Lotbad einer Lötanlage

Die Erfindung betrifft einen Diagnose-Lötrahmen zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Lotbad einer Lötanlage, welche sich während des Betriebs der Lötanlage im Lot anreichern können. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Lötanlage mit einem erfindungsgemäßen Diagnose-Lötrahmen, ein Verfahren zur Erkennung der

Verunreinigungen, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Lötanlage. Beim Löten handelt es sich um ein thermisches Verfahren zur stoffschlüssigen Fügung zweier Bauteile, in der Regel unter Herstellung einer Oberflächenlegierung. Die

Lötverbdingung wird dabei üblicherweise mittels eines Verbindungsmaterials oder Lots, üblicherweise in Form einer leicht schmelzbaren Metalllegierung, hergestellt, welches aufgeschmolzen wird. Ferner ist die Verwendung sogenannter Flussmittel üblich, welche der Reduzierung der jeweiligen Oberfläche während des Lötverfahrens dienen, und somit zu einer Verbesserung der Fließ- und Benetzungseigenschaften des Lots sowie einer Verringerung der Oberflächenspannung des flüssigen Lots auf der jeweiligen Oberfläche führen. Lötverfahren, welche insbesondere in der Elektronik und Elektrotechnik weit verbreitet und prinzipiell aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt sind, sind beispielsweise das Reflow-Löten, das Schwallbad- oder Wellenlöten, oder auch das Selektivlöten, welches im Prinzip eine Variante des Wellenlötens darstellt. Während beim Reflow-Löten sogenannte Lötpasten zum Einsatz kommen, wird beim Schwallbad- oder Wellenlöten ein Lotbad verwendet.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lötanlagen und Lötverfahren, bei welchen ein Lotbad zum Einsatz kommt. Beim Wellenlöten beispielsweise werden elektronische Baugruppen, wie z.B. Leiterplatten, mit elektronischen Bauteilen bestückt und über eine Lotwelle gefahren. Die Lotwelle wird dadurch erzeugt, dass in einem Lotbad bereitstehendes flüssiges Lot durch einen Spalt oder durch ein oder mehrere Löcher eine Lochplatte gepumpt wird. Dagegen kommen beim Selektivlöten nur definierte Teilbereiche der Baugruppe mit dem Lot in Berührung, indem beispielsweise die Lotwelle durch kleine Düsen gepumpt wird, deren Abmessung an die Abmessungen der zu lötenden Flächen angepasst sind.

Bei der Verwendung von Lotbädern besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sich

Verunreinigungen in einem anfänglich reinen Lot anreichern. Dies geschieht beispielsweise, indem kleinere Mengen von in der Baugruppe enthaltenem Materialien während des Lötvorgangs von dem flüssigen Lot aufgenommen werden. Mögliche Quellen für Verunreinigungen sind dabei z.B. Bauteilmetallisierungen sowie vorbelotete

Leiterplatten. Die Verunreinigungen bewirken selbst bei geringen Mengen eine

Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Lotes und führen in der Regel zu einer Verschlechterung der mit dem Lot erzielbaren Qualität der

Lötverbindungen.

Dazu kommt, dass es sich auch um gesundheits- oder umweltschädliche

Verunreinigungen bzw. Stoffe handeln kann. Zwar beschränkt die RoHS-Richtlinie

201 1/65/EU (Restriction of Certain Hazardous Substances) der Europäischen Union den Einsatz bestimmter gefährlicher Stoffe, wie z.B. Schwermetalle wie Blei, Quecksilber, Cadmium, oder sechswertiges Chrom, verschiedene Flammschutzmittel und

Weichmacher, in der Elektroindustrie und gibt jeweils Grenzwerte für die Konzentrationen der einzelnen potentiell gefährlichen Stoffe, an, die grundsätzlich einzuhalten sind.

Jedoch lassen sich insbesondere in Bezug auf Lotbäder mit der Zeit zunehmende Verunreinigungen potentiell gefährlicher Stoffe nicht gänzlich ausschließen, da solche Stoffe in den zu verlötenden Baugruppen in bestimmten Mengen enthalten sein und beispielsweise mit zunehmender Zeit im fortlaufenden Betrieb der Lötanlage von dem flüssigen Lot aufgenommen werden und somit im Lotbad angereichert werden können.

Beispielsweise kann es selbst bei Verwendung bleifreier Lote mit zunehmender Zeit im fortlaufenden Betrieb der Lötanlage mit dem gleichen Lotbad zu einer Anreicherung von Blei kommen. Mögliche Ursachen in diesem Fall sind bleihaltige Bauteilmetallisierungen. Entsprechende Baugruppen sind in der Regel standardisiert und werden kurzfristig von unterschiedlichen zum Teil wechselnden Herstellern bezogen, sodass das Vorhandensein bleihaltiger Metallisierungen nicht immer mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Theoretisch können zwar auch mit Zinn/Blei vorbelotete Leiterplatten eine mögliche Ursache für die Anreicherung von Blei in einem ursprünglich bleifreien Lot sein. Da Leiterplatten in der Regel jedoch für konkrete Anwendungen speziell angefertigt werden, können diese als Ursache für die Anreicherung von Blei gezielt ausgeschlossen werden.

