DE10123852C1

DE10123852C1 - Verfahren zur Laserbearbeitung, insbesondere zum Laserlöten und/oder Laserschweissen, von Teilen mit hoher Reflektivität

Info

Publication number: DE10123852C1
Application number: DE10123852A
Authority: DE
Inventors: Clemens Scherer; Wolfgang Schlenk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: EP1260302A1

Abstract

Auf der stark reflektierenden Oberfläche eines Teils (10) wird eine Folie (11) angeordnet, welche für die Laserstrahlung eine geringere Reflektivität aufweist, als das Teil (10) selbst und welche für die Laserstrahlung eine geringe Transmission aufweist. Ein auf die Folie (11) gerichteter Laserstrahl (15) wirkt dann an dieser Stelle eine lokale Erwärmung des Teiles (10), die zum lokalen Härten oder auch zum Herstellen einer Lötverbindung und/oder Schweißverbindung mit einem zweiten Teil ausgenutzt werden kann.

Description

Die Verbindung der Anschlussbeinchen von Halbleiterbausteinen mit den zugehörigen Anschlußpads einer Leiterplatte kann bei spielsweise durch Laserlöten oder Laserschweißen vorgenommen werden. Diese Art der Verbindung hat sich insbesondere in solchen Fällen bewährt, bei denen die zu verbindenden Teile eine Oberfläche besitzen, welche die Energie der Laserstrah lung gut absorbiert. Die resultierende Erwärmung bewirkt dann die erwünschte Lötverbindung oder Schweißverbindung. In vie len Anwendungen weist die Oberfläche der zu verbindenden Tei le jedoch eine hohe Reflektivität für die Laserstrahlung auf, so dass ohne zusätzliche Maßnahmen keine verlässlichen Löt verbindungen oder Schweißverbindungen erzielt werden können. Die gleiche Problematik ergibt sich auch bei anderen Arten der Laserbearbeitung von Teilen mit hoher Reflektivität, wie z. B. beim lokalen Härten oder Umschmelzen von Metalloberflä chen mit Hilfe eines Laserstrahls.

Zur Verbindung von Metallteilen mit hoher Reflektivität durch Laserlöten oder Laserschweißen ist es aus der US-A-5 274 210 bereits bekannt, auf eines der Metallteile eine Farbe oder Tinte aufzubringen, die eine geringere Reflektivität aufweist als dieses Metallteil selbst. Die entsprechend erhöhte Ab sorption der Energie der Laserstrahlung ermöglicht dann eine Lötverbindung oder Schweißverbindung.

Aus der US-A-4 023 005, der US-A-4 697 061 oder der US-A-5 008 512 ist es auch bereits bekannt, auf Metallteile mit stark reflektierender Oberfläche eine Beschichtung aus einem Metall aufzubringen, das eine geringere Reflektivität aufweist als die Metallteile selbst. Auch hier wird dann durch die höhere Absorption der Laserstrahlung die Herstel lung von Löt- oder Schweißverbindungen ermöglicht.

Eine weitere Möglichkeit, die eine hohe Reflektivität aufwei senden Anschlussbeinchen von Halbleiterbausteinen mit den zu gehörigen Anschlußpads einer Leiterplatte durch Laserlöten zu verbinden, ist aus der US-A-5 021 630 bekannt. Die Anschluss beinchen werden hier mit einer Glasplatte gegen die Anschluß pads gedrückt, wobei der Laserstrahl an der jeweiligen Ver bindungsstelle auf die Oberfläche der Glasplatte gerichtet wird. Das Material der Glasplatte und die Wellenlänge des La serstrahls sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Um wandlung der Energie der Laserstrahlung in Wärme das Auf schmelzen des Lotes an den Verbindungsstellen bewirkt.

Aus JP 10137957 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine dünne Metallplatte, bzw. eine dünne Schicht welche eine ge genüber dem zu lötenden Bereich niedrigere Reflektivität auf weist, auf den zu lötenden Bereich gelegt wird und anschlie ßend mit einem Laser derart bestrahlt wird, dass ein Löten des unter der Metallplatte liegenden Bereichs erreicht wird.

