• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1987005243A1
    申请号:PCT/EP1987/000122
    申请日:1987-02-28
    公开日:1987-09-11
    发明作者:Werner MÖLLER
    申请人:Messerschmitt-Bölkow-Blohm Gmbh；
    IPC主号:B23K26-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Vorrichtung zum Mi roloten
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mikroloten, bei dem mit Hilfe eines Laserstrahles auf einem Werkstück eine Lötstelle und das darauf aufgebrachte Lot erhitzt werden, und eine Vorrichtung zu dessen Durch¬ führung.
    [0003] Das bekannte und verbreitete Laserschweißverfahren zeichnet sich durch berührungslose bzw. druckfreie, thermisch eng lokalisierte, dimensions¬ mäßig exakte und sehr feinstrukturierte, leicht automatisierbare Ar¬ beitsweise aus und gewinnt daher in der Feinwerktechnik, Mikromechanik und Mikrotechnik zusehends an Bedeutung.
    [0004] Dagegen ist das Mikroloten mit dem Laser bisher wenig gebräuchlich. Das Laser-Mikrolöten mit Metall- oder Glasloten würde aber überall, wo stoffkundlich verschiedenartige Kleinteile miteinander thermisch schonend verlötet werden müssen, viele konstruktive Probleme lösen. Als Anwendungsgebiete kommen z.B. das druckfreie Kontaktieren und Fügen von thermisch wie mechanisch hochempfindlichen Mikromechanik-Sensoren, das Verbinden von Glasfaserlichtleitern oder von Verbundstoffele enten aus Glas, Keramik und Metall wie Schwingquarze, Piezoelemente, Fotodioden, Optokoppler, Mini-Elkos, Lumineszenzdioden, Mikromagnete, Ringbandkerne mit amorphen Metallen u. dgl. in Frage.
    [0005] Trotz des vielseitigen und anspruchsvollen Bedarfs werden zum Mikroloten erst in jüngster Zeit CC -Lötlaser angeboten. COg-Laser lassen sich aber nicht fein genug fokussieren und reflektieren auf Metallen stärker als beispielsweise kürzerwellige FestkörperYAG-Laser. Die extrem starken Absorptionsunterschiede bei C02-Lasern - z.B. ca. 951 bei Kunststoff¬ substraten und ca. 5% bei Metallen wie Gold - führen zu entsprechend extremen Temperaturunterschieden an den Materialgrenzen und damit zu überhitzungen, Blasen- und Rißbildungen und Verspannungen. Aber auch das Mikroloten mittels Festkörperlasern führte nicht zu einem Einsatz in der Serienfertigung, obwohl über Energiesteuerung versucht wurde, das genannte Problem zu lösen. Für eine einwandfreie Verlötung ist aber eine eng tolerierte Temperatur eine entscheidende Voraussetzung. Eine berührungslose Online-Te peraturkontrolle und -Steuerung mit IR-Detektor bietet sich an, ist aber wegen der unterschiedlichen IR-Strahlung/Emis- sivität der verschiedenartigen Materialien schwierig.
    [0006] Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Mikroloten zu schaffen, bei dem die Temperatur der Lötstelle unabhängig vom Absorptionsvermögen der zu verbindenden Materialien sehr genau tolerierbar, zur computer¬ gesteuerten Fertigung einsetzbar und weitgehend mit bewährten Geräte- Komponenten und Materialien durchführbar ist.
    [0007] Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Wär eabstrahlung des erhitzten Lotes mit einem Infrarotdetektors gemessen und aus dem Meßsignal mit Hilfe einer elektronischen Einrichtung die beim Erreichen des Schmelzpunktes des Lotes entstehende Unstetigkeit ermittelt wird und daß nach Erreichen des derart ermittelten Schmelzpunktes der Erhitzungs¬ vorgang für die Lötstelle abgebrochen wird.
    [0008] Da dieser für jede Legierung infolge der Schmelzwärme sehr genau bestimmte Punkt die Verflüssigung bzw. Erstarrung des Lotes kennzeich¬ net, kann er als Einsatzpunkt für die weiterfolgenden Maßnahmen verwen¬ det werden. Sobald das Lot vollständig geschmolzen und die Lötung been¬ det ist, steigt der Temperaturgradient bzw. das IR-Signal wieder steil an.
    [0009] Zweckmäßig kann der Abbruch des Erhitzungsvorganges auch nach einer einstellbaren Verzögerungszeit erfolgen, so daß das Lot über den Schmelzpunkt hinaus definierbar weiter erhitzt wird.
