TWI911845B - 用於製造焊接或燒結結點的構件之溫度調節之方法及焊接或燒結裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於構件之溫度調節之方法，其用於在這些構件之間製造一焊接或燒結結點，其中提供至少一個可控制熱源用於供應待轉移至這些構件之熱能。藉助於至少一個第一溫度感測器在一第一熱位置處量測一構件或一焊接或燒結裝置之與一構件熱接觸之一構件部分的一第一溫度，該至少一個第一溫度感測器與該構件或與該構件部分熱接觸，且藉助於至少一個第二溫度感測器在一第二熱位置處非接觸式地量測一構件或一焊接或燒結裝置之與一構件熱接觸之一構件部分的一第二溫度。藉此，該第一熱位置與該第二熱位置具有一空間距離，使得在溫度變化期間，第一溫度與第二溫度之間的一溫度梯度係可預期的。該經量測第二溫度係基於該經量測第一溫度而校準，以便判定一經校準第二溫度，其中該熱源係至少基於該經校準第二溫度而控制。 本發明進一步係關於一種對應焊接或燒結裝置。

Description

用於製造焊接或燒結結點的構件之溫度調節之方法及焊接或燒結裝置

本發明係關於一種用於構件之溫度調節之方法，其用於在這些構件之間製造焊接或燒結結點，其中提供至少一個可控制熱源用於供應待轉移至構件之熱能。

此外，本發明係關於一種用於在構件之間製造焊接或燒結結點之焊接或燒結裝置，其中該焊接或燒結裝置具有至少一個經配置用於供應待轉移至構件之熱能的可控制熱源。

當燒結及焊接兩個或更多個構件，尤其係電子構件及基板時，有可能藉助於接合材料將其以導電及/或導熱方式彼此連接，其中連接接合材料經燒結或熔融。此處，待連接之構件可在上部工具與下部工具之間壓縮，其中按一般規則，按壓力在燒結期間比在焊接期間實質上更高。在習知燒結或焊接裝置之狀況下，燒結或焊接所需之熱能可經由上部工具及下部工具轉移至構件。

習知燒結或焊接裝置之實例及對應方法描述於例如DE 10 2006 034 600 B4、DE 203 00 375 U1、DE 10 2004 047 359 B3、DE 10 2012 206 403 B3及WO 2014/135151 A2中。

用於製造焊接或燒結結點之裝置或設施可具有一或多個處理腔室，在該一或多個處理腔室中，可設定用於執行焊接或燒結方法所需之處理大氣，且尤其亦在製程期間更改該處理大氣。可藉由合適的輸送構件將先前組合成組件且可在必要時以合適方式且藉由合適手段相對於彼此固定來維持所需位置的待連接之構件輸送至不同處理腔室、自不同處理腔室輸送且在不同處理腔室之間輸送。各別處理腔室中之處理大氣可例如相對於其材料組成、其壓力及/或其溫度來設定及/或更改。舉例而言，可使用不同處理氣體混合物來設定1 hPa與1200 hPa之間的壓力。

在習知的焊接或燒結裝置中，熱能可經由上部工具及/或下部工具輸入。作為一般原理，不定地隔開之加熱板或紅外線輻射器亦可用作熱源。用於加熱構件之另外可能性為藉由感應將熱能輸入至構件中或輸入至合適的載體板中。為此，一或多個感應裝置可佈置於待連接之構件上方及/或下方的處理腔室中。此產生對應感應區，這些感應區經設計使得由感應裝置產生之電磁能輸入至構件中，且在此處產生加熱構件之渦電流。為了冷卻感應裝置，可將這些感應裝置直接連接至流體流經之冷卻劑電路，其中亦可能藉由與處理腔室之壁的熱接觸來進行冷卻。藉由對流進行之冷卻亦為可能的。

作為一般原理，在構件之品質不同的狀況下，可更改感應裝置與構件或與載體板之距離，以最佳化熱輸入或能量輸入。為此，可聯合地或單獨地提昇或降低現有感應裝置。此外，存在可能性使感應裝置之形狀適應構件或載體板之形狀以用於最佳化能量輸入。

相比於藉助於熱輻射或熱接觸進行之構件加熱，藉由感應進行之能量輸入可極易於控制。利用感應裝置，可在幾分之一秒內在零功率與最大功率之間均勻地控制熱輸入。

為了充分使用其中熱能之輸入可以高度動態方式調適的熱源，尤其可能使用前述感應裝置，以便在時間及空間兩者方面進行精確且有差別的溫度控制，有必要提供對熱源的經調適控制，其中亦將考慮構件內部之熱傳輸期間的延遲。對構件溫度之精確量測在此處極為重要。

習知地，構件溫度係由與構件熱接觸之一或多個溫度感測器量測，亦即，溫度感測器抵靠待量測或整合於其中之構件。若將熱能輸入至構件中所處之地點與量測溫度之地點相隔一定距離，則由於構件之熱導率有限，能量輸入與溫度量測之間可接著發生時滯，此可能會引起對構件溫度的控制不精確，且由於「過衝」而引起構件之熱過載。

為了減少此類型之不精確性，可選擇溫度量測之地點，使得其儘可能接近能量輸入之地點。對熱源之控制接著可快速對溫度改變作出反應，然而，構件之實際溫度無法非常精確地量測，此係因為其不直接經受熱能，而是經由熱耦合間接地經受熱能且因此具有時滯。

DE 10 2004 047 359 B3提議將非接觸式光學量測系統（例如高溫計）用於溫度量測。然而，此類型之光學量測系統具有缺點即經量測溫度並非絕對的，而是取決於構件之材料屬性及表面屬性。

