用于互连的连续和非连续加工步骤的卷对卷制造设备

摘要

本发明涉及一种连续加工设备(100)，特别是用于加工带状基材(101)的卷对卷连续制造设备。连续制造设备包括在输送方向(X)上移动带状基材的第一驱动仪器以及带状基材穿过其的至少两个加工区域(110，120，130)，以便带状基材的不同区域可以同时加工，其中，至少两个加工区域包括：用于非连续加工的第一加工区域(110，120)，以及用于连续加工的第二加工区域(130)，其中，连续加工使用回流焊接加工装置进行。回流焊接加工装置(130)包括至少一个热源(W)，和沿着带状基材相对于第一加工区域移动热源的第二驱动仪器。第二驱动仪器配置成，与带状基材(101)输送方向(X)相反地沿着带状基材(101)相对于第一加工区域(110，120)移动热源(W)，即使第一驱动仪器保持静止。

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续制造设备，特别是用于加工带状基材的卷对卷连续 制造设备。连续制造设备包括在输送方向上移动带状基材的第一驱动仪器， 以及至少两个加工区域，带状基材穿过该区域，以使带状基材的不同区域可 以同时加工，至少两个加工区域包括：用于非连续加工的第一加工区域和用 于连续加工的第二加工区域，连续加工用回流焊接加工装置来进行。回流焊 接加工装置包括至少一个热源。本发明还涉及一种使用该设备在带状基材上 连续制造产品的方法。

背景技术

例如，从期望被授予专利且具有申请号为EP2160263，题目为“REFLOW -LOTANLAGEMITANEXTERNETRANSPORTGESCHWINDIGKEITEN ANPASSBAREMTEMPERATURPROFIL”的专利申请中可获知该设备。

用于卷对卷连续制造(reel-2-reel)的系统很少在弹性衬底上的电子组件 的回流焊接中使用。主要的障碍是回流加工与例如用于带状导体的膏的印刷 以及电气和电子部件的施用等其它先前加工步骤的连接。例如，虽然用于施 加膏的印刷加工和部件的施用顺序地(非连续地)进行，即，在执行这些加 工期间，带保持静止，但由于热需求，回流加工必须连续进行。

为了建立部件之间的电连接，带状基材首先印刷有焊膏，随后配备部件。 在施用部件时，带开始移动，且带状环形基材的配备部分进入系统以再熔化 焊膏。在本文中，再熔化操作以可控方式进行，除了其它因素以外该可控方 式取决于焊膏特性、部件、施用密度等。例如，在部件尺寸大不相同的情况 下，对于再熔化焊膏，必须考虑不同的加热持续时间，从而保证电气、热和 机械性能方面的连接质量。因此，系统中的焊接加工通常伴随特定后果，因 此在基材上产生期望的温度曲线，从而，一方面，焊膏的可靠液化发生在所 需时间段，另一方面，不会产生敏感部件的过热。因此，运输过程的中断严 重地妨碍了热处理并且导致非可再生产品产生。

发表在PLUS7/2014的1544页至最后的，由DR.HansBell，MichealGempp 和StephanSchulz撰写的文章“Rolle-zu-Rolle-FertigungvonMID-basierten Mikrosystemen”中，互连的连续和非连续加工步骤的问题由具有整体的产品 支撑的承载带来解决。例如，单个的产品支撑可从承载带中释放从而使其受 到连续回火加工。在执行连续加工时，产品支撑再一次集成到环状带中。对 于该解决方案，由于必须给非连续和连续加工提供单独的输送设备，并且互 锁传送带必须在复杂的加工中生产，例如，在连续喷射模制加工中生产，因 此需要大量的装置。而且，必须提供再次释放和集成互锁传送带中的互锁产 品支撑的设备。