    [0010] Vorteilhaft wird der Abbruch des Erhitzungsvorganges durch Weiterbewegen des Werkstückes bewirkt. Das hat den Vorteil, daß der Laser selbst mit konstanter Leistung bzw. Pulsfrequenz betrieben werden kann. Da das Werkstück ohnehin relativ zum Laserstrahl bewegbar sein muß und deshalb auf einem xy-Tisch montiert ist, kann dessen Antrieb direkt von der Elektronik, die den Schmelzpunkt detektiert und ein ggf. verzögertes Signal bei dessen Erreichen liefert, angesteuert werden. Hierbei wirkt sich vorteilhaft aus, daß die in der Mikroelektronik verwendeten AL203-Substrate das 1,06 μm Licht des Nd-YAG-Laser kaum absorbie¬ ren und daher auch nicht erhitzt werden. Die Richtung der Weiterbewegung ist vom Werkstück bzw. von der Programmierung der Lötbahn bestimmt.
    [0011] Somit ergibt sich ein Regelkreis, bei dem der für den Prozeß entschei¬ dende Schmelzpunkt des Lotes die Steuerung des ganzen Vorganges über¬ nimmt. Die Lötstelle wird sooft mit dem Laserstrahl gepulst bzw. solange erhitzt, bis die erforderliche Temperatur erreicht ist. Durch die Wei¬ terbewegung des Werkstückes bei erreichter Temperatur ergibt sich eine besonders einfache Regelung, da der Laser selbst nicht beeinflußt werden muß. Das Niveau der Laserleistung wird vorher für den Werkstoff einge¬ stellt und die jeweilige Schmelzbzw. Löttemperatur, die auch vom Flu߬ mittel sowie der Lotmenge, Schichtdicke und Lotpadform abhängt, über die jeweilige Expositionszeit erreicht. Über- und Untertemperaturen werden zuverlässig vermieden, so daß eine echte Lötung erreicht wird. Die Genauigkeit der Temperatureinstellung erhöht sich mit dem Laserstrahl¬ durchmesser und ist umgekehrt proportional zur Strahlungsenergiedichte und Arbeitsgeschwindigkeit, was ein weitgehendes Eingehen auf spezifi¬ sche Bedürfnisse des Werkstückes ermöglicht. Eine genauere Temperatur- einstelleung erreicht man auch durch eine Vorwärmung ( - 30 βC) und Mattbeizung der Lötstellen bzw. Kontaktmaterialien.
    [0012] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeich¬ nung ein Ausführungsbeispiel erörtert wird. Es zeigen:
    [0013] Fig. 1 eine schematische Darstellung der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Anlage,
    [0014] Fig. 2 eine Meßkurve mit dem Temperaturverhalten eines erhitzten Lots, Fig. 3 die Wärmeaufnahme des Lots in Abhängigkeit von der Temperatur.
    [0015] Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Anlage. Dabei befindet sich das zu bearbeitende Werkstück W auf einem xy-Koordinatentisch K, der in bekannter Weise mittels einer Koordinaten-Streckensteuerung KS in der Werkstückebene bewegbar ist. Die Koordinatensteuerung KS hat eine Rechnerschnittstelle RS und einen Programmspeicher PA und kann ihrer¬ seits bezüglich der anzusteuernden Koordinaten über eine Programmeingabe PE programmiert werden.
    [0016] Darüber ist ein Dauerstrich-YAG-Laser L angeordnet, der den Laserstrahl LS liefert. Dieser Laser wird von einem Versorgungsgerät VG, das den Taktgeber und die Pulsdauerregelung für den Laser L enthält, gesteuert. Es enthält zudem zweckmäßig noch eine Einrichtung zur Leistungsmessung für den Laser L.
    [0017] Neben dem Laser L befindet sich ein Infrarot-Meßkopf M, dessen Meßstrahlengang MS auf die Lötstelle auf dem Werkstück W ausgerichtet ist. Dieser mißt die von der Lötstelle ausgehende Wärmestrahlung und erzeugt im Verstärker IV ein entsprechendes digitales Signal für die Oberflächentemperatur der Lötstelle, das an einen Mikroprozessor MIR weitergegeben wird. Zur Überwachung enthält der Verstärker IV zweckmäßig eine Digitalanzeige für die Lötstellente peratur. Die spektrale Empfindlichkeit des IR-Detektors wird dem Meßtemperaturbereich angepaßt.
    [0018] Der Mikroprozessor MIR enthält die Meßwertinterpretations- und die Regelungssoftware, die aus dem vom Verstärker IV gelieferten Temperatur¬ verlauf den Schmelzpunkt des Lotes an der Lötstelle ermittelt. Bei Detektion des entsprechenden Zustandes erfolgt die Pulsgabe an die Koordinaten-Streckensteuerung KS über deren Rechnerschnittstelle RS. Die Koordinaten-Streckensteuerung KS liefert ihrerseits nach vollzogener Werkstückbewegung ein Signal zurück an den Mikroprozessor MIR. Ferner hat der Mikroprozessor MIR eine Verbindung zum Versorgungsgerät VG für den Laser L, über die der Laser L zum Beispiel während eines längeren Streckenvorschubes abgeschaltet werden kann.