DE 11 2008 000 853 T1描述熱處理腔室中的溫度量測，該熱處理腔室具有加熱元件、構件、接觸式溫度感測器及非接觸式溫度感測器。非接觸式溫度感測器佈置於熱處理腔室外部，且用於偵測接觸式溫度感測器及非接觸式溫度感測器之溫度的溫度方位幾乎相同，使得非接觸式溫度感測器之量測值差可由接觸式溫度感測器之量測值消除。尺寸穩定性及感測器質量極低，其具有缺點即產生量測間隙，由此分子數目之變化會快速影響溫度變化。

本發明之目標為指示一種用於構件之溫度調節之方法，其用於在構件之間製造焊接或燒結結點，該方法准許構件溫度之精確設定及溫度感測器之靈活佈置。

本發明亦旨在補償由非接觸式感測器引起的壓力/氣體波動之干擾效應。

該目標係藉由一種具有技術方案1之特徵的方法來達成。該方法之有利發展指示於附屬請求項中。

提議一種用於構件之溫度調節之方法，其用於在構件之間製造焊接或燒結結點，其中提供至少一個可控制熱源以供應待轉移至構件之熱能。藉助於至少一個第一溫度感測器在第一熱位置處量測構件或焊接或燒結裝置之與構件熱接觸之構件部分的第一溫度，該至少一個第一溫度感測器與該構件或與該構件部分熱接觸，且藉助於至少一個第二溫度感測器在第二熱位置處非接觸式地量測構件或焊接或燒結裝置之與構件熱接觸之構件部分的第二溫度。第一熱位置與第二熱位置具有空間距離，使得在溫度變化期間，第一溫度與第二溫度之間的溫度梯度係可預期的。經量測第二溫度係基於經量測第一溫度而校準，以便判定經校準第二溫度，其中熱源係至少基於該經校準第二溫度而控制。對第一溫度及第二溫度之量測較佳地在不同地點處執行。焊接或燒結裝置之與構件熱接觸且在下文中簡稱為裝置構件的構件部分可為例如在製造製程期間承載待連接之構件的載體板、載體框架或構件載體。第一溫度亦可另外由溫度感測器判定，該溫度感測器整合於構件中且可連接至經設計用於執行該方法之控制單元，以便將構件之第一溫度傳輸至該控制單元。因此，若構件或裝置構件之第一溫度係由若干第一溫度感測器量測，則可以合適方式判定第一溫度，例如藉由對由若干第一溫度感測器量測之溫度進行求平均，或藉由其他方法。相同情況亦適用於第二溫度。

第一溫度位置及第二溫度位置之空間間距意謂其在任何狀況下空間地分佈，亦即，佈置於構件之一側上，彼此相隔一空間距離，或佈置於構件之相對側上。舉例而言，第一溫度感測器及第二溫度感測器可以構件直徑之至少5%、尤其係10%之距離佈置於構件之同一側上。在任何狀況下，在加熱或冷卻階段中，可預期，在不同方位處進行量測之第一溫度感測器及第二溫度感測器將記錄展示溫度梯度之量測值。在熱平衡（equilibrium）下，亦即，在恆定溫度條件下停留時間較長之情況下，溫度梯度可變得較小或完全消失。然而，若來自熱源之熱輸入至少在諸如在加熱或冷卻階段期間改變，則可預期，由於第一溫度感測器與第二溫度感測器之間的空間距離不同，這些溫度感測器將記錄不同的量測值。在任何狀況下，無法假定第一溫度感測器記錄與第二溫度感測器相同的量測值，此意謂第二溫度感測器可在溫度改變時，特別係在動態溫度條件之狀況下由第一溫度感測器校準，作為溫度梯度之部分。有利地，可藉由溫度感測器之隔開佈置來達成佈置之較高靈活性，因此較佳地，在構件或構件載體之面向熱源之一側上的第二溫度感測器，作為與該構件熱接觸的構件，可偵測第二溫度以用於控制熱源，而第一溫度感測器可佈置於構件或構件載體之機械上可容易接近的點處，以便偵測第一溫度。因此，利用隔開之佈置，即使在受限空間或難以接近之溫度方位中，藉由第一溫度感測器之第一溫度對第二溫度感測器之第二溫度的精確校準亦係可能的，且已整合於構件中之溫度感測器亦可用作例如第一溫度感測器。

在根據本發明之方法中，第一溫度及第二溫度因此以合適方式組合，以便在構件處達成最佳溫度控制。較佳地，量測第一溫度及第二溫度，其方式為使得溫度在已界定時段內未實質上改變，從而使得可大大地減少在構件內部或在構件與與其接觸的裝置構件之間的熱均衡期間的時滯之影響。第一溫度及第二溫度可在同一構件處或在同一裝置構件處量測，或在不同構件或裝置構件處量測，且在任何狀況下在兩個空間上遠離的熱位置（亦即，熱方位）處量測。

在此上下文中，校準意謂在指定條件下，用以判定由第二溫度感測器輸出的溫度變數（具有相關聯量測不確定度的溫度變數）之量測值與第一感測器（作為具有相關聯量測不確定度的參考溫度感測器）之量測值之間的關係之活動總和。此相關性可用以考慮第一溫度方位與第二溫度方位之間的空間距離之影響以及由量測技術引起之其他差異。

判定經校準第二溫度尤其解決以下事實：利用非接觸式操作溫度感測器，經量測第二溫度按一般規則會與此量測點處之實際溫度相異，此係歸於事實即非接觸式地量測溫度可能由於正在量測溫度的構件或裝置構件之材料屬性及/或表面屬性而發生變化。