专利文献EP2160263也提出了基材难于从一个加工站引导到下一个加 工站的问题，例如，当加工环形弹性基材时，这是因为确定的线循环随后必 须要和再熔焊接操作的热力学需求相一致。在本文中描述的“环形”基材包 括以直线布置的相等部分，例如，电路或印刷电路板，也称之为“图像”， 在大部分情况下，在单个电路之间只存在仅仅几毫米的基材，例如，为了便 于随后的分离过程。为了允许回流焊接系统中的连续输送操作，松散环形式 的“缓冲器”提供在系统的上游以考虑不同的输送速度以及单个加工系统的 方法，即，施用设备、印刷设备以及回流操作系统。为了能够以弹性方式调 整加热曲线，在专利文献EP2160263中，提供了分段热传导表面形式的热源。 单个的分段可互换以弹性调整温度曲线。为此，单个的分段设置有驱动单元， 通过驱动单元，加热盘分段可垂直于输送方向或者平行于输送方向转移。例 如，如果用冷却分段替代加热分段，则加热段垂直于基材带的的输送方向推 出加热区域，并且推入冷却分段。如果相比于要替代的分段的更小或者更大 的分段插入到加热区域中，则相邻分段必须沿着输送方向转移以提供更优的 不间断的加热/冷却区域。虽然在专利文献EP2160263中，单个的加热元件 可相对于带状基材移动，但只有带状基材根据加热区域的温度曲线移动时， 连续焊接操作才是可能的。在上游的连续刷膏和施用加工与下游的连续焊接 加工之间的带运动的改变唯一地由带环形式的带缓冲器来影响。然而，由于 带状基材的强弯曲，这在技术上难以实现，会产生焊接和电器部件的粘着问 题。

因此，本发明的目的是以廉价的方式提供一种连续制造设备，该设备互 连连续热加工操作和非连续加工操作，例如，施用程序。本发明进一步的目 的是提供一种用于电气或者电子产品连续制造的方法，通过该方法，非连续 加工步骤和连续加工步骤能够以廉价的方式互连。

发明内容

该目的由根据权利要求1的连续制造设备来实现。

特别地，通过在开头所述的类型的连续制造设备来实现该目的，其特征 在于沿着带状基材，相对于第一加工区域，第二驱动仪器用于移动热源，该 装置配置成，与带状基材输送方向相反地沿着带状基材相对于第一加工区域 移动热源，即使第一驱动仪器保持静止。

根据本发明的连续制造设备具有以下作用：焊接加工所需的温度曲线由 与带的运行方向相反的热源移动来产生。这涉及移动热源的机构，其设计为 使路径足够长以产生相应的温度曲线。

在其中的一个实施例中，连续制造设备还包括控制器件，其配置成控制 第二驱动仪器，以使热源以这样的方式移动：焊接加工所需的预定温度曲线 T(t)在带状基材的预定区域上获得。

温度曲线通过与带输送方向相反地移动热源来产生。因此，运输原理可 被模拟，以便连续回火加工仍然可以对带状基材上的产品进行，即使带状基 材保持静止，以在带状基材的另一个位置上施加焊膏，并且在带导体上施加 电气部件。这意味着，连续回火加工可以独立于不同的定时的上游或者下游 加工步骤来进行。

在与带输送方向相反的移动热源期间，热处理进一步允许实现进入回流 焊接系统的随后图像的更好的热分离。如果热源返回到其原始位置时关闭， 温度处理区域可以以可控的方式冷却下来，并且传输到随后产品的热量变 少。如果随后的图像需要不同的温度曲线，其是特别有利的，并且先前产品 的温度影响会扰乱温度曲线。

此外，在带输送方向相反的移动热源期间，通过热处理，能够在带上加 工任何产品长度，其也称之为图像长度。最大图像长度仅由热场的运动路径 决定。带的速度必须适于图像长度。然而，带的速度还可以影响温度曲线。 在一个实施例中，为了能够尽可能灵活地和精确地使用制造设备，控制器件 配置成根据产品长度和/或预定温度曲线来控制带状基材的输送速度。

当带保持静止时，温度曲线由热长的温度分布和热源移动的速度来决 定。

在最简单的情况下，例如，可以用点热源来获得所需的温度曲线，该点 热源的热能集中于基材上的点或线上。这将对应于严格限制的线型热场。在 这种情况下，温度曲线由速度和热源辐射的强度来决定。热场的形状是次重 要的。

然而，在一个实施例中，热源还可以是分段的，以便可以产生任何形状 的热区域场，或者具有预定温度分布的数个空间上分离的热场。更多延伸的 热场可减少加工时间并且提供更均匀的温度分布。

