DD214443B1 - Verfahren und anordnung zur automatischen bestimmung von benetzungswinkeln - Google Patents

Description

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichteter stark gebündelter Lichtstrahl, vorzugsweise Laserstrahl, koordinatenabhängig mit einem definierten Winkel reflektiert wird, wenn er auf die von einer eingetauchten Probe gebildeten Meniskuslinie fällt. Dazu ist ein Prisma auf einer Positioniereinrichtung montiert, die eine Wegverschiebung in den zwei Koordinatenrichtungen einer waagerechten Ebene realisieren kann. Über dieses Prisma wird der von einer Lichtquelle ausgesendete Strahl auf die Flüssigkeitsoberfläche umgelenkt. Ein geeignetes Spiegelsystem gewährleistet, daß der ausgesendete Lichtstrahl den Verschiebungen des Prismas mittels der Positioniereinrichtung folgen kann. Das Prisma kann auf zwei feste Koordinaten gestellt werden, wobei der auf die Oberfläche gerichtete Lichtstrahl über je einen weiteren Spiegel pro Koordinate in die Horizontale gelenkt wird und auf einen Fotosensor trifft. So können zur Justage des Prozesses auf eine beliebige Probe zwei Lichtschranken aufgebaut werden, die sinnvollerweise in der waagerechten Ebene um 90° versetzt arbeiten. Bei Unterbrechung der Lichtschranken ist ein Probenrand gefunden. Mit Kenntnis der Probenkoordinaten bezüglich der Positioniereinrichtung kann über das Prisma der Lichtstrahl dicht neben die Probe gerichtet werden, wo bei Eintauchen der Probe in die Flüssigkeit der sich bildende Meniskus zu erwarten ist. Ist die Probe in die Flüssigkeit eingetaucht, wird das Prisma radial von der Probe wegbewegt, der auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtete Lichtstrahl tastet die Meniskuslinie ab. Der reflektierte Strahl überstreicht räumlich fixierte Sensoren, die den Lichtstrahl elektrisch auswerten können. Bei jeder Initialisierung eines Sensors wird die Wegkoordinate, die das Prisma von der Ausgangsstellung aus zurückgelegt hat und die betreffende Sensoradresse gespeichert, letztere liefert den Reflexionswinkel. Mit Hilfe der Ausgleichsrechnung lassen sich alle Anstiege in jedem beliebigen Punkt der Meniskuskurve berechnen. Im Punkt des Überganges der Meniskuskurve zur Probenoberfläche ist der Anstieg der Kurve gerade die 90°-Ergänzung zum gesuchten Benetzungswinkel. Um Positionierungenauigkeiten zu kompensieren, ist eine Oszillation des Lichtstrahls quer zum Strahlengang sinnvoll, da so in jedem Fall die Meniskuskurve getroffen werden kann. Die Oszillation ist besonders vorteilhaft bei extrem kleinen Probenabmessungen.

In Figur 1 ist das Prinzip des Verfahrens dargestellt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:

Ein waagerechter Lichtstrahl wird optisch auf das am Positioniertisch befestigte Prisma gelenkt und in die Vertikale nach unten gekippt. Die auszumessende Probe wird in eine entsprechende und dafür vorgesehene Halterung eingespannt. Die elektronische Steuerung bringt den Positioniertisch auf eine Koordinate, bei der der Lichtstrahl über einen Spiegel in die Horizontale umgelenkt wird und auf einen Fotosensor auftrifft. Die Lichtschranke ist in einer Höhe aufgebaut, in der sich auch die Probe befindet. Nun bewegt sich die Lichtschranke mit Hilfe einer Achsenverschiebung des Positioniertisches auf die Probe zu, bis sie die Lichtschranke unterbricht. Die Verschiebung geht bis zum Wiederkehren der vollständigen Lichtschranke weiter, also bis sich die Probe vollständig außerhalb des Lichtstrahles befindet. Mit dem Unterbrechen und dem anschließenden Wiederaufbau der Lichtschranke ist die Breite bzw. der Durchmesser der Probe bekannt. Gleichzeitig ist die Probe koordinatenmäßig bezüglich der Verschiebungsachse fixiert. Nun wiederholt sich der gesamte Prozeß, jedoch mit Hilfe der zweiten, zur ersten um 90° versetzten Achsenverschiebung des Positioniertisches mit dem Ergebnis, daß die Lage der Probe bezüglich des Prismas und die Abmessungen der Probe bezüglich ihres Querschnittes bekannt sind. Jetzt führt die Positioniereinrichtung das Prisma in eine Position, bei der der Lichtstrahl dicht neben der Probe fixiert ist. Zu beachten ist, daß der Lichtstrahl nicht schon durch Unebenheiten in der Probenoberfläche diffus reflektiert wird. Ist der Lichtstrahl positioniert, taucht die Probe in das schmelzflüssige Lot ein, der Lotmeniskus bildet sich aus. Die Positioniereinrichtung bewegt nun das Prisma radial von der Probe weg, wobei der Lichtstrahl die Meniskuslinie^btastet. Der von der Lotoberfläche reflektierte Lichtstrahl schließt mit dem lotrecht ausgesendeten Strahl, in Abhängigkeit vom angefahrenen Kurvenpunkt der Meniskuslinie, einen bestimmten Reflexionswinkel ein. Räumlich fixierte Fotosensoren empfangen den reflektierten Lichtstrahl und sind somit aussagefähig über den Reflexionswinkel, während die Positioniereinrichtung die Wegkoordinaten ständig speichert. Als Meßergebnis stehen eine Reihe von Wertepaaren, ihre Anzahl ist dabei von der Anzahl der verwendeten Fotosensoren abhängig, zur Verfügung, die die Basis einer Ausgleichsrechnung bilden. Das Endresultat ist der gesuchte Benetzungswinkel, der die 90°-Ergänzung zum Anstieg der Lotmeniskuskurve in ihrem absoluten Maximum (Kontaktstelle Lot — Probe) darstellt.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur automatischen Bestimmung von Benetzungswinkeln mittels Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, die optisch, mechanisch und elektronisch positionieret, von der spiegelnden Oberfläche reflektiert, mittels räumlich fixierter Sensoren erfaßt und durch waagerechte Weg-Koordinaten-Schritte zur Abtastung von Oberflächen gesteuert werden, gekennzeichnet dadurch, daß die Probenunterkante durch automatische Bestimmung der Probengeometrie angefahren und sofort nach Beendigung der programmierten Eintauchphase des Festkörpers in die Flüssigkeit durch Positionierschritte ein oszillierender Lasterstrahl bekannterweise radial von der Probe in der Reflexionsebene wegbewegt wird.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, bestehend aus einem stationären lichterzeugenden System, einer optischen Stahlablenkung, einer Positioniereinrichtung und Fotosensoren, dadurch gekennzeichnet, daß sich zur Positionierung zwei mechanisch verschiebbare Spiegel im Strahlengang befinden und die Positioniereinrichtung aus Meßebenen bezogenen Präzisionstischen besteht und die Fotosensoren der Ausgleichsrechnung angepaßt angeordnet sind.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen Bestimmung von Benetzungswinkeln zwischen einer Flüssigkeit und einer mit ihr benetzten Probe. Die Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo es notwendig ist, einen Benetzungswinkel, der sich zwischen Werkstoffoberfläche und einem dort angrenzenden Meniskus bildet, exakt zu bestimmen, wenn der betreffende Werkstoff in eine Flüssigkeit eingetaucht ist. Mit diesem Verfahren und der Anordnung ist weiterhin die funktionelle Beschreibung der Meniskuskurve unter Zuhilfenahme der Ausgleichsrechnung möglich. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung hervorragend zur Lötbarkeitsbestimmung geeignet, indem der Benetzungswinkel zwischen metallischer Probe und schmelzflüssigem Lot als objektives Vergleichskriterium der Lötbarkeit unterschiedlicher Proben und Lote genutzt wird.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Es sind eine Reihe von Meßmethoden bekannt, mit deren Hilfe Rückschlüsse auf die Benetzbarkeit von metallischen Proben mit Lot, also auf die Lötbarkeit, gezogen werden können. Allen diesen Methoden ist gemeinsam, daß zur Bewertung der Lötbarkeit ein subjektiver Faktor die entscheidende Rolle spielt.