根據一較佳具體實例，該方法在可設定的處理大氣中執行，其中設定處理大氣至少包含設定處理大氣之材料組成、壓力及/或溫度。舉例而言，取決於製程之各別階段，處理大氣可含有反應性或非反應性處理氣體。若處理大氣之溫度改變，則此溫度改變亦可併入至對熱源之控制中。

根據另外較佳具體實例，第一溫度感測器係選自包含至少以下各者之群組：NTC電阻器、PTC電阻器、半導體溫度感測器、熱電偶及基於諧振電路之溫度感測器。替代地或另外，第二溫度感測器為經配置用於偵測熱輻射之感測器，且較佳地選自包含至少以下各者之群組：高溫計、輻射熱計及熱電堆。作為實例，針對第一溫度感測器所提及的感測器類型表示基於接觸的溫度感測器之典型實例。因此，作為實例，針對第二溫度感測器所提及的感測器類型為典型的非接觸式操作溫度感測器。

根據另外較佳具體實例，至少一個熱源經配置以向構件或向所提及構件部分中之一或多者進行基於接觸之熱轉移或非接觸式熱轉移。熱源較佳地選自包含以下各者之群組：電場、磁場或電磁場產生器，較佳地為加熱板、感應加熱元件或紅外線輻射器，其可至少以熱方式、以電感方式或以電容方式耦合至構件或耦合至所提及構件部分。可能的熱源之清單並非結論性的。然而，變得顯而易見的係，可以電感方式耦合至構件或耦合至所提及構件部分的磁場產生器（其亦可稱作感應裝置或電感器）係尤其合適的。利用此類型之感應裝置，可以多種方式來控制熱輸出，例如藉由對操作電壓、對操作電流或對頻率之改變。

根據另外較佳具體實例，在包含製造焊接或燒結結點之製程步驟中控制熱源，且在製程步驟之前的至少一個校準步驟中判定經校準溫度，其中校準步驟包含產生及儲存各別校準函數，基於該各別校準函數可自經量測第二溫度判定經校準第二溫度。舉例而言，校準步驟可如此執行：在兩種不同的構件溫度或構件部分溫度之狀況下，在各狀況下量測第一溫度及第二溫度，以便接著自量測值判定校準函數。亦有可能執行若干校準步驟，在這些校準步驟中之各者中判定若干校準函數。舉例而言，此可如此達成：針對各構件或針對各構件部分專門產生及儲存校準函數。

根據一較佳具體實例，在製程步驟之各次執行之前執行校準步驟，其中對熱源之控制係在製程步驟中基於先前判定之校準函數而執行。為了選擇合適的校準函數，此處不必知道量測第二溫度的構件或裝置構件之屬性。在執行製程步驟之前先執行校準步驟確保了溫度控制不會由於選擇校準函數的錯誤而導致構件損壞。

替代地或另外，校準步驟可在製程步驟期間另外執行一或多次，較佳地在已界定時間點或在構件或裝置構件之溫度不實質上改變的時間點執行。前述在構件或裝置構件之溫度不實質上改變的時間點執行校準步驟涉及在構件或裝置構件之溫度曲線在各狀況下在不同溫度之情況下具有平穩段時執行校準。此用以等待已界定的均衡時間，以便消除因溫度量測原理不同及因量測點之空間位置而產生的潛時。

與此相關，已證明有利的係，在執行製程步驟之前，與待處理構件匹配的校準函數係選自以構件特定或構件部分特定方式儲存之複數個校準函數，其中基於所選擇校準函數而執行在製程步驟中對熱源之控制。作為一般原理，最初亦可選擇一個校準函數，接著可在執行製程步驟期間對其進行檢查及/或調適。

根據另外有利具體實例，校準函數為線性函數或多項式函數，較佳地為四次函數。使用線性函數已證明為易於計算，其中可容許此處可能出現之任何不準確度。多項式函數，尤其係四次多項式函數，特別適合於校準高溫計之量測特性。

根據另外有利具體實例，以雙階段方法達成對熱源之控制，其中基於經量測第一溫度及預設設定點溫度在第一階段中判定經修改設定點溫度，且其中基於經量測或經校準第二溫度及經修改設定點溫度在第二階段中控制來自熱源之輸出。此類雙階段控制亦稱作串級控制。預設設定點溫度未必必須為固定設定點溫度，實情為設定點溫度之曲線或斜坡可用作基礎。特定而言，表述「基於經量測第一溫度、預設設定點溫度、經量測或經校準第二溫度及經修改設定點溫度」不僅限於這些變數之絕對值，而是明確包括這些變數隨時間推移之各別曲線，亦即，尤其係這些變數相對於時間之數學推導。此外，基於經量測第一溫度及預設設定溫度而判定經修改設定點溫度並不排除可在必要時併入至對經修改設定點溫度之判定中的另外參數或量測值。因此，控制熱源之輸出無法僅僅基於經量測或經校準第二溫度及經修改設定點溫度。實情為，亦可在此處併入另外參數或量測值。特定而言，在雙階段方法之每個階段中，亦可將回饋提供至各別控制迴路中。

根據該方法之另外較佳具體實例，待連接之構件佈置於主範圍平面中，其中第一溫度感測器佈置於主範圍平面之一側上，且熱源及第二溫度感測器佈置於主範圍平面之另一側上。儘管第二溫度感測器及熱源在此處佈置於構件佈置之同一側上，且因此可在極短時滯內記錄構件溫度之改變，但由第一溫度感測器判定之第一溫度由於其空間佈置而經受一定潛時，其係基於構件或裝置構件內部之熱傳導。