例如，在一个实施例中，控制器件可以配置成，根据预定的温度曲线， 单独地控制至少一个热源或者热源的单个分段的强度，使得具有给定温度分 布的热场可以形成。根据产品尺寸和部件高度，需要不同的温度曲线以进行 最佳的焊接加工。为了增加回流焊接加工的灵活性，本实施例允许热场的定 制设计，例如，通过启动热源的单个分段。

在另一个实施例中，在回流焊接加工装置的入口和/或出口处，额外的热 源与带状基材一起静止地或可移动地布置。这具有以下优点：由于带材料以 限定温度保持，因此带材料吸收的未限定的热量减少。

在另一个实施例中，连续制造设备还包含至少一个温度计，通过该温度 计，控制器件可以控制带状基材的运动和/或至少一个热源的运动和/或热源 的热场的形状，例如，通过控制热源的分段的强度，以得到所需的加热曲线。 在本文中，温度计可以包括高温计、热传感器、热图像照相机、热电偶或者 它们的组合，上述温度计可以布置在加工区域中的选定点或者数个选定点。

从而，温度曲线可以在控制回路中更好地调整，并且可以获得可重复焊 接结果。

作为热源，红外辐射器可以包括，例如蝙蝠翼辐射器或者聚焦辐射器； 加热热导体，诸如加热盘或者冷却盘；对流热源，诸如热空气风机；凝结热 源或激光热源，或它们的组合。在卷对卷制造中，对流热源被证明是有利的， 以便已知的设备技术可以廉价地使用。在要求保护的具有在相反方向上移动 的热源的系统中，红外辐射器，特别是聚焦红外光束可能简单且有利的产生 所需的加热曲线。红外辐射器也可简单地实现为列阵，以便还可以产生相对 复杂的热场。由于半导体激光器和发光二极管(LED)技术的进步，发光二 极管(LED)和半导体激光器，特别是垂直辐射半导体激光器(VCSEL)作 为红外辐射源使用。对于选择性地冷却，还可以使用冷却或加热的热导体， 例如热盘/冷盘。

上述目标还通过带状基材上的产品的连续制造的方法来实现，该带状基 材在输送方向上移动通过数个加工区域，带状基材的不同区域在不同加工区 域中同时加工，并且在第二加工区域中，执行连续热处理加工，其中，热源 相对于带状基材移动，并且在第一加工区域中，执行非连续加工，其中，加 工工具相对于带状基材保持静止。该方法特征在于，第一程序步骤：停止带 状基材；和第二程序步骤：在第二加工区域中，在与带状基材输送方向相反 的方向上移动热源，并且同时在第一加工区域中加工所述衬底。

如上所述，该方法具有以下优点：印刷和配备带状基材的非连续加工， 即，当带保持静止时的工作过程，可以与连续热加工(即，需要带相对于加 工区域运动的加工)互连。这意味着，连续加工可以独立于非连续加工的循 环来执行。

在该方法的一个实施例中，第二程序步骤还包括打开和控制热源以产生 预定的温度曲线，控制热源的步骤包括下面的至少一个：控制热源或被分段 的热源的分段的强度以产生具有预定温度分布的热场；以及控制热源的运 动。从而，可以产生任何所需的温度曲线，并且设备可以灵活地用于不同的 图像和图像尺寸。

在另一个实施例中，第二程序步骤还包括：在第二加工区域中，检测带 状基材的至少一点处的温度；在第二加工区域中，测量带状基材的温度曲线； 将测量的温度曲线和预定的温度曲线进行比较；以及控制热源以使预定的与 测量的温度曲线之间的差异最小化。从而，对于焊接加工，可以获得可重复 的结果。

在另一个实施例中，该方法还包括：第三程序步骤，启动带状基材输送 运动；以及第四程序步骤，反转热源移动方向。当例如施加焊膏和部件的非 连续加工被终止，并且带状基材的下一部分输送到加工区域时，第三和第四 程序步骤完成。第三和第四程序步骤可以执行，使得热加工连续地继续。然 而，只要热源在与带状基材的输送方向相同的方向上移动，关闭热源是有利 的，以允许温度可控基材部分的可控冷却以及减少沿基材带的热传输。

如果热源不关闭，可以控制热源的运动，使得热源与基材之间总是给予 恒定速度的相对运动，即使带状基材相对于第二加工区域是静止的。在这种 情况下，不论带状基材是移动的或保持静止，均能完成基材材料的连续，即， 不间断的热处理。

