用于监控激光焊接过程的方法和利用分光镜装置的激光焊接系统与流程

1.本发明涉及一种借助于激光焊接系统的监控设备监控激光焊接过程的方法以及一种激光焊接系统，所述激光焊接系统包括用于将焊球输出到基底的可焊接的面上的焊球输送设备和用于至少部分地熔化焊球的激光设备。


背景技术：

2.从现有技术中充分已知的是，借助于激光焊接系统，尤其将芯片、半导体器件等焊接到基底上，所述基底例如能够是印刷电路板。为此，芯片或半导体器件的接触面经由焊球与基底的可焊接的面连接，所述可焊接的面在本文中也称为“焊盘”。焊球就其而言借助于激光焊接系统的焊球输送设备输出到可焊接的面上并且借助于激光焊接系统的激光设备至少部分地熔化，使得在一方面为芯片或半导体器件的接触面和另一方面为可焊接的面之间能够构成材料配合的连接。
3.在激光焊接过程期间，可能发生基底的燃烧，其中在此尤其将“燃烧”理解为不一定在形成火焰的情况下必然发生的热学加热，所述加热伴随着基底的永久性损坏。这种燃烧的原因可能是借助于激光设备构成的激光射束对基底的直接影响。然而，也可考虑的是，通过碰撞到可焊接的面上的至少部分地熔化的、热学加热的焊球，可焊接的面和从而与可焊接的面热耦合的基底被热激发或加热，使得引起基底的燃烧。
4.因此，从现有技术中已知，在原则上也会发生上述类型的基底燃烧的激光焊接过程中，借助于激光焊接系统的监控设备监控激光焊接过程，尤其出于识别在激光焊接过程期间是否发生基底燃烧的目的。例如，在激光焊接的技术领域上已知借助于热成像相机来监控激光焊接过程。
5.然而，将热成像相机用作为用于监控上述类型的激光焊接过程的监控设备被证明是不利的，因为从现有技术中已知的热成像相机的时间和空间分辨能力不足以明确区分光信号的与“正常的”激光焊接过程相关的、尤其与焊球熔化相关的份额与光信号的与基底熔化相关的另一份额。此外，使用具有改进的时间和空间分辨能力的热成像相机是成本密集的冒险。