替代地，第一溫度感測器及第二溫度感測器可佈置於主範圍平面之一側上，且熱源佈置於主範圍平面之另一側上。另外，第一溫度感測器及第二溫度感測器以及熱源可佈置於主範圍平面之同一側上。

在另外態樣中，本發明係關於用於在構件之間製造焊接或燒結結點之焊接或燒結裝置，其包含：至少一個可控制熱源，其經配置以供應待轉移至構件之熱能；在第一熱位置處之至少一個第一溫度感測器，其可與構件或與焊接或燒結裝置之可與構件熱接觸之構件部分熱接觸，且經配置以量測該構件或該構件部分的第一溫度；在第二熱位置處之第二溫度感測器，其經配置以非接觸式地量測構件或焊接或燒結裝置之可與構件熱接觸之構件部分的第二溫度；及控制單元，其連接至熱源並連接至第一溫度感測器及第二溫度感測器且經配置以執行如前述技術方案中任一項之方法。因此，第一熱位置與第二熱位置具有一空間距離，使得在溫度變化期間，第一溫度與第二溫度之間的溫度梯度係可預期的。如上文已提及，第一溫度感測器或另外第一溫度感測器可為整合於構件中且可連接至控制單元之溫度感測器，以便將該構件之第一溫度傳輸至控制單元。

根據一較佳具體實例，熱源具有量測窗，該量測窗允許由構件或由焊接或燒結裝置之所提及構件部分發射的紅外線輻射在第二溫度感測器之方向上傳遞。

根據另外較佳具體實例，至少面向第二溫度感測器之方向的管佈置於量測窗中且經配置以將由構件或由焊接或燒結裝置之所提及構件部分發射的紅外線輻射在第二溫度感測器之方向上導引，且較佳地屏蔽第二溫度感測器免受並非由構件或由所提及構件部分發射的紅外線輻射之影響。

根據焊接或燒結裝置之另外較佳具體實例，構件、至少一個熱源、至少第一溫度感測器及至少第二溫度感測器佈置於不透氣處理腔室中或上，該不透氣處理腔室具有可調整處理大氣尤其係真空，較佳地第二溫度感測器佈置於熱源之背對構件之一側上。換言之，焊接或燒結裝置可包含至少一個不透氣處理腔室，其中可設定處理大氣，例如，低氧或無氧大氣，尤其係真空，使得構件可經熱處理，尤其係焊接或燒結，而無需氧化。第一溫度感測器及第二溫度感測器兩者均佈置於處理腔室中或上，使得來自溫度感測器之量測值訊號作為第一溫度及第二溫度傳輸至處理腔室外部。第二溫度感測器可佈置於處理腔室內部或外部；在後一狀況下，第二溫度感測器可透過處理腔室壁之光學窗觀測第二溫度方位。較佳地位於處理腔室外部之控制單元基於第一溫度而校準第二溫度，且基於經校準第二溫度而控制熱源。以此方式，可達成精確的熱源控制，亦可使用該熱源控制，例如以在第一溫度方位與第二溫度方位之間維持可定義的溫度梯度。

圖1以示意性且簡化之截面圖展示根據一個實例之焊接裝置10。焊接裝置10包含底部開放之類碟型輸送框架14，構件載體12置放於該輸送框架之在底側上的開口中，其表示焊接裝置10之構件部分。待連接之構件16、18置放於構件載體12上。構件18可為例如各自藉由焊接操作連接至若干構件16（例如功率半導體）之基板。聯接材料（未展示）可分別設置於構件16與構件18之間。在其中佈置有構件載體12之輸送框架14下方，佈置有經配置以產生強磁場之感應裝置20，該強磁場可至少在構件載體12中誘發渦電流。此等渦電流影響構件載體12之加熱。不言而喻，亦可提供其他熱源而非感應裝置20。在一側上之構件載體12或輸送框架14與感應裝置20之間的距離係可變的。

焊接裝置10進一步具有在第一溫度方位處之第一溫度感測器24，在此狀況下係在作為構件18之基板之上側上，該第一溫度感測器穿過輸送框架14並與構件18中之一者彈簧負載式接觸且經配置以量測第一溫度。

感應裝置20具有量測窗22，該量測窗允許由構件載體12之底側（作為第二熱位置）發射的紅外線輻射在佈置於量測窗22下方之第二溫度感測器26的方向上傳遞，從而允許藉助於第二溫度感測器26量測第二溫度。在此具體實例實例中，第一溫度方位及第二溫度方位佈置於構件載體12之相對側上。

較佳地，第一溫度方位可為構件18之表面。較佳地，第二溫度方位可為構件18或構件載體12之下側上的熱源20之直接或間接熱輸入（例如，IR輻射熱）的表面。

第一溫度感測器24經設計為接觸式溫度感測器且可為NTC電阻器、PTC電阻器、半導體溫度感測器、熱電偶、基於諧振電路之溫度感測器或其類似者。第二溫度感測器26為非接觸式量測溫度感測器，例如高溫計、電射計或熱電堆，其藉由偵測由所量測物件發射的紅外線輻射來量測溫度。

根據修改（未展示），管可佈置於量測窗22之某區域中，該區域亦環繞第二溫度感測器26，且一方面集中或導引由構件載體12發射且待偵測之紅外線輻射，而同時保持可能會篡改溫度量測之外部輻射遠離第二溫度感測器26。