Um die Anreicherung von Verunreinigungen in einem Lotbad, insbesondere in Bezug auf gesundheits- und/oder umweltschädlicher Stoffe, zu vermeiden, und um eine möglichst konstante Qualität der jeweils hergestellten Lötverbindungen sicherzustellen, werden Lotbäder in Lötanlagen üblicherweise in regelmäßigen Abständen ausgetauscht. Jeder Austausch ist jedoch mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Dazu kommt, dass die Rate, mit welcher sich ein bestimmter Stoff in einem Lotbad anreichert, stark variieren kann. Sie hängt insbesondere von den jeweils verwendeten Bauteilen ab. Entsprechend muss das Lotbad entweder sehr häufig gewechselt werden, oder in Kauf genommen werden, dass die Qualität der Lötverbindung mit der zunehmenden

Anreicherung von Verunreinigungen im Lotbad abnimmt. Letzteres kann unter Umständen dazu führen, das sich bei einer überraschend schnellen Anreicherung von

Verunreinigungen die Qualität der Lötverbindungen zwischenzeitlich stark reduziert.

Um den Zeitpunkt, zu welchem die Verunreinigungen in einem Lotbad einen vorgebbaren Grenzwert überschreiten und ein Austausch des Lotbades notwendig wird, bestimmen zu können, sind verschiedene chemische Analyseverfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Lotes verfügbar. Diese Verfahren erfordern jedoch in der Regel eine Probenentnahme und Einsendung an ein Labor. Entsprechend könne zwischen der Probenentnahme und dem Vorliegen eines Ergebnisses mehrere Tage liegen, was besonders dann kritisch ist, wenn für einen bestimmten Stoff der jeweils vorgegebene Grenzwert für dessen Konzentration im Lotbad bereits überschritten oder fast überschritten ist.

Um dieser Problematik zu begegnen, sind aus der EP2221 136A1 eine Lötanlage, ein Verfahren zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Lotbad sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Lötanlage bekannt geworden, mit welchem Verunreinigungen auf einfache Weise zeitnah und vor Ort erkannt werden können. Dazu wird mittels eines

Temperatursensors der zeitliche Verlauf der Temperatur des Lots während eines Abkühloder Aufheizvorgangs, welcher einen Phasenübergang des Lots von fest nach flüssig oder umgekehrt, enthält, gemessen und mit einer Referenzkurve, welche dem entsprechenden zeitlichen Verlauf der Temperatur für ein von Verunreinigungen freies Lot entspricht, verglichen. Gegebenenfalls bestehende Abweichungen geben dann Aufschluss über das Ausmaß der Verunreinigungen. Zur Durchführung dieser Analyse muss jedoch entweder eine aufwendige Apparatur bereitgestellt werden, mittels welcher die Temperatur des Lotbades selbst erfasst werden kann oder wie bei den chemischen Analyseverfahren zuerst eine vorgebbare Menge an Lot aus dem Lotbad und damit aus einem fortlaufenden Prozess entnommen werden. In beiden Fällen muss der eigentliche Lötprozess üblicherweise für kurze Zeit unterbrochen werden. Ferner muss ein Abkühl- oder

Schmelzvorgang der vorgebbaren Menge an Lot bzw. des Lotbades herbeigeführt werden, um den zeitlichen Verlauf der Temperatur erfassen zu können. Somit beinhaltet die in der EP2221 136A1 mehrere Arbeitsschritte, und ist somit ebenso wie die gängigen chemischen Analyseverfahren vergleichsweise aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mittels welchem das Vorhandensein von Verunreinigungen in einem Lotbad auf besonders einfache Weise bestimmt werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Diagnose-Lötrahmen, durch ein Verfahren zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Lotbad einer Lötanlage, sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Lötanlage. Bezüglich des Diagnose-Lötrahmens wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch einen Diagnose-Lötrahmen zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Lotbad einer Lötanlage,

welcher Diagnose-Lötrahmen derart ausgestaltet ist, dass er mittels eines

Transportsystems der Lötanlage durch die Lötanlage gefahren werden kann, und welcher Diagnose-Lötrahmen zumindest

- einen Behälter mit zumindest einer ersten und einer zweiten Öffnung,

- einen ersten Temperatursensor, und

- eine Auswerteeinheit umfasst,

wobei der Behälter derart angeordnet ist, dass während des Fahrens durch die Lötanlage eine vorgebbare Menge an Lot aus dem Lotbad durch die erste Öffnung in den Behälter eindringt,

wobei der Temperatursensor durch die zweite Öffnung des Behälters in den Behälter hineinragt und derart angeordnet ist, dass er mit der vorgebbaren Menge an Lot in thermischem Kontakt steht,

wobei der Temperatursensor zumindest zur zeitlichen Erfassung der Temperatur in

Form einer Temperaturkurve dient, und

wobei die Auswerteeinheit zumindest aus der Temperaturkurve eine Aussage über die Verunreinigungen des Lotbades trifft. Vorteilhaft kann mittels des erfindungsgemäßen Diagnose-Lötrahmens das Vorhandensein von Verunreinigungen während des fortlaufenden Betriebs einer Lötanlage bestimmt werden. Es wird ein auf eine bestimmte Lötanlage angepasster Diagnose-Lötrahmen bereitgestellt, mittels welchem während des Fahrens durch die Lötanlage eine

Temperaturkurve aufgenommen werden und anschließend mit einer Referenzkurve verglichen werden kann, welche dem von Verunreinigungen freien Lot, oder auch dem reinen Lot, entspricht.

