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Forschungsziel: Ziel des Verbundprojektes war die Entwicklung eines Lasersystems für das Schweißen von Metallen in der Mikrofertigung und bei der Montage von Bauelementen auf der elektronischen Leiterplatte. Die Besonderheit des Systems liegt in der Generierung eines Vorpulses mit geringerer Wellenlänge wie die des Hauptpulses. Dies erlaubt einen geringeren Energieeintrag in die Fügestelle und eine zuverlässige Verbindung.
Wojciech Wozny +49 511 959-553004
w.wozny@ilfa.de
Dipl.-Ing. Ulf Zanger
+49 721 608-25296
ulf.zanger@kit.edu
Problemstellung
Im Zuge der Umstellung auf bleifreie Lote in der Elektronikindustrie sind die Anforderungen an die gesamte Baugruppe bezüglich der Temperaturbeständigkeit gestiegen. Die notwendige Erhöhung der Löttemperaturen von etwa 20-30 Kelvin hat einen starken Anstieg der Belastung der Bauteile und der entsprechenden Leiterplatten zur Folge. Viele Bauteile, gerade die eher komplexeren, sind bei den erforderlichen Löttemperaturen nicht sicher prozessierbar. Derzeit wird dieser Problematik mit zwei verschiedenen Lötverfahren entgegengetreten: Im ersten Schritt werden die Bauteile aufgelötet, die für den Reflowprozess geeignet sind. Anschließend werden durch ein Selektivlötverfahren die empfindlicheren Bauteile aufgebracht. Beide Verfahren sind recht schwierig zu handhaben, da es dafür notwendig ist, den Temperatureintrag in die Leiterplatte zu kennen. Im ungünstigsten Fall müssen die temperaturempfindlichen Bauteile gesockelt und nach der Leiterplattenfertigung in einem weiteren Prozessschritt bestückt werden.
Auch das Reparieren von Leiterbahnen bei der Herstellung von Multilayerplatinen ist ein aufwändiger und kostenintensiver Vorgang. Derzeit werden sämtliche produzierten Innenlagen mittels einer automatischen optischen Inspektion vor dem Verpressen geprüft. Bei Feststellung von Unterbrechungen werden diese mit einem speziellen Schweißgerät und einem Schweißdraht repariert, sofern es die Anwendung zulässt. Dieses Verfahren ist nur manuell durchführbar und hat seine Grenzen bei Strukturbreiten von 100µm.
Für beide Anwendungen bietet das Laserstrahl-Mikroschweißen eine Möglichkeit die gesteigerten Anforderungen zu erfüllen. Allerdings gestaltet sich die Prozessführung beim Schweißen relevanter Materialien, insbesondere von Kupfer und Kupferlegierungen, bei der Verwendung konventioneller Schweißlaser mit einer Wellenlänge von 1064nm, als besonders schwierig. Wegen der hohen Reflexion der Laserstrahlung an den Materialoberflächen und der stark temperaturabhängigen Materialeigenschaften, können bereits Unregelmäßigkeiten an den Oberflächen der Fügestelle einen sehr großen Einfluss auf den Schweißprozess haben. Dadurch ist die Prozesssicherheit beim Schweißen dieser Werkstoffe mit konventionellen Lasern gering.
Eine Möglichkeit die Prozesssicherheit beim Laserschweißen zu verbessern besteht in der Verwendung kürzerer Wellenlängen mit einer geringeren Reflexion an der Materialoberfläche. Beispielsweise sinkt die Reflexion von Kupfer bei 532nm von 96% auf 60% und bei 355nm auf 40%. Damit steigt die Absorption des Laserlichtes auf ein Vielfaches und erleichtert das Aufschmelzen erheblich. Verfügbare Laser für diese Wellenlänge sind jedoch, bei ausreichender Leistung, zu teuer bzw. nur für feinste Arbeiten geeignet.
Projektziele und Vorgehensweise
SUPREME beabsichtigte die angesprochenen Probleme mit einem Lasersystem zu lösen, welches zunächst einen kurzwelligen Vorpuls mit maximal 50ns Dauer abgibt. Dieser schmilzt die Oberfläche des zu fügenden Materials an und schafft damit die Vorraussetzungen für eine gute Absorption des nachfolgenden Hauptpulses mit einer Wellenlänge von 1064nm. Der Vorpuls wird durch Frequenzvervielfachung aus den üblichen 1064nm gewonnen, so dass lediglich ein, relativ kostengünstiger, Laser benötigt wird.
Zunächst wurde ein optisches Modul zur Bereitstellung des frequenzkonvertierten Vorpulses mit einer Pulsdauer unter 5 ns und einer maximalen Pulsenergie von 3mJ entwickelt. Hierzu wurde eine am Markt verfügbare Laserstrahlquelle hoher Strahlqualität (Faserlaser) eingesetzt. Parallel dazu erfolgte der Entwurf der optischen Komponenten wie Spiegel und Linsen. In einem Versuchsaufbau wurden, abhängig von Material und Bauteilstärke, das notwendige Energieverhältnis von Vorpuls zu Hauptpuls, sowie das Timing der Pulse untersucht. Ein Vorpuls mit 532nm zeigte bereits frühzeitig erfolgversprechende Schweißeigenschaften, so daß die kostenintensivere Variante mit 355nm nicht weiter verfolgt wurde. Im Anschluß entstand die Steuerelektronik für das System mit zwei Pulsen.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Zu Projektende lagen die Demonstratoren aller für den Schweißprozess erforderlichen Komponenten vor.
Bei Blindschweißungen auf Kupferfolien war die Streuung des Schweißbildes ohne Vorpuls sehr hoch und es konnte kein Parametersatz für eine zuverlässige Schweißung ohne Schäden gefunden werden. Dem gegenüber zeigte das Verfahren mit Vorpuls sehr homogene Ergebnisse mit einem guten Schweißbild innerhalb eines großen Prozessfensters. Gleichzeitig gelang es die maximale Leistung des Hauptpulses um etwa 30% zu reduzieren. Überraschenderweise war die Verbesserung nicht vom zeitlichen Abstand zwischen Vor- und Hauptpuls abhängig. Der Vorpuls kann bereits Wochen vorher appliziert werden.
Mit dem neuen Verfahren gelang es Widerstände und integrierte Schaltkreise auf Leiterplatten zu schweißen. Für eine hohe Taktrate ist jedoch ein geeigneter thermischer Entwurf der Anschlußbereiche in der Leiterplatte erforderlich.
Neben den Komponenten entstand ein Handarbeitsplatz für das Laserfügen von kleinen Strukturen unter mikroskopischer Sicht. An diesem erfolgten erfolgreich Reparaturen von unterbrochenen Leiterbahnen mit 50 – 500µm Breite. An industriellen Gassensoren wurden hochempfindliche Platindrähte mit 10µm Durchmesser auf einer Goldoberfläche angeschweißt.
Zusammenfassend entstand ein neuartiges Fügeverfahren für metallische Werkstoffe. Es eignet sich insbesondere für die Produktion und die Reparatur von anspruchsvollen Leiterplatten, sowie für viele Fügeprozesse bei der Herstellung von elektrischen und mechanischen Mikroteilen. Die entstandene Anlagentechnik ist sowohl für Lohnfertiger, als auch für Endanwender in vielen Branchen nutzbar. Beispielhaft seien hier die Leiterplattenfertigung, die Sensorik und die Medizintechnik genannt.
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