需要注意的是，所描述的程序步骤(第一程序步骤、第二程序步骤、第 三程序步骤、第四程序步骤)一个接一个地进行，而一个程序步骤内的加工 可同时发生。

附图说明

结合所附附图，在下文中以更加详细的方式来说明本发明的实施例、进 展、优点，以及可能的应用。在本文中，独立于权利要求或其参考中的概述， 所有的通过其自身描述的和/或说明的特征或任何组合基本上是本发明的主 题。此外，权利要求的内容作为说明书的的一部分。在附图中：

附图1示出了根据本发明的连续制造设备的实施例；

附图2示出了聚焦红外热源的温度分配；

附图3示出了在回流焊接加工中的温度曲线；

附图4示出了被分段的热源中的热场的示例；以及

附图5示出了空间上分离的热场的示例，该热场由数个被分段的热源串 联在一起形成。

具体实施方式

附图示出了用于通过加工带状基材101的电子产品的卷对卷制造的连续 制造设备的一实施例。带状基材101包括弹性材料，例如塑料、织物或者例 如铜的金属，该材料从在设备100的入口侧的卷盘102-1中抽出，在设备100 中加工，并且在设备100的出口侧的卷盘102-2中再卷上。带状基材101穿 过系统100，并且在加工区域110、120和130中加工。例如，加工区域110 可以是用于在带101上印刷焊膏的印刷站，站120可以是相应部件自动施加 在其中的施加站，并且站130表示回流焊接系统。带状基材101的输送方向 用X(参见附图1右侧的箭头)来表示。在附图1表示的装置中，回流焊接 系统130容纳在具有入口和出口开口的腔室中，带状基材101在入口和出口 开口中穿过。在回流焊接系统的腔室中，示出了对称地布置在带状基材101 的上部和下部的热源(附图标记是W-1和W-2)。为了更精确地调整温度曲 线，热源W布置于带状基材101的上部和下部。附图1中，热源W-1和 W-2的右侧和左侧的箭头表示热源W-1和W-2可以沿着带状基材101，相对 于彼此同步地移动。然而，热源W-1和W-2的两件式设计不是强制性的， 甚至可以在带状基材之上仅具有一个热源W-1，温度曲线也可以实现。带状 基材101的支撑150作为带状基材的支架，其中，支撑包括具有低滑动摩擦 值的耐热材料，例如，特氟纶，以便平滑带状基材101的变形，例如，由于 回流加工装置130中的热的作用，带的波动或者横向弯曲。此外，为了保证 被带材料吸收未限定的热量，一个热源140-1布置在入口处，并且一个热源 140-2布置在系统的出口处，并且将带材料保持在限定温度。热源140-1和 140-2可以是静止的或也可以沿着移动。附图1还示出了在热源W-1下部的 产品I(图像)。

在下文中，将描述方法，通过该方法，在从分配卷盘102-1通过加工区 域110、120和130到接收卷盘102-2的路径中加工产品I(图像)。首先， 产品是从分配卷盘102-1中抽出的带状基材101上的不精确指定区域。未图 示的控制器件使未图示的驱动仪器移动带状基材101，以便带状基材101上 的产品区域移动到第一加工区域110中。当产品区域位于第一加工区域110 时，控制单元使第一驱动仪器阻止带状基材。例如，在第一加工区域110中， 产品区域印刷有代表带导体的焊膏。将基材材料印刷在第一加工区域110中 时，根据控制器件的指令，第一驱动机构使带状基材移动以将带的印刷区域 输送到第二加工区域120中。在那里，带再次停止，并且基材的印刷部分配 备上电子部件。

随后，带状基材再次移动，使得空白图像I被输送通过回流焊接系统130。 在加工中，图像I或者空白图像(也就是，还没有完成的产品)经过坐标系 中的点X1、X2、X3和X4，该坐标系相对于连续制造设备是静止的。例如， 在带状基材101的连续移动中，图像I上的点P是在时间t1位于位置X1处 的点，在时间t2位于位置X2处的点，在时间t3位于位置X3处的点，并且 在时间t4位于位置X4处的点。空白图像由控制装置移动，例如，移动到点 X3。此时，在上游带区域没有发生施用或者印刷。例如，空白图像移动到点 X3，同时刚刚印刷的带部分从第一加工区域110输送到第二加工区域120。