Dabei kann der Diagnose-Lötrahmen beispielsweise eine Speichereinheit aufweisen, wobei die Speichereinheit zur Speicherung des zeitlichen Verlaufs der Temperatur dient, welche zumindest mit dem ersten Temperatursensor und mit der Auswerteeinheit verbunden ist oder verbindbar ist. Diese Speichereinheit ist entsprechend bevorzugt an oder auf dem Diagnose-Lötrahmen angebracht. Für die Anordnung der Auswerteeinheit sind grundsätzlich zwei Möglichkeiten denkbar. Einerseits kann die Auswerteeinheit vom Diagnose-Lötrahmen separat angeordnet sein, derart, dass die Auswerteeinheit nicht zusammen mit dem Diagnose-Lötrahmen durch die Lötanlage gefahren wird. In diesem Fall wird die gemessene Temperaturkurve

beispielsweise in der zuvor erwähnten Speichereinheit zwischengespeichert, welche nach dem Durchfahren direkt an die Auswerteeinheit angeschlossen wird. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Auswerteeinheit auch an oder auf dem Diagnose-Lötrahmen angeordnet sein kann. Bei dieser Variante ist ebenfalls eine an oder auf dem Diagnose- Lötrahmen angebrachte Energieversorgung, beispielsweise mittels einer Batterie denkbar.

Bei der Aussage über Verunreinigungen handelt es sich insbesondere um eine Aussage darüber, dass die Menge der Verunreinigungen einen vorgebbaren Grenzwert

überschreitet und somit das Lotbad ausgetauscht werden sollte. Dies kann im Falle einer an oder auf dem Lötrahmen angeordneten Auswerteeinheit beispielsweise in Form zumindest eines ebenfalls an oder auf dem Diagnose-Lötrahmen angeordneten

Anzeigeelements, wie einem akustischen oder optischen Anzeigeelement, vorzugsweise einer LED, angezeigt werden. Im Falle, dass die Auswerteeinheit separat vom Diagnose- Lötrahmen angeordnet ist, können die Auswerteeinheit sowie gegebenenfalls ein geeignetes Anzeigeelement wiederum auch in eine bestehende Elektronikeinheit der Lötanlage integriert werden oder mit einer solchen Elektronikeinheit gemeinsam angeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit des erfindungsgemäßen

Diagnose-Lötrahmens dazu ausgestaltet

aus der Temperaturkurve zumindest einen lokalen Extrempunkt zu ermitteln, welcher Extrempunkt im Wesentlichen einem Start-Zeitpunkt entspricht, zu welchem die vorgebbare Menge an Lot in den Behälter eindringt,

ausgehend vom Start-Zeitpunkt ein Diagnose-Zeitintervall zu ermitteln, in welchem ein Abkühl-/oder Aufheizvorgang des Lots in einem Temperaturbereich stattfindet, indem ein Phasenübergang des Lots auftritt, bei dem mindestens ein mengenmäßig größter Teil des Lots im Behälter erstarrt oder schmilzt, und

aus einem Vergleich der Temperaturkurve zumindest während eines Teils des Diagnose-Zeitintervall und/oder einer daraus abgeleiteten Kenngröße mit einer unter gleichen Bedingungen aufgenommenen Referenzkurve oder

Referenzkenngröße, die dem zeitlichen Verlauf der Temperatur eines Referenzlots während Aufheiz- oder Abkühlvorgangs in dem Temperaturbereich entspricht, eine gegebenenfalls bestehende Abweichung zu bestimmen, und das Lot als verunreinigt zu erkennen, wenn die Abweichung einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Bei dem Referenzlot handelt es sich bevorzugt um dasselbe Lot wie das Lot des Lotbades; jedoch ist das Referenzlot bevorzugt frei von Verunreinigungen, also ein reines Lot. Es kann sich aber auch um ein Lot handeln, welches gezielt mit einer bekannten Menge einer oder mehrerer bestimmter Verunreinigungen versetzt wird.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Diagnose-Lötrahmens ist

die Kenngröße diejenige Temperatur ist, bei der die Temperaturkurve einen plateauförmigen Abschnitt aufweist,

die Referenzkenngröße die Schmelztemperatur des Referenzlots ist, und

- die Abweichung eine Differenz zwischen der Kenngröße und der

Referenzkenngröße.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Diagnose-Lötrahmens beinhaltet einen Deckel, welcher Deckel dazu ausgestaltet ist, die zweite Öffnung des Behälters lösbar zu verschließen, und wobei der erste Temperatursensor durch den Deckel hindurch geführt ist.

Der Behälter ist bevorzugt in eine Bohrung des Diagnose-Lötrahmens eingelassen und dort lösbar befestigt, derart, dass der Behälter beim Durchfahren der Lötanlage auf der dem Lotbad zugewandten Seite des Diagnose-Lötrahmens angeordnet ist. Im Falle, dass ein Deckel zum Einsatz kommt, verschließt dieser Deckel die zweite Öffnung des

Behälters, welche zu der dem Lotbad abgewandten Seite des Diagnose-Lötrahmens zeigt.