   Daher lassen diese Methoden nur qualitative Aussagen über die Benetzbarkeit einer Probe mit Lot zu. Eine der jüngsten Prüf methoden ist die Benetzungskraftmessung, bei der das sich ändernde Probengewicht zeitabhängig bei einer Tauchlötung der Probe mit Hilfe einer empfindlichen elektronischen Schneilwaage registriert wird (vgl. Technische Dokumentation des Industrie-Meniscographen vom „Bergmann-Skalen-Vertrieb Elektronischer Erzeugnisse", BRD). Verwendet man eine plättchenförmige Probe mit den Idealabmessungen Dicke gleich Null und unendliche Flächenausdehnung, läßt sich über einen mathematisch exakten Zusammenhang der Benetzungswinkel berechnen. Hier wird der wesentliche Nachteil dieses Meßprinzips ersichtlich, denn jede Abweichung von dieser theoretischen Probengeometrie bedeutet einen mehr oder weniger großen Fehler. Durch die nicht unkomplizierte Bestimmung der absoluten Meniskushöhe kann zwar dieser Fehler in Grenzen gehalten werden, jedoch ist in jedem Falle eine plättchenförmige Probe Voraussetzung. Um Randwinkelprobleme auszuschließen, ist eine Mindestabmessung der Probe von zirka 20 mm Breite erforderlich. Die Lötbarkeit von Anschlußfahnen elektronischer Bauelemente kann so nur geschätzt werden. Weiterhin ist für die Berechnung des Benetzungswinkels nach der Kraftmeßmethode die Kenntnis der Lotoberflächenspannung und des Auftriebes der Probe im Lot erforderlich, die nur aus Zusatzmessungen abzuleiten ist. Des weiteren ist eine Meßanordnung bekannt, die einen Flüssigkeitsmeniskus partikulär über nur zwei Punkte austastet, um Rückschlüsse auf die Grenzflächenspannungen an der Phasengrenze flüssig—flüssig oderflüssig — gasförmig zu ziehen (DD, WP 108374) Diese Anordnung ist auf ihre Meßaufgabe zugeschnitten, im übertragenen Sinne gilt das zur plättchenförmigen Idealprobe Gesagte für die Wandungen der Meßküvette, in der sich die Flüssigkeit befindet. Unmöglich ist auch hier die Verwendung von Proben, deren Querschnitt von einem Plättchen abweicht.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Meßmethode und einer Anordnung, mit deren Hilfe genau und exakt die Benetzungswinkel zwischen einer Flüssigkeit und einer mit ihr benetzten Probe unter Ausschaltung subjektiver Fehler bestimmt werden können. Bei Anwendung dieser Meßmethode und der Anordnung aufschmelzflüssiges Lot und einer damit benetzten metallischen Probe soll die präzise Bestimmung des Benetzungswinkels genaue Angaben über die Lötbarkeit vermitteln.

   Darlegung des Wesens der Erfindung

   Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens und einer Anordnung zur automatischen exakten Bestimmung von Benetzungswinkeln zwischen einer Flüssigkeit und einer mit ihr benetzten Probe auf der Grundlage des Reflexionsprinzips von Licht auf spiegelnden Oberflächen.