anzahl von Teilen oder Abschnitten entspricht, die durch Erwärmung oder Erhitzung in einem Verarbeitungsschritt behandelt werden sollen und ist ebenfalls auf ein einziges optisches System anwendbar.

Bei der lichtstrahlbetriebenen Heizeinrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird, wenn zumindest ein Lichtstrahl, der in seiner Intensitätsverteilung in einer Richtung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse ungleichmäßig ist, in einer Richtung rechtwinklig zu der einen, erstgenannten Richtung konzentriert, um einen linearen Lichtspot zu bilden, und der Lichtstrahl wird in der einen, erstgenannten Richtung durch die Diffusionseinrichtung gestreut. Im Ergebnis ist die Differenz in der Energieintensität bezüglich der Lichtstärke des Lichtstrahles in Längsrichtung des linaren Lichtspots minimiert und entsprechend ist die Energieverteilung in einem Maße vergleichmäßigt, wie es über den wesentlichen Gebrauch praktisch ist und außerdem wird die lange Seite des linearen Lichtspots in ihrer Länge vergrößert, so daß die Fläche, die einer Strahlungserwärmung in einem Bestrahlungsvorgang unterzogen werden kann, zunimmt.

Die Erfindung betrifft eine lichtstrahlbetriebene Heizeinrichtung oder Heizmaschine zur Konzentration von Licht zu einer fokussierten Lichtlinie zum Löten oder dgl. Die Einrichtung bildet mehrere Strahlen aus einer einzigen Quelle, wobei jeder Strahl eine ungleichmäßige Intensität entlang einer ersten Achse aufweist, die in einer Ebene rechtwinklig zur optischen Achse der Einrichtung verläuft. Der Strahl wird durch eine Sammel- oder Konzentrationslinse entlang einer zweiten Achse in der gleichen Ebene wie und rechtwinklig zu der ersten Achse konzentriert, um hierdurch eine Lichtlinie zu bilden, die eine ungleichmäßige Intensität entlang der Linie aufweist. Eine Streu- oder Diffusionseinrichtung ist angeordnet, um den Strahl aufzufangen und den Lichtstrahl entlang der ersten Achse zu streuen, um hierdurch die Ungleichmäßigkeit der Lichtintensität zu vermindern.

Claims (5)

1. Lichtstrahlbetriebene Heizeinrichtung der Art, bei der zumindest ein Lichtstrahl, der in seiner Intensität entlang einer Achse in einer Ebene rechtwinklig zur optischen Achse der Einrichtung ungleichmäßig ist, entlang einer zweiten Achse rechtwinklig zu und in der gleichen Ebenen wie die erste Achse durch eine Konzentrationslinse bzw. Sammellinse konzentriert wird, um eine Lichtlinie zu bilden, die auf ein Werkstück fokussiert wird, wobei die Lichtlinie eine Längsachse besitzt, die sich entlang der einen Achse erstreckt und eine Breite aufweist, die sich entlang der zweiten Achse erstreckt, gekennzeichnet durch:
eine Lichtdiffusionseinrichtung (22, 22 A, 22 B, 22 C), angeordnet im Pfad des Lichtstrahles zur Streuung des Lichtstrahles entlang der einen Achse, um die Ungleichmäßigkeit der Intensitätsverteilung zu vermindern.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdiffusionseinrichtung (22, 22 A bis 22 C) stromauf der Konzentrations- oder Sammellinse (21) in bezug auf den Lichtstrahl angeordnet ist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdiffusionseinrichtung (22) eine Diffusionslinse (22) ist, die eine Oberfläche besitzt, die zumindest im wesentlichen konkav im Querschnitt entlang der einen Achse ist und im wesentlichen flach im Querschnitt entlang der zweiten Achse ist.

4. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionseinrichtung (22) und die Konzentrationslinse (21) als eine integrale Streu-/Sammellinse in orthogonaler Achsenanordnung ausgebildet ist.

5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung von der Art ist, die vier derartiger Lichtstrahlen aufweist, die in ihrer Intensität entlang jeweils einer Achse in einer Ebene rechtwinklig zu der optischen Achse der Einrichtung ungleichmäßig sind, und entlang jeweils zweiter Achsen rechtwinklig zu und in der gleichen Ebene Wie die ersten Achsen durch vier jeweilige Sammel- oder Konzentrationslinsen konzentriert sind, um vier Lichtlinien zu bilden, die auf jeweilige Werkstücke fokussiert sind, wobei jede Lichtlinie eine Längsachse aufweist, die sich entlang der jeweiligen einen Achse erstreckt und eine Breite besitzt, die entlang einer jeweiligen zweiten Achse sich erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß vier Diffusionseinrichtungen jeweils in den Pfaden der Lichtstrahlen angeordnet sind, um die Strahlen entlang der jeweiligen einen Achse zu streuen und die Ungleichmäßigkeit der Intensitätsverteilung zu vermindern.