技术实现要素：

6.因此，本发明基于如下目的：提出一种用于借助于激光焊接系统的监控设备监控激光焊接过程的方法以及一种激光焊接系统，借助所述方法和激光焊接系统可执行激光焊接过程的可靠和低成本的监控。
7.该目的是通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求9的特征的激光焊接系统来实现。
8.在根据本发明的用于借助于激光焊接系统的监控设备监控激光焊接过程的方法中，借助于激光焊接系统的焊球输送设备将焊球输出到基底的可焊接的面上，其中焊球借
助于激光焊接系统的激光设备至少部分地熔化，其中在激光焊接过程期间构成光信号，所述光信号借助于监控设备的光学检测装置检测，其中借助于监控设备的分光镜装置将光信号分解为光信号的光谱，其中借助于监控设备的处理装置对光谱进行分析并且根据光谱的状况识别在激光焊接过程期间是否发生基底的燃烧。
9.在此，尤其将术语“燃烧”理解为基底的热学加热或激发，所述热学加热或激发导致或可能导致基底的长期附着于基底的损伤。火焰(火灾)的构成不一定发生。此外，也能够将术语“燃烧”更一般地理解为基底的氧化还原反应，所述氧化还原反应在输出呈热或热辐射和光的形式的能量的情况下进行完。
10.术语“光”尤其结合术语“光信号”在此不限于肉眼可见或可感知的光，而是原则上能够包括整个电磁光谱，尤其还包括红外辐射(热辐射)和紫外辐射。
11.术语“焊球”在此不一定理解为球形构造。原则上，术语“焊球”能够涉及任何任意成形的焊料。例如，焊球也能够以线材类的形式存在。
12.同样，术语“焊球输送设备”能够被更一般地理解为如下设备，借助于所述设备能够将焊料输出到可焊接的面上。
13.本发明基于如下思想：在激光焊接过程期间构成的光信号借助于监控设备的光学检测装置检测，并且随后借助于监控设备的分光镜装置分解成光信号的光谱或光谱成分。然后借助于监控设备的处理装置对光谱进行分析，并且根据光谱的状况，尤其根据描述光谱的表征性参数，识别：在激光焊接过程期间是否发生基底的燃烧。表征性参数尤其能够是取决于波长的与基底相关的强度尖峰。
14.根据本发明的方法尤其具有如下优点：借助于分光镜装置可行的是，明确区分光信号的与“正常的”激光焊接过程相关的份额和光信号的归因于基底燃烧的份额，或者在光谱内明确区分描述“正常的”激光焊接过程的份额和描述基底燃烧的份额。总的来说，根据本发明的方法因此实现：可靠地和低成本地监控激光焊接过程。
15.光谱能够包括至少一个与基底无关的正常份额并且在激光焊接过程期间发生基底燃烧的情况下还能够包括与基底相关的燃烧份额，其中借助于处理装置能够区分与基底无关的正常份额和与基底相关的燃烧份额。在此，将术语“与基底相关”理解为，燃烧份额的状况与基底的材料或材料组成相关，而术语“与基底无关”表示：正常份额的状况与基底的材料或材料组成无关，即对于任何任意的基底基本上有相同的状况。与基底无关的正常份额可能起因于“正常地”进行的激光焊接过程和因此始终是光谱的成分。尤其地，与基底无关的正常份额可以因焊球的熔化和伴随其发生的热学加热引起。仅在激光焊接过程期间发生基底燃烧的情况下，光谱才能附加地包括与基底相关的燃烧份额，所述燃烧份额可能因燃烧构成。因此，借助于激光设备构成的激光射束对基底的直接作用例如导致包含在基底的材料或材料组成中的电子的激发。然后，与这种激发相关的发射光谱能够有助于与基底相关的燃烧份额。借助于处理装置，于是可行的是，区别或区分与基底无关的正常份额和与基底相关的燃烧份额以及根据光谱信息辨识参与燃烧的材料或参与燃烧的材料组分。
16.在所述方法的一个有利的实施方式中，能够借助于处理装置根据在光谱中与基底相关的燃烧份额的存在来识别：在激光焊接过程期间是否发生基底的燃烧。也就是说，如果除了与基底无关的正常份额外光谱还包括与基底相关的燃烧份额，那么处理装置能够根据在光谱中与基底相关的燃烧份额的这种存在来识别：基底是否发生燃烧。在此，处理装置已
知与基底无关的正常份额，并且所述正常份额保存在处理装置的数据库中。例如，处理装置然后能够访问所保存的与基底无关的正常份额以进行识别，并且从借助于光学检测装置检测的光谱中减去该正常份额或计算出该正常份额，并且确定在减去或计算出后在光谱中是否还存在其他份额，所述其他份额然后能够利用燃烧份额来辨识。
17.此外，能够借助于处理装置根据与基底相关的燃烧份额的状况来确定基底的材料或材料组成。因此，例如借助于激光设备引起的对位于基底的一种或多种材料中的电子的激发导致表征一种或多种材料或材料组成的发射光谱(光谱指纹)的构成，据此能够确定或辨识基底的材料或材料组成。如果基底的材料或材料组成是已知的，那么所述确定也能够用于控制，以便确定：在光谱中除了与基底无关的正常份额之外所出现的份额实际上是否归因于基底的燃烧。
