CN108136540B - 激光加工机以及用于搭接焊接dbc结构的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种用于激光焊接工件(2，3)、尤其用于搭接焊接DBC结构(4)的激光加工机(1)中，激光加工机具有用于产生激光射束(5)的激光射束产生装置(7)以及用于将所述激光射束(5)成像到加工平面(10)中的成像光学器件(9)，根据本发明，成像光学器件(9)具有射束成型光学器件(15)，射束成型光学器件在加工平面(10)中以至少±2mm、优选至少±5mm的景深(Δd)如此成像激光射束(5)，使得沿景深(Δd)在每个相对于射束轴线(16)呈直角的平面内，激光射束(5)的径向功率密度分布(Pr)形成钟形，并且这些钟形的功率密度分布(Pr)的最大值(Pmax)彼此沿景深(Δd)波动小于10％、优选小于5％。

Description

激光加工机以及用于搭接焊接DBC结构的方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光焊接工件、尤其用于搭接焊接DBC结构的激光加工机，该激光加工机具有用于产生激光射束的激光射束产生装置以及用于将激光射束成像到加工平面中的成像光学器件，本发明还涉及一种用于在加工平面中借助激光射束来激光焊接工件、尤其搭接焊接DBC结构的方法。
背景技术
由DE 100 05 593 C1已知一种用于点焊工件的方法，其中，由聚焦透镜和扁锥形透镜(所谓的“Axicon”(轴锥镜))构成的光学器件如此成型激光射束，使得在表示加工平面的聚焦平面中，一方面实现大的射束斑，另一方面实现环状的能量分布。
DBC(Direct Bonded Copper(直接敷铜))结构用于高功率电子装置并且由多层系统构成，该多层系统由陶瓷衬底以及在该陶瓷衬底上延伸的铜导线构成。铜导热并且导电，陶瓷导热并且电绝缘。铜导线必须分别与一个由铜构成的连接接通部电连接。这目前借助超声焊接来实现，然而这会导致在陶瓷衬底中产生裂缝和热量堆积，因此提供不可靠的结果。因为在 DBC结构的情况下，陶瓷上的铜层非常薄，所以焊接过程必须非常可靠地并且以准确可重复的焊入深度进行。
发明内容
因此，本发明所基于的任务在于改善一种激光加工机以及一开始所述类型的方法，使得激光焊接过程非常可靠地并且以准确可重复的焊入深度进行。
根据本发明，所述任务通过如下方式来解决：成像光学器件具有射束成型光学器件，该射束成型光学器件以至少±2mm、优选至少±5mm的景深将激光射束在加工平面中如此成像，使得沿景深在每个相对于射束轴线呈直角的平面内，激光射束的径向功率密度分布形成钟形，并且这些钟形的功率密度分布的最大值沿景深彼此波动小于10％、优选小于5％。
如功率测量所示，根据本发明的射束成型光学器件在景深的范围内导致：
-在射束方向(z方向)上在几毫米上的大的功率恒定性；
-径向于射束方向的钟形的功率密度分布，这导致可重复的焊入深度 (Einschweiβtiefe)。
可重复的焊入深度可以实现，对具有对温度有严格要求的(Temperaturkritisch)下部结构的构件进行激光焊接。如此可以避免导电的接通部的下部结构(例如陶瓷衬底)的否则可能由于焊入深度过深的焊接而产生的损坏。本发明可以实现在DBC结构情况下(其中，陶瓷衬底上的铜层非常薄)的一种具有准确可重复的焊入深度的非常可靠的焊接过程，而不损坏陶瓷衬底，并且基于钟形的功率密度分布也阻止待焊接的铜构件之间的热量堆积——例如会在环状功率密度分布的情况下所产生的那样。
在本发明的第一优选实施方式中，射束成型光学器件构造为凸的或凹的轴锥镜，其中，在凸的轴锥镜的情况下，该加工平面处于成像光学器件的聚焦平面前面的过焦区域(
Figure GDA0002949996300000021
)中，在凹的轴锥镜的情况下，该加工平面处于聚焦平面后面的欠焦区域(Unterfokusbereich)中。该轴锥镜可以布置在激光射束的发散的或平行的射束路径中，其中，在后者情况下，能够轻易地将该轴锥镜附加引入到多个存在的光学系统中。
在本发明的第二优选实施方式中，射束成型光学器件由双焦点物镜构成，其中，加工平面处于双焦点物镜的两个焦点之间。优选地，在该双焦点物镜前面布置有均匀化光学器件(Homogenisierungsoptik)，该均匀化光学器件将激光射束的径向功率密度分布混合或使其均匀化。该均匀化光学器件例如可以具有光导体(例如激光光缆)，激光射束被相对于光导体轴线偏心地耦合到该光导体中。