    [0019] Figur 2 zeigt eine Meßkurve mit dem IR-Emissionsverhalten in Abhängig¬ keit von der Temperatur bei einem erhitzten Lots aus Sn/PB-Legierung und Figur 3 die Wärmeaufnahme des Lots in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Kurve nach Fig. 2 wurde mit einem IR-Spektralpyro eter beim Aufheizen und Abkühlen gemessen. Bei konstanter Wärmezufuhr erhöht sich die Emission, bis beim Erreichen des Schmelzpunktes eine Verflachung eintritt. An der Stelle tA, bei der das Lot vollständig verflüssigt ist und die Temperatur bzw. IR-Emission wieder ansteigt, wird die Wärme¬ zufuhr abgeschaltet. Aufgrund der Trägheit des zur Messung benutzten Systems erfolgt noch eine Erhöhung der Emission, bis das Maximum über¬ schritten und nach Abkühlung der Erstarrungspunkt erreicht wird. Die zusätzliche Erhöhung der Temperatur über den Schmelzpunkt hinaus kann, sofern gewünscht, durch eine Verzögerung bei der Weitergabe des Signals oder durch den Abzug des der Temperaturerhöhung entsprechenden Wertes von der Meßgröße fest oder veränderbar programmiert werden.
    [0020] Figur 3 zeigt die Wärmeaufnahme des Lotes in Abhängigkeit von der Temperatur. Die erhöhte Aufnahme am Schmelzpunkt, die zu der ausgenutz¬ ten Unstetigkeit bei der Infrarotemission führt, ist deutlich zu erkennen. Die kalorimetrische Messung wurde mit einem Differential-Scanning-Calorimeter (DSC 2 von Perkin-Elmer) durchgeführt.
    权利要求:
    ClaimsVerfahren und Vorrichtung zum MikrolotenPatentansprüche
    1. Verfahren zum Mikroloten, bei dem mit Hilfe eines Laserstrahles auf einem Werkstück eine Lötstelle und das darauf aufgebrachte Lot erhitzt werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wärme- abstrahlung des erhitzten Lotes mit einem Infrarotdetektor (M) gemessen und aus dem Meßsignal mit Hilfe einer elektronischen Einrichti'ng (MIR) die beim Erreichen des Schmelzpunktes des Lotes entstehende Unstetigkeit ermittelt wird und daß bei oder nach Durchlaufen des derart ermittelten Schmelzpunktes und Lötbereiches der Erhitzungsvorgang für die Lötstelle abgebrochen wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h ¬ n e t, daß der Abbruch des Erhitzungsvorganges nach einer einstellbaren Verzögerungszeit erfolgt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß der Abbruch des Erhitzungsvorganges durch Weiter¬ bewegen des Werkstückes (W) erfolgt.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß als Laser ein gepulster Nd-YAG-Laser mit langer Pulsdauer oder ein elektrooptisch schaltbarer Dauerstrichlaser verwendet wird.
    5. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lot- bzw. Kontaktmaterialien vorgewärmt werden.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktmaterialien mattgebeizt oder aufgerauht werden.
    7. Vorrichtung zum Mikroloten mit einem Laser zur Erhitzung einer auf einem Werkstück befindlichen Lötstelle und des darauf aufgebrachten Lotes, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Messung der Wärmeabstrahlung des erhitzten Lotes ein Infrarotdetektor (M) und zur Ermittlung des Schmelzpunktes des Lotes aus dem Meßsignal eine elektro¬ nische Einrichtung (IV, MIR) vorgesehen sind, die durch Auswerten des Meßsignales die beim Erreichen des Schmelzpunktes des Lotes entstehende • Unstetigkeit ermitteln und nach Erreichen des derart ermittelten Schmelzpunktes den Erhitzungsvorgang für die Lötstelle abbrechen.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h ¬ n e t, daß sie eine einstellbare Verzögerungseinrichtung für den Ab¬ bruch des Erhitzungsvorganges aufweist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die elektronische Einrichtung mit der Stell¬ vorrichtung (KS) eines xy-Tisches verbunden ist, auf dem das Werkstück (W) befestigt ist und dieselbe steuert.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß der Laser (L) ein gepulster Nd-YAG-Laser mit langer Pulsdauer oder ein elektrooptisch schaltbarer CW-Nd-YAG-Laser ist.
    类似技术:
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP0257076B1|1991-07-17|
    EP0257076A1|1988-03-02|
    DE3606764A1|1987-09-03|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1987-09-11| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US |
    1987-09-11| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    1987-10-30| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1987901471 Country of ref document: EP |
    1988-03-02| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1987901471 Country of ref document: EP |
    1991-07-17| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1987901471 Country of ref document: EP |
    1994-01-20| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1987901471 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE19863606764|DE3606764A1|1986-03-01|1986-03-01|Verfahren und vorrichtung zum mikroloeten|
    DEP3606764.4||1986-03-01||AT87901471T| AT65198T|1986-03-01|1987-02-28|Verfahren und vorrichtung zum mikroloeten.|
    DE19873771416| DE3771416D1|1986-03-01|1987-02-28|Verfahren und vorrichtung zum mikroloeten.|
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