需要注意的是，图1仅仅是设备的示意图，且单个站之间的距离以及站 自身尺寸并未按正确的比例示出。附图1仅用于示出设备的结构组成并且说 明设备的操作。

在点X3，空白图像I停止，以便在加工区域110和120中，可以在带状 基材上开始印刷和施用。例如，此时，热源W-1和W-2位于点X4。在带状 基材刚刚停止之后，控制器件使热源W-1在与基材输送方向相反的方向上移 动，并且移动到空白图像I之上。通过控制热源W-1和W-2的速度，温度和 温度梯度可以调整到实现焊膏的可控再熔和焊膏的冷却而不损坏电子部件， 温度梯度就是在基材上的某个点处的温度变化的有多快。

附图1示出了腔室130，其与图像I相比是相对大的，并且在其中，只 有单个图像I被加工。然而，这仅是设备和操作的简化示意图，并且还显示 了设备的灵活性。例如，在回流焊接加工装置130的腔室中，可加工一个非 常大的图像I或者数个小图像，以便可使用从点X4到点X2的热源W-1和 W-2的整个移动区域。

当在回流焊接装置130的腔室中的所有图像已经被热处理时，热源W-1 和W-2位于腔室的左端，例如在位置X2，并且控制器件阻止热源W-1和 W-2的移动。之后，控制器件再次启动带状基材的移动，以便图像I移出回 流焊接加工装置130，并且移向产品最后卷上的接收卷盘102-2移动。带状 基材101的开始移动的同时，控制器件使热源W-1和W-2与带101再次移 动到回流焊接加工装置130的腔室的另外一端。在与带的输送方向相同的方 向上移动热源期间，控制器件关闭热源W-1和W-2，以便在该期间，不发生 热处理。这具有以下优点：回流焊接加工装置130的腔室中的图像能够以可 控的方式冷却，并且一个图像获得比还没有热处理的下面的图像更好的热分 离。例如，随后图像可以代表具有需要另一个加热曲线的其它电气部件的其 它产品。通过在关闭状态，将热源W-1和W-2返回到回流焊接加工装置130 的腔室的相反侧，在随后图像上的加热曲线的影响减小，随后图像可选地需 要不同的加热曲线。而且，在关闭状态的热源移动期间，带状基材的限定区 域可以选择性地冷却而不影响相邻区域，以便实现可重复焊接结果。

然而，用相同的产品时，在热源返回时，使热源W-1和W-2打开也是 可能的。在这种情况下，热源W-1和W-2的运动速率低于带状基材的输送 速度。在此选择速度差以使连续回火加工以恒定温度曲线发生在回流焊接加 工装置130中，使得热源与带状基材101之间的连续相对运动具有恒定的速 度，尽管带运动被定时，并且热源不断地在回流焊接加工装置130的腔室中 往复运动。

在附图1中，为了简明起见，热源显示为在基材整个宽度上的点热源或 者线性热源。例如，这可以通过电阻丝或者具有光学的红外激光二极管来实 现，其中，电阻丝横跨带横向地引导至运行方向，二极管将线性穿过带的辐 射红外射线聚焦到带的表面上。

附图2示出了用点热源可以实现的热场。附图2特别示出了用于点热源 的热场的温度分布，例如，点热源聚焦在附图1的图像I上的点P。由于聚 焦的热能量，形成在图像上指导的狭窄温度峰。根据在图像上指导的热源的 速度，图像表面加热到更大或更小的程度。例如，选择速度，使得焊膏再熔 的温度大约为230℃。根据基材、焊膏和电子部件的热容量和热传导性，速 度可以变化，热源必须在图像上被指导以实现再溶焊膏的温度。

在非聚焦红外辐射的情况下，附图2中示出的峰会更宽。例如，在更宽 的峰的情况下，在图像的某个点，与具有聚焦红外光束的相比，只能达到较 低温度增加速率。聚焦红外光束允许温度曲线的更精确的控制，但是其涉及 图像上的温度在某个点过快增加的风险，使得由于在不同速度膨胀的材料之 间的机械应力，图像会损坏产品。