In einer Ausgestaltung ist der Behälter derart ausgestaltet, dass die Oberfläche des Behälters im Verhältnis zu dessen Volumen möglichst groß ist, wobei der Behälter bevorzugt topfformig, kegelförmig oder halbkugelförmig ausgestaltet ist. Eine im Verhältnis zum Volumen große, insbesondere eine im Rahmen der geometrischen Randbedingungen im Verhältnis zum Volumen maximierte Oberfläche des Behälters ermöglicht einen möglichst homogenen und gleichmäßigen Schmelz- oder Erstarrungs Vorgang der vorgebbaren Menge an Lot in dem Behälter während des jeweiligen Aufheiz- oder Abkühlvorgangs.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Behälter ein Tiegel ist, welcher bevorzugt aus einem Material hergestellt ist, an welchem das jeweilige Lot nicht haftet, insbesondere Edelstahl oder Teflon. Nach dem Durchfahren der Lötanlage und dem Treffen der Aussage über die Verunreinigungen in dem Lotbad kann somit die vorgebbare Menge an Lot im erstarrten Zustand auf einfache Weise aus dem Behälter entnommen werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Diagnose-Lötrahmens ist die erste Öffnung, durch welche die vorgebbare Menge an Lot eindringt, im Bereich einer Seitenbewandung des Behälters angeordnet und/oder schlitzförmig, oval oder rund. Die vorgebbare Menge an Lot dringt dann in den Behälter ein, wenn der Diagnose-Lötrahmen die Position innerhalb der Lötanlage erreicht, bei welcher Position der Diagnose-Lötrahmen bzw. der Behälter im Wesentlichen erstmalig mit der Lotwelle in Kontakt kommt. Dieser Zeitpunkt entspricht dem Start-Zeitpunkt für die Auswerteeinheit.

Die vorgebbare Menge an Lot bestimmt sich zum einen aus den Dimensionen der Lotwelle, also je nach Art der Lötanlage aus den Abmessungen des Spalts der Öffnungen, oder der jeweiligen Düse. Weiterhin spielen die Transportgeschwindigkeit des Diagnose- Lötrahmens sowie die Abmessung der zweiten Öffnung und des Behälters eine entscheidende Rolle. Anhand dieser Abmessungen lässt sich die vorgebbare Menge an Lot für eine bestimmte Lötanlage im Wesentlichen auf einen konstanten Wert einstellen.

Es ist von Vorteil, wenn der Diagnose-Lötrahmen einen zweiten Temperatursensor umfasst, welcher außerhalb des Behälters an dem Diagnose-Lötrahmen befestigt ist. Bevorzugt ist der zweite Temperatursensor derart angeordnet, dass er die Temperatur auf der dem Lotbad zugewandten Seite des Diagnose-Lötrahmens messen kann,

insbesondere unmittelbar vor dem Behälter in Bezug auf die Fahrrichtung des Diagnose- Lötrahmens. In diesem Falle kann der Start-Zeitpunkt für die Auswerteeinheit entweder zusätzlich zum oder anstelle des ersten Temperatursensors mittels des zweiten

Temperatursensors bestimmt werden. Da der zweite Temperatursensor im Gegensatz zum ersten Temperatursensor außerhalb des Behälters angeordnet ist, zeigt er eine zeitlich schnellere, insbesondere instantane, Reaktion auf Temperaturänderungen, insbesondere auf eine Temperaturänderung infolge des Kontakts mit der Lotwelle, Der erste

Temperatursensor kommt mit der Lotwelle dagegen nur indirekt über den Behälter und die in den Behälter eindringende vorgebbare Menge an Lot in Kontakt und reagiert damit langsamer.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Lötanlage mit

- einem Lotbad, das im Lötbetrieb ein flüssiges Lot enthält, das

Verunreinigungen enthalten kann, die sich im Lötbetrieb in dem zunächst

reinen Lot angereichert haben,

- einem Transportsystem, mittels welchem ein Lötrahmen durch die Lötanlage geführt werden kann, und

- einem Diagnose-Lötrahmen nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche. Außerdem wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erkennung von Verunreinigungen in einem Lotbad einer Lötanlage,

wobei ein Diagnose-Lötrahmen durch die Lötanlage gefahren wird,

wobei der zeitliche Verlauf der Temperatur in einem Behälter des Diagnose- Lötrahmens, in welchen Behälter eine vorgebbare Menge an Lot aus dem Lotbad eindringt, in Form einer Temperaturkurve erfasst wird , und

wobei zumindest aus der Temperaturkurve eine Aussage über die

Verunreinigungen des Lotbades getroffen wird. Vorteilhaft wird eine Temperaturkurve während des Fahrens des Diagnose- Lötrahmens durch die Lötanlage bestimmt und ausgewertet. Folglich kann eine Diagnose, also eine Aussage über die Verunreinigungen des Lotbades, während des fortlaufenden Betriebs der Lötanlage automatisiert gestellt werden.

Für dieses erfindungsgemäße Verfahren ist es von Vorteil, wenn

aus der Temperaturkurve zumindest ein lokaler Extrempunkt ermittelt wird, welcher Extrempunkt im Wesentlichen dem Start-Zeitpunkt entspricht, zu welchem die vorgebbare Menge an Lot in den Behälter eindringt,

ausgehend vom Start-Zeitpunkt ein Diagnose-Zeitintervall ermittelt wird, in welchem ein Abkühl-/oder Aufheizvorgang des Lots in einem Temperaturbereich stattfindet, indem ein Phasenübergang des Lots auftritt, bei dem mindestens ein mengenmäßig größter Teil des Lots im Behälter erstarrt oder schmilzt, und

aus einem Vergleich der Temperaturkurve zumindest während eines Teils des Diagnose-Zeitintervalls und/oder einer daraus abgeleiteten Kenngröße mit einer unter gleichen Bedingungen aufgenommenen Referenzkurve oder