Aus JP 60174294 A ist es bekannt, eine Metallfolie in einem Schneidverfahren einzusetzen. Da eine explosive Energieentla dung des Lasers eine Zerstörung beispielsweise eines Kanten bereichs einer zu bearbeitenden Fläche verursachen kann, wird eine Metallfolie eingesetzt, um die hohe Temperatur an der Fokussstelle des Lasers durch Ableiten von Wärme zu verrin gern.

Es ist ferner aus US 5,274,210 bekannt, einen zu lötenden Be reich mit Kunststoff zu beziehen. Der Kunststoff hat die Auf gabe, die Energie des Laserstrahls zu absorbieren.

Der in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Mitteln die Erwär mung von Teilen mit hoher Reflektivität durch Laserstrahlen möglichst wirtschaftlich zu ermöglichen. Insbesondere soll auch die Verbindung von Metallteilen durch Weichlöten, Hart löten und/oder Schweißen mit Hilfe eines Laserstrahls er leichtert werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Aufle gen einer Folie auf die stark reflektierende Oberfläche eines Teiles eine lokale Erwärmung dieses Teils mit Hilfe eines La serstrahls ermöglicht, sofern die Folie eine geringere Re flektivität aufweist als das Teil selbst und auch eine gerin ge Transmission aufweist. Durch die erhöhte Absorption der Laserstrahlung in der Folie können somit auch Teile mit einer die Laserstrahlung stark reflektierenden Oberfläche lokal er wärmt werden. Hierdurch wird dann beispielsweise das lokale oder das flächige Härten von Metallteilen sowie das Umlegie ren oder Einlegieren mit Hilfe eines Laserstrahls ermöglicht. Beim Verbinden von Metallteilen mit hoher Reflektivität mit Hilfe eines Laserstrahls ermöglicht die Folie die Erzeugung von zuverlässigen Lötverbindungen oder Schweißverbindungen, wobei zusätzlich auch noch eine Kombination von Löten und Schweißen möglich ist. Beim Löten und Schweißen sind folgende Varianten möglich: Stoß-, Überlapp-, Linien-, Einzel-, Se rien-Lötung oder -Schweißung. Das Verfahren wird in der Er findung unter Verwendung einer Folie aus Kunststoff und/oder einer bandförmigen Folie ausgeführt.

Die Ausgestaltung mit einer Folie aus Kunststoff ermöglicht eine besonders einfache und wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens.

Die Verwendung einer Folie in Form eines Bandes ermöglicht mit einfachen Mitteln eine Automatisierung der geschilderten Verfahren.

Die genauen physikalischen Effekte, die die Folie bewirkt, sind noch nicht vollständig geklärt. Obwohl die Folie beim Auftreffen des Laserstrahls an dieser Stelle verdampft, er gibt sich eine ausreichende lokale Erwärmung. Die an den je weiligen Bearbeitungsstellen perforierte Folie kann anschlie ßend problemlos abgehoben werden, wobei auf der Oberfläche allenfalls geringfügige Rückstände verbleiben.

Aus der US-A-5 055 652 ist es bereits bekannt, bei der Ver bindung der Anschlussbeinchen eines Halbleiterbausteins mit den zugehörigen Anschlußpads einer Leiterplatte durch Laser löten ein Band einzusetzen, welches auf den Anschlussbeinchen angeordnet ist. Dieses mit den Anschlussbeinchen verbundene Band hat die Aufgabe, die Anschlussbeinchen zu stützen und ihre Lage zu fixieren. Das Material des Bandes und die Wel lenlänge der Laserstrahlung sind dabei so aufeinander abge stimmt, dass der Laserstrahl nicht absorbiert sondern trans mittiert wird. Für das Laserlöten von Teilen mit hoher Re flektivität ist das bekannte Verfahren also nicht geeignet.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter ansprüchen hervor.

Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 3 und 4 ermöglichen bereits in den meisten Anwendungsfällen recht gute Ergebnisse bei der Laserbearbeitung oder beim Laserlöten und/oder Laser schweißen. Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 5 und 6 mit einem Absorptionsgrad der Folie von mindestens 60% bzw. mindestens 90% bewirken eine weitere Verbesserung der loka len Erwärmung mit Hilfe eines Laserstrahls.

Folien aus Polyimid gemäß Anspruch 7 haben sich besonders gut bewährt.

Die Weiterbildung nach Anspruch 8 ermöglicht eine einfache und effektive Steigerung des Absorptionsgrades der Folie für die Laserstrahlung. Die Verwendung von schwarzen Pigmenten als die Absorption erhöhenden Zusatzstoffe gemäß Anspruch 9 hat sich dabei besonders gut bewährt.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 10 gibt einen besonders güns tigen Bereich für die Stärke der Folien an.

Gemäß Anspruch 11 kann die Effektivität der Laserbearbeitung durch die Verwendung einer bandförmigen Folie, die sich über mehrere Bearbeitungsstellen erstreckt, weiter gesteigert wer den.

Die Weiterbildung nach Anspruch 12 ermöglicht auf einfache Weise eine automatische Zufuhr der bandförmigen Folie zu den jeweiligen Bearbeitungsstellen. Gemäß Anspruch 13 wird die Folie in nach den Bearbeitungsstellen oder Verbindungsstellen von einer Aufwickelrolle wieder aufgenommen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 14 gewährleistet eine sichere Anlage der Folie auf dem jeweils zu bearbeitenden Teil. Au ßerdem kann der Niederhalter beim Laserlöten und/oder Laser schweißen zur Erzeugung eines Anpressdrucks der miteinander zu verbindenden Teile herangezogen werden.

In den Ansprüchen 15 und 16 sind Laser angegeben, die sich beim Einsatz einer Folie zur Erhöhung der Absorption der La serstrahlung besonders gut bewährt haben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 das Grundprinzip der Bearbeitung von Teilen mit ho her Reflektivität mit Hilfe eines Laserstrahls,

Fig. 2 das Grundprinzip des Verbindens von Metallteilen mit hoher Reflektivität mit Hilfe eines Laser strahls und

Fig. 3 das Grundprinzip des Verbindens der Anschlussbein chen eines Halbleiterbausteins mit den zugehörigen Anschlußpads einer Leiterplatte durch Laserlöten und/oder Laserschweißen.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstel lung die lokale Erwärmung eines Teils 10 mit Hilfe eines La serstrahls 15. Das beispielsweise aus Metall bestehende Teil 10 besitzt eine Oberfläche mit hoher Reflektivität, auf wel cher eine bandförmige Folie 11 angeordnet wird, welche die Energie des Laserstrahls 15 gut absorbiert. Bei Erzeugung des Laserstrahls 15 durch einen Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlän ge von 1,064 µm oder durch einen CO₂-Laser mit einer Wellen länge von 10,6 µm wird diese Absorption beispielsweise durch eine 25 µm starke Folie 11 aus Polyimid erreicht, die durch die Beimengung von Additiven schwarz gefärbt ist.

Die bandförmige Folie 11 wird von einer Vorratsrolle 12 schrittweise abgespult und nach der Bearbeitung durch den La serstrahl 15 von einer Aufwickelrolle 13 aufgenommen. Ein Niederhalter 14 drückt an der vorgesehenen Bearbeitungsstelle die bandförmige Folie 11 gegen das Teil 10, wobei der Durch tritt des Laserstrahls 15 durch eine Ausnehmung 140 des Nie derhalters 14 ermöglicht wird.

Durch die Anwesenheit der bandförmigen Folie 11 bewirkt der Laserstrahl 15 eine lokale Erwärmung des Teils 10. Die band förmige Folie 11 verdampft beim Auftreffen des Laserstrahls 15 an dieser Stelle, d. h. sie wird an der Bearbeitungsstelle perforiert. Für den nächsten Bearbeitungsvorgang kann dann durch Drehen der Aufwickelrolle 13 unverbrauchte bandförmige Folie 14 in den Bearbeitungsbereich transportiert werden.