18.有利的是，能够借助于将与基底相关的燃烧份额的表征性参数与保存在处理装置的数据库中的以光谱方式描述基底的不同的材料或材料组成的许多表征性参数比较来执行所述确定。尤其地，表征性参数能够是强度尖峰或与波长相关的强度峰值。
19.适宜地，借助于处理装置能够输出：在激光焊接过程期间是否发生基底的燃烧。为此，处理装置能够输出例如声学和/或光学信号，所述声学和/或光学信号向激光焊接系统的操作者指示发生基底的燃烧。然后，操作者能够在必要时手动停止激光焊接系统的运行并且拣出因燃烧而受损的基底。
20.此外，在激光焊接过程期间出现基底燃烧的情况中，能够停止激光焊接系统的运行。有利的是，在这种情况下，激光焊接系统的运行能够自动中断。通过停止激光焊接系统的运行，可行的是，防止进一步燃烧。
21.光信号能够因焊球熔化而构成并且在激光焊接过程期间发生燃烧的情况下附加地因燃烧而构成。在此，焊球的熔化能够有助于光谱中与基底无关的正常份额，而燃烧能够有助于光谱中与基底相关的燃烧份额。在此，由焊球熔化引起的贡献尤其能够归因于由经热学加热的焊球所放射的红外线或热辐射，而由燃烧引起的贡献能够尤其归因于由经热学加热的基底所放射的红外线或热辐射和因基底燃烧所放射的肉眼可见的光。
22.根据本发明的激光焊接系统包括用于将焊球输出到基底的可焊接的面上的焊球输送设备和用于至少部分地熔化焊球的激光设备，其中激光焊接系统包括用于监控激光焊接过程的监控设备，其中监控设备具有：光学的检测装置，所述检测装置用于检测在激光焊接过程期间构成的光信号；和分光镜装置，所述分光镜装置用于将光信号分解为光信号的光谱，其中监控设备具有处理装置，借助于所述处理装置能够分析光谱并且根据光谱的状况可识别在激光焊接过程期间是否发生基底的燃烧。关于根据本发明的激光焊接系统的有利效果，参见对根据本发明的方法的优点描述。
23.有利的是，光学检测装置能够包括至少一个会聚透镜。会聚透镜于是能够聚集与光信号相关的光并且将其转发给分光镜装置。
24.适宜地，激光焊接系统能够包括玻璃纤维装置，借助于所述玻璃纤维装置，光信号能够从光学的检测装置传输给分光镜装置。
25.在激光焊接系统的一个有利的实施方式中，处理装置能够包括数据库，在所述数据库中可保存有以光谱方式描述基底的不同的材料或材料组成的多个表征性参数。尤其地，处理装置能够是计算机，其硬盘能够构成数据库。
26.激光焊接系统的其他有利的实施方式从回引方法权利要求1的从属权利要求的特征描述中得出。
附图说明
27.下面将参照附图详细阐述本发明的优选的实施方式。
28.附图示出：
29.图1示出激光焊接系统的示意图；
30.图2示出针对两种不同激光焊接工艺的光谱的图表式视图。
具体实施方式
31.图1示出激光焊接系统10的示意图，所述激光焊接系统包括用于将焊球21输出到基底19的可焊接的面20上的焊球输送设备11和在此未示出的用于至少部分地熔化焊球21的激光设备。在此，借助于激光设备可构成激光射束12，所述激光射束一方面以作用于焊球21的方式导致焊球21的部分熔化，而另一方面，如在图1所示出的那样，也以直接射到基底19上的方式引起基底19的燃烧22。由于焊球21的熔化并且由于燃烧22，构成光信号23。
32.此外，激光焊接系统10包括监控设备13，所述监控设备具有用于检测光信号23的光学检测装置14。此外，光学检测装置14包括会聚透镜17。经由激光焊接系统10的玻璃纤维设置18，光信号23随后从光学检测装置14传输给监控设备13的分光镜装置15，借助于所述分光镜装置，光信号23被分解成光信号23的在此未示出的光谱。此外，监控设备13具有处理装置16，借助于所述处理装置可分析所述光谱并且根据所述光谱的状况可识别：在激光焊接过程期间是否发生基底19的燃烧22。在激光焊接过程期间发生基底19的燃烧22的情况下，停止激光焊接系统10的运行，尤其以便防止进一步的燃烧22。
33.图2示出针对两种不同激光焊接过程的光谱24以及光谱25。在此，在横轴26上绘制以纳米为单位的波长，并且在纵轴27上绘制任意单位的强度。光谱24或25包括与基底无关的正常份额28或29，其中正常份额28基本上与正常份额29一致。此外，光谱24或25包括与基底相关的燃烧份额30或31。尤其地，在此可看到的是，关于相对于横轴26的方位，燃烧份额30的强度尖峰32与燃烧份额31的强度尖峰33明显不同。因此，燃烧份额30、31或光谱24、25起因于不同的基底类型或具有不同材料或材料组成的基底。强度尖峰32、33的方位和高度是一种光谱指纹，根据所述光谱指纹能够确定基底的材料或材料组成。