Referenzkenngröße, die dem zeitlichen Verlauf der Temperatur eines Referenzlots während des Aufheiz- oder Abkühlvorgangs in dem Temperaturbereich entspricht, eine gegebenenfalls bestehende Abweichung bestimmt, und das Lot als verunreinigt erkannt wird, wenn die Abweichung einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Fahrens des Diagnose-Lötrahmens durch die Lötanlage wird zumindest der erste Temperatursensor erstmalig der Lotwelle ausgesetzt. Dieses Ereignis definiert im Wesentlichen den Start-Zeitpunkt zur Bestimmung des Diagnose-Zeitintervalls. Die gemessene Temperaturkurve weist zu diesem Start- Zeitpunkt einen Peak, bzw. ein lokales Maximum auf, welchem ein lokales Minimum folgt. Zumindest einer dieser beiden Peaks kann vorteilhaft dazu genutzt werden, das Diagnose- Zeitintervall durch Angabe eines geeigneten Offset-Zeitraums zu triggern. Die Wahl der Dauer dieses Offset-Zeitraums hängt dabei zum einen vom jeweiligen Lot ab. Außerdem spielt die Transportgeschwindigkeit des Diagnose-Lötrahmens durch die Lötanlage eine Rolle.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zur Erkennung von Verunreinigungen beinhaltet ferner, dass

dass die Kenngröße diejenige Temperatur ist, bei der die Temperaturkurve einen plateauförmigen Abschnitt aufweist,

dass die Referenzkenngröße die Schmelztemperatur des Referenzlots ist, und dass die Abweichung eine Differenz zwischen der Kenngröße und der

Referenzkenngröße ist.

Schließlich wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Lötanlage,

wobei die Lötanlage bei Inbetriebnahme mit einem Referenzlot befüllt wird, - wobei der Diagnose-Lötrahmen durch die Lötanlage gefahren wird,

wobei der zeitliche Verlauf der Temperatur in einem Behälter des Diagnose- Lötrahmens, in welchen Behälter eine vorgebbare Menge an Lot aus dem Lotbad eindringt, in Form einer Referenzkurve erfasst wird , und

wobei die Referenzkurve und/oder eine aus der Referenzkurve abgeleitete

Referenzkenngröße in einer der Auswerteeinheit zugänglichen Speichereinheit hinterlegt wird, und/oder in eine Prozessregelkarte eingetragen wird.

Bei dem Referenzlot handelt es sich bevorzugt um dasselbe Lot wie das Lot des Lotbades; jedoch ist das Referenzlot bevorzugt frei von Verunreinigungen, also ein reines Lot. Es kann sich aber auch um ein Lot handeln, welches gezielt mit einer bekannten Menge einer oder mehrerer bestimmter Verunreinigungen versetzt wird. Die Speichereinheit, in welcher die Referenzkurve und/oder Referenzkenngröße hinterlegt wird, ist wiederum

beispielsweise die bereits erwähnte Speichereinheit oder eine separate Speichereinheit, beispielsweise eine einer Elektronikeinheit der Lötanlage zugeordnete Speichereinheit.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Lötanlage ist es von Vorteil, wenn in vorgebbaren Zeitintervallen eine Diagnosemessung durchgeführt wird, der Diagnose-Lötrahmen durch die Lötanlage gefahren wird,

der zeitliche Verlauf der Temperatur in einem Behälter des Diagnose-Lötrahmens, in welchen Behälter eine vorgebbare Menge an Lot aus dem Lotbad eindringt, in

Form einer Temperaturkurve erfasst wird , und

die Temperaturkurve und/oder eine daraus abgeleitete Kenngröße mit einer Referenzkurve, einer Referenzkenngröße und/oder mit einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Temperaturkurve oder der jeweils zugehörigen Kenngröße verglichen wird, und

im Falle, dass die Abweichung zwischen der Referenzkurve, früheren

Temperaturkurve, Referenzkenngröße, und/oder früheren Kenngröße und der aktuellen Temperaturkurve und/oder Kenngröße einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, erkannt wird, dass das Lot verunreinigt ist.

Die verschiedenen Ausführungen des Verfahrens zur Erkennung von Verunreinigungen lassen sich dabei mutatis mutandis aud das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Lötanlage anwenden.

Beispielsweise kann die Diagnosemessung bei jeder Inbetriebnahme der Lötanlage, an jedem Werktag, oder in anderen periodischen Intervallen wiederholt werden. Diese Zeitintervalle können dabei je nach Anwendung angepasst werden. Das Bedienpersonal der Lötanlage muss lediglich dafür Sorge tragen, dass der erfindungsgemäße Lötrahmen nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen durch die Lötanlage gefahren wird und eine entsprechende Auswertung vorgenommen wird. Ansonsten sind je nach Ausgestaltung keine weiteren Verfahrensschritte durch das Bedienpersonal erforderlich, um das Vorhandensein von Verunreinigungen zu bestimmen.

Es ist von Vorteil, wenn jede Temperaturkurve und/oder Kenngröße zusammen mit dem Zeitpunkt, zu welchem sie erfasst wurde, in der Speichereinheit hinterlegt und/oder in die Prozessregelkarte eingetragen wird. Die Diagnosedaten, insb. Abweichungen der jeweils gemessenen Temperaturkurven von der Referenzkurve können dann beispielsweise als Funktion der Zeit dargestellt werden. Somit lässt sich zurückverfolgen, mit welcher Rate sich Verunreinigungen im Lotbad anreichern und voraussagen wann ein Austausch des Lotbades spätestens erfolgen sollte.