圖2展示根據另外實例之焊接裝置110，其經設計類似於來自圖1之焊接裝置10。焊接裝置110包含若干構件載體12，在本實例中為三個，其中單獨可控制之感應裝置20係與各構件載體12相關聯。感應裝置20與構件載體12之距離係可單獨調整的。所有三個構件載體12佈置於共同輸送框架14上。相關聯溫度感測器24、26經佈置為類似於來自圖1之實例。

焊接裝置110之構件位於處理腔室28中，該處理腔室提供用於焊接製程之較佳可設定的處理大氣。處理腔室28可經溫度調節、抽真空及/或經受壓力或亦充滿不同處理氣體。此處理大氣之壓力及/或溫度可設定成預設值，且尤其亦更改。第一溫度感測器24及第二溫度感測器26佈置於處理腔室28中或上。特定而言，第二溫度感測器28佈置於處理腔室外部且透過處理腔室壁之光學通窗觀測第二溫度點。

圖3展示根據另外實例之焊接裝置210，其原則上表示來自圖2之焊接裝置110在橫軸上的反轉。不同於在圖1及圖2中之實例，第一溫度感測器24不與構件18熱接觸，而是與作為第一熱位置的構件載體12之底側熱接觸。第二溫度感測器26進而並不量測構件載體12之溫度，而是可直接記錄佈置於構件載體12上方之構件16及/或18在第二熱位置上的溫度。

所有三個實例展示經配置用於執行根據本發明之方法的裝置，作為焊接裝置10、110、210。不言而喻，此處所描述之溫度感測器24、26的佈置亦可作為實例提供，可替代地用於對應經設計之燒結裝置。利用此類型之燒結裝置，按一般規則提供額外工具，這些額外工具可將按壓力施加至待連接之構件上，以便製造燒結裝置。此等工具可在必要時具有合適的量測開口，透過這些量測開口提供用於在構件或燒結裝置之構件部分處進行溫度量測所需的非接觸式溫度量測或基於接觸之溫度量測的入口。

亦不言而喻，焊接裝置10、110、210亦可具有對構件16、18施加按壓力可能需要的所需工具。出於清晰之原因，其在本發明實例中未展示。

現在下文以簡化方式描述一種根據本發明之用於對構件進行溫度調節的方法，以便在構件16、18之間製造焊接或燒結結點。此方法可藉助於根據圖1至圖3之焊接裝置10、110、210執行，例如在控制單元（未展示）中執行，該控制單元可連接至溫度感測器24、26並連接至作為熱源之感應裝置20。憑藉此類型之控制單元，尤其有可能控制由熱源20產生之熱輸出，以便將構件16、18加熱至所需溫度，且亦藉由減少或切斷熱輸出再次使其冷卻。

雖然第一溫度感測器24可由於其基於接觸之操作模式而極精確地判定第一熱位置上之構件溫度或構件部分溫度，但由第二無接觸式操作溫度感測器26判定的第二熱位置上之構件溫度或構件部分溫度經受系統性量測誤差的影響。此類型之非接觸式操作溫度感測器之一個實例係高溫計。此判定由經量測主體發射之輻射功率P，該經量測主體之溫度待被判定。出於技術原因，此處按一般規則僅考慮紅外線範圍內之已界定波長範圍。根據斯特藩-玻耳茲曼定律，以下適用於真實主體之總輻射功率P： P = ε · σ · A · T4，  （1） 其中ε係發射率，σ係斯蒂芬-波次曼常數（σ = 5.6704 · 10 ^-8Wm ^-2K ^-4），A係面積（單位m²）且T係溫度（單位K）。發射率ε因此表示經量測物件之熱輻射容量且取決於經量測物件之材料及表面品質兩者。第二溫度較佳地利用小波長來判定。高溫計之量測波長較佳不超過5 µm，尤其較佳不超過2 µm，以便限制未經精確判定之發射率ε對量測準確度之影響。

由於經量測物件（亦即，構件或焊接或燒結裝置之構件部分）的發射率ε通常並不精確地已知，或亦經受局部變化，因此經量測第二溫度可具有系統性量測誤差。出於彼原因，基於經量測第二溫度而判定經校準第二溫度，其中經量測第一溫度用作校準變數。此處為了排除在量測第一溫度之第一熱位置的地點處之實際溫度不同於在量測第二溫度之第二熱位置的地點處之實際溫度，構件16、18或焊接裝置10、110、210之與構件熱接觸之構件部分的溫度應儘可能處於平衡，亦即，第一熱位置與第二熱位置之量測的不同地點之間不應再有任何溫度梯度。舉例而言，此可如此達成：使熱源之熱輸出在一定均衡時間內保持恆定，或將其調節至恆定溫度，且只有這樣才接著判定對應經量測溫度值。

經校準第二溫度可例如基於校準函數而判定，該校準函數係作為校準步驟之部分而判定。在下文中更詳細地描述對此類校準函數之判定。

根據本發明之方法的一個優點在於，在第一熱位置處使用與構件或裝置構件熱接觸的溫度感測器來實施的對第一溫度之量測（且因此速度較慢但遞送極精確的量測值）以適當的方式與在第二熱位置處由非接觸式操作溫度感測器來實施的對第二溫度之量測相結合（且因此速度較快但由於其對材料之依賴性而僅遞送不精確的量測值）。在構件處之最佳溫度控制係藉由第一溫度及第二溫度之量測值之此組合來達成。另外，第一溫度感測器及第二溫度感測器的靈活且隔開之佈置係可能的。

圖4展示第一溫度（T1）及第二溫度（T2）隨時間推移之例示性曲線，其中時標之絕對值為任意的。溫度T1、T2係在由銅組成且厚度為5 mm之構件的相對側上進行量測。熱源20在此處與記錄第二溫度T2之溫度感測器26佈置於同一側上，而記錄第一溫度T1之溫度感測器24佈置於構件之背對熱源20之側上（參見圖1及圖2中之佈置）。