在另一方面中，本发明还涉及一种用于在加工平面中借助激光射束来激光加工工件、尤其用于搭接焊接DBC的方法，其中，根据本发明，以至少±2mm、优选至少±5mm的景深将激光射束如此成像到加工平面中，使得沿景深在每个相对于射束轴线呈直角的平面内，激光射束的径向功率密度分布形成钟形，并且这些钟形的功率密度分度的最大值沿景深彼此波动小于10％、优选小于5％。
优选借助脉冲绿色激光射束(波长例如515nm或532nm)或借助脉冲红外激光射束将由铜构成的工件彼此焊接。
附图说明
本发明的主题的其他优点和有利构型从说明书、权利要求以及附图中得出。上面提到的以及更进一步列举的特征也可以单独使用或以多个任意组合的形式使用。所示的和所描述的实施方式不应理解为穷尽的枚举，而应理解为具有用于描述本发明的多个示例性的特征。
附图示出：
图1示出根据本发明的第一激光加工机，其具有轴锥镜形式的射束成型光学器件以及激光射束在径向方向上和z方向上的所属的功率密度分布；
图2示出根据本发明的第二激光加工机，其具有光导体形式的以及双焦点物镜形式的射束成型光学器件以及激光射束在径向方向上和z方向上的所属的功率密度分布。
在以下附图描述中，对于相同或功能相同的构件使用同样的附图标记。
具体实施方式
图1中示出的激光加工机1例如用于借助脉冲激光射束5来将由铜构成的连接接通部2与DBC(Direct Bonded Copper)结构4的铜导线3进行搭接焊接(
Figure GDA0002949996300000031
)。DBC结构4具有陶瓷衬底6，在该陶瓷衬底上施加有铜导线3。因为陶瓷衬底6上的铜导线3很薄，所以必须非常可靠地并且以准确可重复的焊入深度来实现激光焊接过程。
激光加工机1包括：用于产生激光射束5的激光射束产生装置7、激光光缆8(LLK)(激光射束5被耦合到该激光光缆中)、以及用于将从LLK8 出射的激光射束5成像到加工平面10中的成像光学器件9。
成像光学器件9具有用于对从LLK8发散出射的激光射束5进行准直的准直透镜11以及用于将经准直的激光射束5聚焦到聚焦平面13中的聚焦透镜12。布置在经聚焦的激光射束5中的保护玻璃14保护聚焦透镜12 免受损坏。在发散的激光射束5中、即在LLK8与准直透镜11之间，呈扁锥形透镜(所谓的“轴锥镜”)15形式的射束成型光学器件相对于光轴16同轴地布置，该扁锥形透镜具有例如0.1°的侧角(Flankenwinkel)β，其中，锥形侧朝向LLK8。轴锥镜15将入射的发散的激光射束5转换成环状激光射束5，该环状激光射束的外边缘射束5a准直地并且其内边缘射束5b发散地照射到聚焦透镜12上。外边缘射束5a由聚焦透镜12聚焦到聚焦平面13 中、即焦点F中，而内边缘射束5b不受聚焦透镜12影响。加工平面10处于聚焦平面13前面的、例如聚焦平面13前面20mm处的过焦区域中。
如功率测量所示，附加的轴锥镜15促使激光射束5以至少±2mm的景深Δd如此成像到加工平面10中，使得沿景深Δd在每个相对于射束轴线呈直角的平面内，激光射束5的径向功率密度分布Pr形成钟形，并且这些钟形功率密度分布Pr在光轴方向(z方向)上沿景深Δd彼此波动小于5％。即最大值Pmax全部处于5％的波动带17中。
因此，在景深Δd的范围内，激光射束5沿其光轴16在多个毫米上具有大的功率均匀性，并且分别具有钟形的径向功率密度分布Pr。这导致在加工平面13中，在焊入深度非常准确的情况下参数的公差大，因此导致可重复的焊入深度，并且由于钟形的功率密度分布Pr而阻止待焊接的铜构件 2、3之间的热量堆积。
替代地，轴锥镜15也可以布置在激光射束5的平行的射束路径中、即布置在准直透镜11与聚焦透镜12之间。
在图1中，轴锥镜15构造为凸的轴锥镜，使得加工平面10处于成像光学器件9的聚焦平面13前面的过焦区域中。替代地，该轴锥镜也可以构造为凹的轴锥镜，使得加工平面10处于聚焦平面13后面的、例如聚焦平面13后面20mm处的欠焦平面中。
图2中示出的激光加工机1与图1的区别在于，在此，射束成型光学器件由构造成另外的激光光缆LLK21的光学均匀化光学器件以及布置在后面的双焦点物镜22(内部区域中的焦距f1，外部区域中的焦距f2，f1＞f2)构成，并且加工平面10处于双焦点物镜22的两个焦点F1、F2之间。为了混合或平均化径向功率密度分布，激光射束5被相对于另外的LLK21 轴线23偏心地耦合到另外的LLK21中。从另外的LLK21发散出射的激光射束5照射到双焦点物镜22上，该双焦点物镜将激光射束5的照射到其内部区域的内部射束24a聚焦到焦点F1中，并且将激光射束5的照射到其外部区域的环状射束24b聚焦到焦点F2中。