Die vorliegende Erfindung erlaubt also das Erkennen von in einem Lotbad enthaltenen Verunreinigungen während des fortlaufenden Betriebs. Somit können in beliebigen

Zeitintervallen Diagnosen über das Ausmaß von Verunreinigungen gestellt werden, wobei der Lötbetrieb lediglich durch das Fahren eines Diagnose-Lötrahmens zwischen den aufeinanderfolgenden Lötrahmen der Lötanlage verzögert wird. Dies hat sowohl eine erhebliche Zeit- sowie Kostenersparnis sowie eine deutliche Qualitätssteigerung der erzielbaren Lötverbindungen zur Folge. Außerdem werden Verunreinigungen selbst dann erkannt, wenn diese keine Minderung der Qualität der Lötanlage zur Folge haben, was insbesondere im Falle gesundheits- und/oder umweltschädlicher Substanzen vorteilhaft ist. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren Fig. Fig. 1 bis Fig. 3 näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Skizze eines erfindungsgemäßen Diagnose-Lötrahmens in einer Lötanlage;

Fig. 2 eine gemessene Temperaturkurve und eine Referenzkurve; und

Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Illustrierung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beitrieb einer Lötanlage.

In Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Diagnose-Lötrahmen während des Durchfahrens einer Lötanlage mit einem Lotbad dargestellt. Der Einfachheit halber sind nur für die vorliegende Erfindung relevante Bestandteile der Lötanlage gezeigt. Die Lötanlage umfasst ein Lotbad 2, welches während des Lötbetriebs flüssiges Lot 3 umfasst. Das flüssige Lot 3 wird mittels einer aus zumindest teilweise in das flüssige Lot 3 hineinragenden Lotführung 5, welche im vorliegenden Fall beispielhaft eine Düse ist, zur Erzeugung einer Lotwelle 5 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des flüssigen Lots 3 im Lotbad 2 herausgepumpt. Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung auch für andere Lötanlagen mit einem Lotbad 2, insbesondere für Lotführungen 5 in Form eines Spalts oder eines Loches einer Lochplatte, geeignet ist.

Zum Löten wird ein Lötrahmen (nicht separat gezeigt) mit den jeweiligen Bauteilen bestückt und mittels eines Transportsystems 6 (dargestellt durch die gestrichelte Linie, welche die Transportrichtung angibt) der Lötanlage, wie beispielsweise einem Förderband, durch die Lötanlage, und insbesondere über die Lotwelle 5 gefahren.

Zur Erkennung von sich mit der Zeit anreichernden Verunreinigungen in dem Lotbad 2 kommt erfindungsgemäß ein Diagnose-Lötrahmen 1 zum Einsatz. Der Diagnose- Lötrahmen 1 ist dabei so an eine bestimmte Lötanlage angepasst, dass er mittels des Transportsystems 6 der Lötanlage durch die Lötanlage gefahren werden kann. Der Diagnose-Lötrahmen umfasst einen Behälter 8, in welchen während des Fahrens durch die Lötanlage eine vorgebbare Menge an Lot 3b eindringt, wenn der Behälter 8 über die Lotwelle 5 gefahren wird. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Behälter 8 in eine Bohrung des Diagnose-Lötrahmens 1 eingelassen und dort befestigt. Der Behälter 8 ragt dabei über die Bewandung des Diagnose-Lötrahmens 1 auf der dem Lotbad zugewandten Seite des Diagnose-Lötrahmens hinaus. Selbstverständlich können für die Anordnung des Behälters 8 an oder auf dem Diagnose-Lötrahmen 1 auch andere Geometrien gewählt werden. Der Behälter 8 weist eine erste 9 und eine zweite 1 1 Öffnung auf. Durch die erste Öffnung 9 dringt während des Fahrens des Diagnose-Lötrahmens 1 durch die Lötanlage eine vorgebbare Menge an Lot 3b ein, sobald der Diagnose-Lötrahmen im Wesentlichen erstmalig mit der Lotwelle 5 in Kontakt kommt. Für die Ausgestaltung der ersten Öffnung 9 gilt es sicherzustellen, dass die vorgebbare Menge an Lot 3b auch wirklich während des Durchfahrens der Lötanlage in den Behälter 8 eindringen kann. Zu diesem Zwecke sind verschiedenste Anordnungen und Geometrien denkbar. In der in Fig. 1 gezeigten

Ausführung ist die erst Öffnung 9 beispielhaft in Form eines Schlitzes ausgestaltet, welcher mit seiner Längsachse parallel zur Längsachse des Diagnose-Lötrahmens 1 verläuft und eine Länge aufweist, die im Wesentlichen der Hälfte des Umfangs des Behälters entspricht.

Die zweite Öffnung 1 1 a des für die Ausführung gemäß Fig. 1 topfförmig ausgestalteten Behälters 8 schließt im Wesentlichen mit der dem Lotbad 3 abgewandten Oberfläche des Lötrahmen-Korpusses 7 ab und wird durch den Deckel 1 1 verschlossen. Durch den Deckel hindurch ist ein erster Temperatursensor 10 geführt, welcher derart angeordnet ist, dass er mit der vorgebbaren Menge an Lot 8 nach deren Eindringen in den Behälter 8 in thermischem Kontakt steht. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass der Deckel 1 1 eine optionale Komponente für den erfindungsgemäßen Diagnose-Lötrahmen 1 darstellt. Eine weitere optionale Komponente ist gegeben durch einen zweiten Temperatursensor 12, welcher im Bereich der dem Lotbad 3 zugewandten Seite des Lötrahmen-Korpusses 7 angeordnet ist und welcher ebenfalls beim Durchfahren der Lötanlage mit der Lotwelle in Kontakt kommt.