雖然第二溫度T2之最大值為t=48秒左右，但第一溫度T1在t=55秒左右時達到平穩段，亦即，第一溫度T1在此後保持大致恆定。介於第二溫度T2達到最大值與第一溫度T1達到平穩段之間的7秒之時差係基於歸因於構件之兩側之間的熱傳輸之潛伏時間。

此外，在圖4中可辨別，第一溫度T1相較於第二溫度T2具有實質上更慢的曲線，因此具有減小之波動。另外，由於尚未執行校準，在兩個溫度T1、T2之間存在大約20℃至25℃之溫度差（圖4展示經量測第二溫度T2）。

參看圖5，現在作為實例在下文中解釋校準步驟之執行。為此，在第一時間點t1，在其溫度不斷地或間歇地提高之例示性構件處，接觸式地量測第一溫度T1.1且非接觸式地量測第二溫度T2.1。在第二時間點t2，現在量測第一溫度T1.2及第二溫度T2.2。

在經量測第二溫度T2與經校準第二溫度T2'之間有線性相關性的簡化假設下，該經校準第二溫度T2'可根據以下方程式判定 T2' = k*T2 + T _offset，     （2） 其中k係校準因子且T _offset係時間點t1處之溫差。因子k可根據以下方程式自在時間點t1及t2處所量測的溫度而判定： k = 。  （3）

溫差T _offset可根據以下方程式自經量測溫度值而判定： T _offset= T1.1 - (T2.1*k)。     （4）

用於判定校準函數之溫度量測有利地在構件不具有溫度梯度時的時間點處執行，亦即，構件溫度在各狀況下保持恆定持續一合適的持續時間，例如在平穩段持續5秒，其中構件溫度當然必須在兩個時間點t1與t2之間更改。按一般原理亦有可能例如以10秒之間隔在各預設時間點再次執行校準。

替代地，校準步驟亦可作為樣本校準步驟之部分執行，該樣本校準步驟係針對樣本構件執行，該樣本構件的發射屬性與稍後處理之構件或與構件接觸之裝置構件的發射屬性匹配，以便保存校準函數。在實際製程步驟執行期間，亦即，實際焊接或燒結操作執行期間，可稍後依靠此校準函數，而無需在製程步驟執行期間執行新的校準。

代替參看圖5所解釋之校準，亦可直接判定發射率ε。此可例如藉由首先在例如20°之環境溫度下接觸式地判定第一溫度T1.1且非接觸式地判定第二溫度T2.1來達成，此類似於參考圖5所描述。接著將用作測試物件之構件加熱至較高溫度，例如加熱至150℃與250℃之間，且再次判定第一溫度T1.2及第二溫度T2.2。

接著可根據以下方程式計算發射率ε： ε = 。    （5）

此處假定 小於 。否則，將必須改變這些值，使得發射率ε ≤ 1。

參看圖6，現在描述對熱源之雙階段控制或串級控制，其中針對此熱源之控制變數係由函數u2(t)描述。兩個溫度感測器佈置於經量測物件上，其中與經量測物件接觸的第一溫度感測器產生第一溫度T1，且非接觸式量測溫度感測器產生第二溫度T2。第一溫度T1之曲線係由函數yM1(t)描述，且第二溫度T2之曲線係由函數yM2(t)描述。設定點溫度函數w1(t)充當用於控制之輸入變數。

自訊號w1(t)及yM1(1)，藉由根據以下方程式獲得差來產生差函數e1(1) （6） 且將其傳遞至主控控制器R1。主控控制器R1可例如經設計為PI（比例積分）控制器，其根據以下方程式產生控制函數u1(t) （7） 其中kp、ki係各別擴增因子。藉由與設定點溫度函數w1(t)正耦合，根據以下方程式自u1(t)判定經修改設定點溫度函數w2(t) （8）

在第二控制階段中，經修改設定點溫度函數w2(t)與函數yM2(t)之差係根據以下方程式形成： （9） 以便針對從屬控制器R2產生輸入函數e2(t)。從屬控制器R2根據以下方程式自此產生針對熱源之控制變數或控制函數u2(t) ，    （10） 其中kp、ki係各別擴增因子。

不言而喻，串級控制之特定具體實例在此處純粹作為實例且在必要時亦可以適合方式進行修改。

以合適方式設定來自熱源之輸出。因此，例如在使用根據圖1至圖3之感應裝置20作為熱源時，有可能藉由感應裝置20之控制單元且藉助於對頻率、電流及/或電壓之調整來進行控制。另外，亦可將感應裝置20之距離併入至控制中。

當使用紅外線加熱器或歐姆加熱裝置時，可調節加熱電流。

由於熱源或構件16、18或構件載體12之面向感應裝置20之側反應快速，面向感應裝置20之構件側的溫度曲線可根據廣譜函數（例如斜坡、S曲線、二次函數、e函數、保持相位或高次多項式）而進行控制。

可利用此行為以便加速對構件16、18之加熱。為此，可短暫提高面向感應裝置20之構件側的溫度，以便增加構件16、18之兩個相對側之間的溫度差。

由於尤其係面向感應裝置20之構件側的構件品質之變化，利用非接觸式量測第二溫度感測器26可無法記錄絕對精確溫度。藉助於第一溫度感測器24來量測背對感應裝置20之構件側補償了此缺點，此係因為溫度位準藉由此值不斷調整，使得所需溫度可始終設定在構件16、18處。