附图3示出了回流焊接加工中所需的典型温度曲线。焊接曲线示出了图 像上的某个点处的时间范围上的温度变化。相反，附图2中的温度分布示出 了图像上的空间温度分布，即，独立于时间。

在附图3中，表示的是附图1中图像I上的点P处的温度。当设备运行 时，点P从点X1经由点X2和X3到点X4。在时间t1时，点P位于制造设 备的点X1处。X1处普遍的温度对应于回流焊接加工装置130外部的环境温 度。从点X1到点X2的路径中，图像I上的点P经过基材加热到大约100 ℃处的预加热区域140-1(参见附图1)。这对应于附图3中的区域VH(预加 热)。在时间t3时，点P大约位于回流焊接加工装置130中的点X3处，并 且带101保持静止。同时，热源W-1和W-2已经移动横跨点P，使得表明点 P处温度的相对急剧的增加。在温度增加的该区域中，通过焊膏再熔并且与 基材和部件的终端连接，发生焊接加工。该焊接区域用附图3中L来表示(焊 接)。当热源已经经过点P时，点P将开始冷却，热源进一步远离点P直到 热源关闭。随后，带运动再次启动，并且点P向点X4移动，其在时间t4到 达点X4。在回流焊接加工装置130的出口处的热源140-2的下游注意的是， 通过经由带101的热传导，没有不可控的热损耗发生，使得点X4处的温度， 即，在时间t4时，例如大约为100℃。

如上所述，所需的温度曲线T(t)取决于产品结构和其参数，例如，基材 的热容量和热传导性、焊膏和部件，使得可选地，所需的温度曲线难以用点 热源达到。在这种情况下，热源可以表现为屏蔽热矩阵的形式，该热矩阵包 括一个或数个单个可控场。附图4示出了具有四个分段Wa、Wb、Wc和 Wd的热源W，通过该热源，可以实现更复杂的热场WF。附图5示出了三 个相邻的屏蔽热源W10，W20和W30的阵列，该阵列可以产生三个不同的 空间上分离的热场WF1，WF2和WF3。

附图4示出了三个不同的热场WF，如果单个分段Wa、Wb、Wc和Wd 可以单独地调整，热场可以以示例的方式用屏蔽热源W来实现。温度分布 T₁(X)示出了这样的情况：外部热源Wa和Wd的强度调整为小于中心分段 Wb和Wc的强度。T₂(X)示出了热场WF，其中，所有分段促成一样的强度。 热场WF的温度分布T₃(X)示出了这样的情况：外部热源Wa和Wd在热场 中具有比中心分段Wb和Wc更高的强度。温度分布T₁(X)导致更平坦的温 度曲线，而其它极端，温度分布T₃(X)，可以用于需要更快局部加热的温度 曲线。

附图5示出了热源，其中预加热区域和冷却区域已经集成在热源中，并 且和焊接区域一起在图像上移动。例如，热场WF1用于预加热，热场WF2 用于焊接，并且热场WF3用于冷却。

这样复杂的热场不需要必须用根据同样结构原理的热源来实现，而是还 可以集成不同的技术。例如，热场WF1可以用红外辐射器来实现，热场WF2 用对流热源来实现，并且热场WF3用冷盘来实现。可以结合任何技术，例 如，红外辐射器、聚焦红外辐射器、例如热盘或冷盘的加热热导体、对流热 源、凝结热源。基于红外激光器的热源、红外半导体激光器、VSCEL装置 (垂直腔体表面发射激光器)，或者红外发光二极管。

为了增加焊接工艺的可重复性，可使用不同的闭环控制操作以更好的可 重复和更精确的方式来调节温度曲线。例如，用回流焊接系统中的温度传感 器，系统中的温度曲线或温度分布可以被测量，并且根据这些值，可以调整 加工参数，以便焊接加工需要的温度曲线能够尽可能精确和可重复地调整。 例如，温度曲线可以通过以下方式来修正：通过改变带状基材的输送速度， 改变热源的运动速率，并且通过单度地调整被分段的热源的单个分段，或者 通过调整热场阵列(参见附图5)中的热场。为了测量温度，可以使用高温 计、温度传感器、热电偶、热图像照相机或者它们的组合。可以使用数个热 电偶，其可以分布在回流焊接加工装置中，或者可以使用单个传感器，其沿 着相对于图像I上的某个点P放置。