Beide Temperatursensoren 10, 12 sind für die in Fig. 1 gezeigte Ausführung beispielhaft mit einer Speichereinheit 13 verbunden, welche auf dem Lötrahmen-Korpus 7 angeordnet und mit einer externen Auswerteeinheit 14 mit einem optischen Anzeigeelement 15 verbunden ist. Einige mögliche andere Varianten wurden zuvor bereits erwähnt.

Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Diagnose-Lötrahmens 1 erlaubt einer automatisierte Auswertung der aufgenommenen Temperaturkurven und die automatisierte Generierung einer Aussage über die Verunreinigungen. Zur Erläuterung dieser

automatisierten Auswertung sind in Fig. 2 eine gemessene Temperaturkurve T,(t) und eine Referenzkurve T _ref (t) für das gleiche Lot, einmal mit und einmal ohne Verunreinigungen, während eines Abkühlvorgangs nach dem Eindringen der vorgebbaren Menge an Lot 3b in den Behälter 8 gezeigt.

Bei erstmaligem Kontakt mit der Lotwelle weist die Temperaturkurve einen Maximalwert Tmax(tmax) auf, welchem ein lokales Minimum folgt. Beide Extrempunkte eignen sich zur Definition des Start-Zeitpunkts t ₀ ; für die Ausführung gemäß Fig. 2 definiert jedoch das lokale Minimum den Start-Zeitpunkt tO. Ausgehend vom Startzeitpunkt t ₀ wird ein geeigneter Offset-Zeitraum At _os angegeben, welche in Abhängigkeit vom jeweiligen Lot und der Transportgeschwindigkeit des Transportsystems 6 der Lötanlage gewählt wird. Nach dem Offset-Zeitraum At _os beginnt das Diagnose-Zeitintervall At _D , welches für die eigentliche Auswertung der Temperaturkurven Tj(t) dient. Für die Ausführung gemäß Fig. 2 wird die Dauer des Diagnose-Zeitintervalls At _D so gewählt, dass es im Wesentlichen den plateauförmigen Abschnitt der jeweiligen Temperaturkurve Tj(t) entspricht. Dieser Abschnitt entspricht einem Phasenübergang des Lotes 3 während eines Abkühlvorgangs in einem Temperaturbereich, in welchem ein Phasenübergang stattfindet, bei dem ein

mengenmäßig größter Teil des Lotes 3 in dem Behälter 8 erstarrt.

Die in Fig. 2 gezeigten Temperaturkurven T,(t) und T _ref (t) entsprechen dem Fall, dass eine bestimmte Verunreinigung im Wesentlichen zu einer Erhöhung der Schmelztemperatur des Lots in Abhängigkeit der Konzentration der Verunreinigungen von T, zu T _ref führt. Der Mittelwert der gemessenen Temperaturen in dem plateauförmigen Abschnitt können dann in diesem Fall beispielsweise als Kenngröße T _m oder als Referenzkenngröße T _ref herangezogen werden. Überschreitet die Abweichung zwischen der Kenngröße und Referenzkenngröße ΔΤ=Τ _Γ Τ _Γβί einen vorgebbaren Grenzwert, wird das Lot als verunreinigt erkannt. Das gleiche Verfahren findet Anwendung im Falle einer durch die

Verunreinigungen verursachten Reduktion der Schmelztemperatur des Lots 3.

Grundsätzlich wird ausgenutzt, dass der zeitliche Verlauf der Temperatur T,(t) eines Lots 3 während eines einen Phasenübergang enthaltenden Aufheiz- oder Abkühlvorgangs eine empfindliche Abhängigkeit von seiner chemischen Zusammensetzung aufweist. Bereits geringfüge Konzentrationen einer Verunreinigung von 0,1 Atom % führen üblicherweise bereits zu einer deutlichen Änderung des Verlaufs einer Temperaturkurve Τ,(ί). Dies gilt sowohl für Verunreinigungen mit Fremdstoffen, welche kein Bestandteil der

Metalllegierung des Lots sind, als auch für Schwankungen in der Zusammensetzung des Lots.

Die in Fig. 2 dargestellten Temperaturkurven Tj(t) und T _ref (t) stellen nur eine von vielen Fällen dar, wie sich die Anreicherung von Verunreinigungen auf den Verlauf einer

Temperaturkurve Tj(t) im Vergleich zu einer entsprechenden Referenzkurve T _ref (t) auswirken können. Die Änderung des Verlaufs einer Temperaturkurve T,(t) in Bezug auf eine einem von Verunreinigungen freien Lot entsprechenden Referenzkurve T _ref (t) hängen empfindlich sowohl von der Art als auch von der Menge an Verunreinigungen ab, so dass für die jeweils erwarteten Verunreinigungen eines bestimmten Lots 3 gegebenenfalls stets eine geeignete Vergleichsart der jeweiligen Temperaturkurven T,(t) und T _ref (t) gewählt werden muss. Zur Erläuterung der Auswirkung von Verunreinigungen auf den Verlauf der gemessenen Temperatur Tj(t) sei insbesondere auch auf die Erläuterungen in der EP2221 136A1 in Bezug auf Fig.3 verwiesen, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.

Es sei ferner darauf verwiesen, dass in einer der Auswerteeinheit zugänglichen

Speichereinheit auch mehrere unterschiedliche Auswertealgorithmen zur Bestimmung von Abweichungen zwischen den Temperaturkurven Tj(t) und T _ref (t) hinterlegt werden können, welche entweder automatisiert oder von einem Bedienpersonal ausgewählt werden können.