在某些情形下，對接觸第一溫度感測器24的影響可起因於外部影響，例如流入處理腔室28中的氣體，藉此減弱控制操作。此可藉由修改結合圖6所描述之串級控制來解決。此處，由主控控制器R1產生之控制變數u1(t)可在給定時間點，例如既定氣體輸入之時間以合適的值u1 _freeze「凍結」，藉此准許達成改良之溫度控制。因此，經修改設定點溫度w2(t)並不基於u1(t)及設定點溫度w1(t)，而是基於u1 _freeze及w1(t)產生。

現在參看圖7及圖8描述函數w1(t)、yM1(t)、yM2(t)及u2(t)隨時間推移之典型曲線，其中在圖式中使用編號標識了特徵事件點。

如可在圖7中辨別，在事件點1及3處會發生例如藉由使氣體流入處理腔室中而引起的第一溫度T1之下降。在串級控制沒有前述「凍結函數」的狀況下，此等溫度下降會引起串級控制過度的反作用，此自在事件點2及4處第二溫度T2之曲線的溫度峰值可明顯看出。

藉由在可引起構件溫度短時間變化的事件開始之前將由主控控制器產生之控制變數u1(t)「凍結」至值u1 _freeze，可達成對構件溫度之改良的溫度控制。

參看圖8，現在解釋憑藉前述串級控制在執行根據本發明之方法期間的特徵事件及操作（同樣用編號標識）。編號為1的第二溫度T2曲線（yM2(t)）之區段界定高溫計的量測範圍下限之特徵。在此時段期間，控制變數u2(t)具有恆定曲線，如由編號2指示。

控制在事件點3處開始。在事件點4處，第二溫度T2存在強過衝，然而，此並不引起溫度T1曲線（yM1(t)）之過衝，參見編號7。

編號5界定未經校準第二溫度T2之間的差之特徵，由於經量測物件或構件之表面屬性不同，該未經校準第二溫度高於由函數w1(t)標識之設定點溫度。

在事件點6處，第一溫度T1精確地到達預定設定點溫度，其中非接觸式量測第二溫度感測器28的量測誤差藉由上文所描述之校準得以補償。

1:編號 2:編號 3:事件點 4:事件點 5:編號 6:事件點 7:編號 10:焊接裝置 12:構件載體/構件部分 14:輸送框架 16:構件 18:構件 20:感應裝置/熱源 22:量測窗 24:第一溫度感測器 26:第二溫度感測器 28:處理腔室 110:焊接裝置 210:焊接裝置 k:校準因子 t1:第一時間點 t2:第二時間點 T1:第一溫度 T1.1:第一溫度 T1.2:第一溫度 T2:第二溫度 T2.1:第二溫度 T2.2:第二溫度 T _offset:溫差 R1:主控控制器 R2:從屬控制器

另外優點自以下圖式描述顯現。圖式展示本發明之實例。圖式、描述及申請專利範圍以組合方式含有眾多特徵。所屬領域中具有通常知識者亦將方便地單獨考慮這些特徵且將這些特徵組合成有意義的另外組合。 在諸圖中： [圖1]    展示根據一個實例之焊接或燒結裝置的示意性截面圖， [圖2]及[圖3]     展示根據另外實例之焊接或燒結設施的示意性截面圖， [圖4]    展示具有第一溫度及第二溫度之兩個例示性溫度曲線的圖式， [圖5]    展示解釋針對第二溫度判定校準函數的示意圖； [圖6]    展示雙階段溫度控制之示意性方塊圖； [圖7]    展示具有各種例示性溫度曲線及相對熱輸出之曲線的圖式；及 [圖8]    展示具有另外例示性溫度曲線及相對加熱輸出之曲線的圖式。

相同元件符號已在下文中用於相同或類似元件。

10:焊接裝置

12:構件載體/構件部分

14:輸送框架

16:構件

18:構件

20:感應裝置/熱源

22:量測窗

24:第一溫度感測器

26:第二溫度感測器

Claims (16)