Das vorstehend geschilderte Prinzip der Laserbearbeitung kann beispielsweise für das lokale Härten des Teils 10 bzw. für das Umlegieren oder mit entsprechenden Zusatzstoffen das Ein legieren mit Hilfe des Laserstrahls 15 eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstel lung das Verbinden von zwei Metallteilen 20 und 200 durch Lö ten und/oder Schweißen mit Hilfe eines Laserstrahls 25. Das Metallteil 20 besitzt eine Oberfläche mit hoher Reflektivi tät, auf welcher eine bandförmige Folie 21 angeordnet wird, welche die gleichen Eigenschaften hat wie die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene bandförmige Folie 11.

Die bandförmige Folie 21 wird von einer Vorratsrolle 22 schrittweise abgespult und nach der Bearbeitungsstelle von einer Aufwickelrolle 23 aufgenommen. Die beiden miteinander zu verbindenden Metallteile 20 und 200 werden durch einen in Fig. 2 nicht dargestellten Transportmechanismus in Richtung des Pfeiles 27 zugeführt und dann in Richtung der Pfeile 26 gegen einen auf der bandförmigen Folie 21 angeordneten Nie derhalter 24 gedrückt. Der Durchtritt des Laserstrahls 25 wird dabei durch eine entsprechende Ausnehmung 240 des Nie derhalters 24 ermöglicht.

Durch die Anwesenheit der bandförmigen Folie 21 bewirkt der Laserstrahl 25 an der vorgesehenen Verbindungsstelle eine Er wärmung der Metallteile 20 und 200, die ihrerseits zu einer Verbindung durch Löten und/oder Schweißen führt. Im Falle ei ner Lötverbindung muss natürlich das erforderliche Lot zwi schen den beiden Metallteilen 20 und 200 beispielsweise in Form einer Oberflächenschicht oder einer Lotfolie angeordnet werden. Die bandförmige Folie 21 verdampft beim Auftreffen des Laserstrahls 25, d. h. sie wird an der Verbindungsstelle perforiert. Für den nächsten Verbindungsvorgang kann dann durch Drehen der Aufwickelrolle 23 unverbrauchte bandförmige Folie 21 unter den Niederhalter 24 transportiert werden.

Fig. 3 zeigt in stark vereinfachter perspektivischer Dar stellung das Grundprinzip des Verbindens der Anschlussbein chen 32 eines Halbleiterbausteins 31 mit den zugehörigen Anschlußpads 33 einer Leiterplatte 30 durch Laserlöten und/oder Laserschweißen. Die Anschlussbeinchen 32 besitzen eine Oberfläche mit hoher Reflektivität, d. h. eine unmittel bare Verbindung von Anschlussbeinchen 32 und Anschlußpads 33 mit Hilfe eines Laserstrahls 35 ist nur schwer möglich, z. B. über längere Einwirkzeiten und/oder höhere Laserenergie. Aus diesem Grund werden insgesamt vier bandförmige Folien 34 ein gesetzt, die sich jeweils über sämtliche Verbindungsstellen einer Reihe Anschlussbeinchen 32 erstrecken. Die bandförmigen Folien 34 besitzen die gleichen Eigenschaften wie die im Zu sammenhang mit den Fig. 1 und 2 geschilderten bandförmigen Folien 11 und 21.

Die bandförmige Folie 34 wird über in Fig. 3 nicht darge stellte Niederhalter gegen die Anschlussbeinchen 32 gedrückt, wodurch die Anschlussbeinchen 32 ihrerseits gegen die Anschlußpads 33 der Leiterplatte 30 gedrückt werden.