Der Betrieb einer Lötanlage, für welche ein erfindungsgemäßer Diagnose-Lötrahmen 1 verwendet werden kann, ist beispielhaft anhand des Blockdiagramms in Fig. 3 illustriert. Vorzugsweise wird bei Inbetriebnahme der Lötanlage und/oder direkt nach dem Befüllen der Lötanlage mit einem von Verunreinigungen freien Lotbad zuerst eine

Referenzmessung durchgeführt. Der Diagnose-Lötrahmen 1 wird durch die Lötanlage gefahren und für die Referenzmessung der zeitliche Verlauf der Temperatur in Form einer Referenzkurve T _ref (t) in einem einen Phasenübergang enthaltenden Temperaturbereich mittels des ersten Temperatursensors erfasst. Anschließend kann aus der Referenzkurve T _ref (t) beispielsweise eine Referenzkenngröße T _ref ermittelt werden. Sowohl die

Referenzkurve T _ref (t) als auch die Referenzkenngröße T _ref können in einer Speichereinheit abgelegt werden. Außerdem kann eine Prozessregel karte angelegt und zumindest die Referenzkenngröße T _ref in die Prozessregelkarte eingetragen werden.

Anschließend kann in vorgebbaren Zeitintervallen eine Diagnosemessung durchgeführt werden. Hierbei wird erneut der Diagnose-Lötrahmen 1 durch die Lötanlage gefahren und eine Temperaturkurve T,(t) erfasst und ggf. daraus eine Kenngröße T _m abgeleitet.

Anschließend werden die Abweichung AT=T _rer T _m zwischen der Referenzkenngröße T _ref und der Kenngröße T, bestimmt. Ist die Abweichung ΔΤ größer als ein vorgebbarer Grenzwert für die Abweichung AT| _im , so wird entweder eine Wiederholung der

Diagnosemessung durchgeführt, oder angezeigt, dass das Lotbad ausgewechselt werden muss. Ggf. wird auch der fortlaufende Betrieb der Lötanlage automatisch unterbrochen. Überschreitet die Abweichung ΔΤ den vorgebbaren Grenzwert für die Abweichung AT| _im dagegen nicht, so wird der Prozess freigegeben, beispielsweise durch eine geeignete Signalisierung mittels eines Anzeigeelements 15. Die zu einem bestimmten Zeitpunkt i gemessenen Temperaturkurve Tj(t) sowie ggf. die zugehörige Kenngröße T, können ebenfalls in der Speichereinheit hinterlegt und/oder in die Prozessregelkarte eingetragen werden. Werden entsprechende Temperaturkurven Tj(t) in kurzen und regelmäßigen Zeitintervallen durchgeführt und dokumentiert, kann ferner die Rate, mit welcher sich Verunreinigungen anreichern bestimmt werden. Dieses ermöglicht den Betreibern einer Lötanlage eine erhöhte Planungsmöglichkeit für einen ggf. notwendige Austausche des Lotbades.

Zur Bestimmung der Rate, mit welcher sich Verunreinigungen anlagern, können ferner mehrere Referenzkurven erstellt werden, für welche das Lot gezielt mit unterschiedliche aber bekannte Mengen des jeweiligen Stoffes verunreinigt wird. Dann kann ein Vergleich der gemessenen Rate, mit einer aus den verschiedenen Referenzkurven bestimmten Referenzrate durchgeführt werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die

Verunreinigungen zu einer starken Qualitätsminderung der jeweiligen Lötverbindungen schon bei geringen Mengen der Verunreinigungen führen würde.

Das Durchführen von Wiederholmessungen gewährleistet eine redundante Bestimmung des Vorhandenseins von Verunreinigungen, was insbesondere im Falle, dass die gemessenen Werte der jeweiligen Temperaturkurve T,(t) mit Fehlern behaftet sind.

Jedoch ist darauf zu verweisen, das die Verwendung eines erfindungsgemäßen Diagnose- Lötrahmens im Gegensatz zu den bekannten Verfahren ein besonders hohes Maß an Reproduzierbarkeit gewährleistet, da stets die gleiche Menge an Lot aus dem Lotbad auf die gleiche Art und Weise entnommen wird. So können Fehler der jeweiligen Messwerte, welche aus einer speziellen Art der Entnahme oder aus einer speziellen Art der

Temperaturmessung resultieren, vermieden werden. Dies stellt einen weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung dar.

Bezugszeichen und Symbole

1 Diagnose-Lötrahmen

2 Behälter des Lotbades der Lötanlage

3 Lotbad

3b vorgebbare Menge an Lot im Behälter

4 Lotführung

5 Lotwelle

6 Transportsystem

7 Lötrahmen-Korpus

8 Behälter

9 Erste Öffnung im Behälter

10 Erster Temperatursensor

1 1 Zweite Öffnung im Behälter

1 1 b Deckel

12 Zweiter Temperatursensor

13 Speichereinheit

14 Auswerteeinheit

15 Anzeigeelement

T Temperatur

t Zeit

Tj(t) Temperaturkurve zum Zeitpunkt i

Tj Kenngröße

Tref(t) Referenzkurve

Tref Referenzkenngröße

Tmax maximale Temperatur

to Start-Zeitpunkt

At _os Offset-Zeitraum

At _D Diagnose-Zeitintervall

ΔΤ Abweichung zwischen Referenzkenngröße und Kenngröße

ΔΤ vorgebbarer Grenzwert für die Abweichung