1. 一種用於構件（16，18）之溫度調節之方法，其用於在這些構件（16，18）之間製造焊接或燒結結點，其中提供至少一個可控制熱源（20）以供應待轉移至這些構件（16，18）之熱能，其中藉助於至少一個第一溫度感測器（24）在第一熱位置處量測構件（16，18）或焊接或燒結裝置（10，110，210）之與構件（16，18）熱接觸之構件部分（12）的第一溫度（T1），該至少一個第一溫度感測器與該構件（16，18）或與該構件部分（12）熱接觸，且藉助於至少一個第二溫度感測器（26）在第二熱位置處非接觸式地量測構件（16，18）或焊接或燒結裝置（10，110，210）之與構件（16，18）熱接觸之構件部分（12）的第二溫度（T2），其中該第一熱位置與該第二熱位置具有空間距離，使得在溫度變化期間，該第一溫度與該第二溫度（T1，T2）之間的溫度梯度係可預期的，且其中經量測的該第二溫度（T2）係基於經量測的該第一溫度（T1）而校準，以便判定經校準第二溫度，且其中該熱源（20）係至少基於經量測的該第二溫度（T2）或該經校準第二溫度而控制，其中以作為串級控制的雙階段方法達成對該熱源（20）之控制，其中基於經量測的該第一溫度（T1）及預設設定點溫度（w1）在第一階段中判定經修改設定點溫度（w2），且其中基於經量測的該溫度（T1）或該經校準第二溫度及該經修改設定點溫度（w2）在第二階段中控制來自該熱源（20）之輸出。
2. 如請求項1之方法，其中該方法在可設定的處理大氣中執行，其中設定該處理大氣至少包含設定該處理大氣之材料組成、壓力及/或溫度。
3. 如請求項1或2之方法，其中該第一溫度感測器（24）係選自包含至少以下各者之群組：NTC電阻器、PTC電阻器、半導體溫度感測器、熱電偶及基於諧振電路之溫度感測器，及/或該第二溫度感測器（26）為經配置用於偵測熱輻射之感測器，且較佳地選自包含至少以下各者之群組：高溫計、輻射熱計及熱電堆。
4. 如請求項1或2之方法，其中該至少一個熱源（20）經配置以向這些構件（16，18）或向所提及之這些構件部分（12）中之一或多者進行基於接觸之熱轉移或非接觸式熱轉移，且較佳地選自包含以下各者之群組：電場、磁場或電磁場產生器，較佳地為加熱板、感應加熱元件或紅外線輻射器，其可至少以熱方式、以電感方式或以電容方式耦合至這些構件（16，18）或耦合至所提及之該（等）構件部分（12）。
5. 如請求項1或2之方法，其中在包含該製造該焊接或燒結結點之製程步驟中控制該熱源（20），且在該製程步驟之前的至少一個校準步驟中判定該經校準溫度，其中該校準步驟包含產生及儲存各別校準函數，基於該各別校準函數可自經量測的該第二溫度（T2）判定該經校準第二溫度。
6. 如請求項5之方法，其中在一製程步驟之各次執行之前執行該校準步驟，其中對該熱源（20）之控制係在該製程步驟中基於該先前判定之校準函數而執行。
7. 如請求項5之方法，其中該校準步驟在該製程步驟期間另外執行一或多次，較佳地在已界定時間點或在這些構件（16，18）之該溫度不實質上改變的時間點執行。
8. 如請求項5之方法，其中在執行製程步驟之前，與待處理之這些構件（16，18）匹配的校準函數係選自以構件特定或構件部分特定方式儲存之複數個校準函數，其中基於該所選擇校準函數而執行在該製程步驟中對該熱源（20）之控制。
9. 如請求項5之方法，其中該校準函數為線性函數或多項式函數，較佳地為四次函數。
10. 如請求項1或2之方法，其中在該第一階段中，主控控制器（R1）基於經量測的該第一溫度（T1）及該預設設定點溫度（w1）確定該經修改設定點溫度（w2），且在該第二階段中，從屬控制器（R2）基於該經修改設定點溫度（w2）及經量測的該第二溫度（T2）或該經校準第二溫度確定該熱源（20）之該輸出。
11. 如請求項10之方法，其中該主控控制器（R1）係PI控制器。
12. 如請求項1或2之方法，其中待連接之這些構件（16，18）佈置於主範圍平面中，其中該第一溫度感測器（24）佈置於該主範圍平面之一側上且該熱源（20）及該第二溫度感測器（26）佈置於該主範圍平面之另一側上，或其中該第一溫度感測器及該第二溫度感測器（24，26）佈置於該主範圍平面之一側上，且該熱源（20）佈置於該主範圍平面之另一側上，或其中該第一溫度感測器及該第二溫度感測器（24，26）以及該熱源（20）佈置於該主範圍平面之同一側上。
13. 一種用於在構件（16，18）之間製造焊接或燒結結點之焊接或燒結裝置（10，110，210），其具有：至少一個可控制熱源（20），其經配置以供應待轉移至這些構件（16，18）之熱能；在第一熱位置處之至少一個第一溫度感測器（24），其可與構件（16，18）或與該焊接或燒結裝置（10，110，210）之可與構件（16，18）熱接觸之構件部分（12）熱接觸，且經配置以量測該構件（16，18）或所提及之該構件部分（12）的第一溫度（T1）；在第二熱位置處之第二溫度感測器（26），其經配置以非接觸式地量測構件（16，18）或該焊接或燒結裝置（10，110，210）之可與構件（16，18）熱接觸之構件部分（12）的第二溫度（T2）；該第一熱位置與該第二熱位置具有空間距離，使得在溫度變化期間，該第一溫度與該第二溫度之間（T1，T2）的溫度梯度係可預期的；及控制單元，其連接至該熱源（20）並連接至該第一溫度感測器及該第二溫度感測器（24，26）且經配置以執行如請求項1至12中任一項之方法。
14. 如請求項13之焊接或燒結裝置（10，110，210），其中該熱源（20）具有量測窗（22），該量測窗允許由這些構件（16，18）或由該焊接或燒結裝置（10，110，210）之所提及之該（等）構件部件（12）發射的紅外線輻射在該第二溫度感測器（26）之方向上傳遞。
15. 如請求項14之焊接或燒結裝置（10，110，210），其中至少面向該第二溫度感測器（26）之該方向的管佈置於該量測窗中且經配置佈置以將由這些構件（16，18）或由該焊接或燒結裝置（10，110，210）之所提及之該（等）構件部分（12）發射的紅外線輻射在該第二溫度感測器（26）之該方向上導引，且較佳地屏蔽該第二溫度感測器（26）免受並非由這些構件（16，18）或由所提及之這些構件部分（12）發射的紅外線輻射之影響。
16. 如請求項13至15中任一項之焊接或燒結裝置（10，110，210），其中這些構件（16，18）、該至少一個熱源（20）、該至少第一溫度感測器（24）及該至少第二溫度感測器（26）佈置於不透氣處理腔室（28）中或上，該不透氣處理腔室具有可調整處理大氣，尤其係真空，該第二溫度感測器（24）較佳地佈置於該熱源（20）之背對這些構件（16，18）之側上。