如功率测量在此同样示出的那样，另外的LLK21和双焦点物镜22促使激光射束5以至少±2mm的景深Δd如此成像到加工平面10中，使得沿景深Δd在每个相对于射束轴线呈直角的平面内，激光射束5的径向功率密度分布Pr形成钟形，并且这些钟形的功率密度分布Pr在光轴方向(z方向) 上沿景深Δd彼此波动小于5％。即最大值Pmax全部处于5％的波动带17中。
因此在景深Δd的范围内，激光射束5沿其光轴16在多个毫米上具有大的功率均匀性，并且分别具有钟形的径向功率密度分布Pr。这导致在加工平面13中，在焊入深度非常准确的情况下参数的公差大，因此导致可重复的焊入深度，并且由于钟形的功率密度分布Pr而阻止待焊接的铜构件2、 3之间的热量堆积。

Claims (9)

1.一种激光加工机(1)，其用于激光焊接工件(2，3)，所述激光加工机具有用于产生激光射束(5)的激光射束产生装置(7)以及用于将所述激光射束(5)成像到加工平面(10)中的成像光学器件(9)，
其中，
所述成像光学器件(9)具有：
轴锥镜(15)，所述轴锥镜将入射的发散的激光射束(5)转换成环状激光射束(5)，所述环状激光射束的外边缘射束(5a)准直地照射到聚焦透镜(12)上并且由所述聚焦透镜(12)聚焦到聚焦平面(13)中，所述环状激光射束的内边缘射束(5b)发散地照射到所述聚焦透镜(12)上并且不受所述聚焦透镜(12)影响，其中，所述轴锥镜(15)以至少±2mm的景深(Δd)将所述激光射束(5)在所述加工平面(10)中如此成像，使得沿所述景深(Δd)在每个相对于射束轴线(16)呈直角的平面内，所述激光射束(5)的径向功率密度分布(Pr)形成钟形，并且这些钟形的功率密度分布(Pr)的最大值(Pmax)沿景深(Δd)彼此波动小于10％，或者
双焦点物镜(22)，并且所述加工平面(10)处于所述双焦点物镜(22)的两个焦点(F1，F2)之间，并且所述双焦点物镜以至少±2mm的景深(Δd)将所述激光射束(5)在所述加工平面(10)中如此成像，使得沿所述景深(Δd)在每个相对于射束轴线(16)呈直角的平面内，所述激光射束(5)的径向功率密度分布(Pr)形成钟形，并且这些钟形的功率密度分布(Pr)的最大值(Pmax)沿景深(Δd)彼此波动小于10％。
2.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，所述轴锥镜(15)构造成凸的，并且所述加工平面(10)处于所述成像光学器件(9)的聚焦平面(13)前面的过焦区域中。
3.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，所述轴锥镜(15)构造成凹的，并且所述加工平面(10)处于所述成像光学器件(9)的所述聚焦平面(13)后面的欠焦区域中。
4.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，所述轴锥镜(15)布置在所述激光射束(5)的平行的或发散的射束路径中。
5.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，在所述双焦点物镜(22)前面布置有均匀化光学器件，所述均匀化光学器件使所述激光射束(5)的径向功率密度分布均匀化。
6.根据权利要求5所述的激光加工机，其特征在于，所述均匀化光学器件由光导体构成，所述激光射束(5)被相对于光导体轴线(23)偏心地耦合到所述光导体中。
7.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其特征在于，所述激光射束(5)是绿色的脉冲激光射束。
8.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其特征在于，所述轴锥镜(15)或所述双焦点物镜(22)以至少±2mm的景深(Δd)将所述激光射束(5)在所述加工平面(10)中如此成像，使得沿所述景深(Δd)在每个相对于射束轴线(16)呈直角的平面内，所述激光射束(5)的径向功率密度分布(Pr)形成钟形，并且这些钟形的功率密度分布(Pr)的最大值(Pmax)沿景深(Δd)彼此波动小于5％。
9.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其特征在于，所述轴锥镜(15)或所述双焦点物镜(22)以至少±5mm的景深(Δd)将所述激光射束(5)在所述加工平面(10)中如此成像，使得沿所述景深(Δd)在每个相对于射束轴线(16)呈直角的平面内，所述激光射束(5)的径向功率密度分布(Pr)形成钟形，并且这些钟形的功率密度分布(Pr)的最大值(Pmax)沿景深(Δd)彼此波动小于10％。
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