Durch die Anwesenheit der bandförmigen Folie 34 bewirkt der Laserstrahl 35 an der vorgesehenen Verbindungsstelle eine Er wärmung von Anschlussbeinchen 32 und Anschlußpad 33, die ih rerseits zu einer Verbindung durch Löten und/oder Schweißen führt. Im Falle einer Lötverbindung muss das erforderliche Lot zwischen Anschlussbeinchen 32 und Anschlußpad 33 bereit gestellt werden, beispielsweise durch eine galvanisch aufge brachte Zinn oder Zinn-Blei-Schicht auf den Anschlussbeinchen 32 oder auf den Anschlußpads 33 oder auf beiden Teilen.

Die Verbindung von Anschlussbeinchen 32 und Anschlußpads 33 mit Hilfe des Laserstrahls 35 ist in Fig. 3 für ein An schlussbeinchen 32 der hinteren Reihe aufgezeigt. Die anderen Verbindungen können durch eine entsprechende Ablenkung des Laserstrahls 35 oder durch den gleichzeitigen Einsatz mehre rer Laserstrahlen 35 hergestellt werden. Die bandförmigen Fo lien 34 werden beim Auftreffen des Laserstrahls 35 an diesen Stellen schlagartig verdampft, d. h. sie werden an den Verbin dungsstellen perforiert. Die Zufuhr unverbrauchter bandförmi ger Folie 34 für den nächsten Verbindungsvorgang kann dann wieder über Vorratsrollen und Aufwickelrollen vorgenommen werden, so wie es vorstehend im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben werden.

Werden die Anschlussbeinchen 32 durch Hartlöten oder Schwei ßen mit den zugehörigen Anschlußpads 33 verbunden, so kann die Qualität dieser Verbindungen auch durch nachfolgende Löt prozesse nicht mehr beeinträchtigt werden. Im Falle des Hart lötens werden die Anschlussbeinchen 32 beispielsweise mit ei nem eutektischen Silber-Kupfer-Lot oder mit einem Silber- Phosphor-Lot überzogen.

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten von Teilen (10) mit hoher Reflek tivität mit Hilfe eines Laserstrahls (15) mit folgenden Schritten:

- auf dem zu bearbeitenden Teil (10) wird eine Folie (11) angeordnet, welche für die Laserstrahlung eine geringere Reflektivität aufweist als das zu bearbeitende Teil (10) und welche für die Laserstrahlung eine geringe Trans mission aufweist;
- der Laserstrahl (15) wird derart auf die Folie (11) ge richtet, dass das zu bearbeitende Teil (10) lokal erwärmt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie (11; 21; 34) aus Kunststoff und/oder eine Folie (11; 21; 34) in Form eines Bandes verwendet wird.

2. Verfahren zum Verbinden von zwei Metallteilen (20, 200; 32, 33) mit hoher Reflektivität durch Löten und/oder Schwei ßen mit Hilfe eines Laserstrahls (25; 35) mit folgenden Schritten:

- auf dem ersten Metallteil (20; 32) wird eine Folie (21; 34) angeordnet, welche für die Laserstrahlung eine gerin gere Reflektivität aufweist, als die zu verbindenden Me tallteile (20, 200; 32, 33) und welche für die Laserstrah lung eine geringe Transmission aufweist;
- der Laserstrahl (25; 35) wird an der Verbindungsstelle derart auf die Folie (21; 34) gerichtet, dass die resul tierende Erwärmung die Verbindung des ersten Metallteils (20; 32) mit dem zweiten Metallteil (200, 33) bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie (11; 21; 34) aus Kunststoff und/oder eine Folie (11; 21; 34) in Form eines Bandes verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass eine Folie (11) verwendet wird, deren Absorpti onsgrad für die Laserstrahlung mindestens 10% höher ist, als der Absorptionsgrad des zu bearbeitenden Teils (10) im Aus gangszustand.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, dass eine Folie (21; 34) verwendet wird, deren Absorp tionsgrad für die Laserstrahlung mindestens 10% höher ist, als der Absorptionsgrad der zu verbindenden Metallteile (20, 200; 32, 33).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine Folie (11; 21; 34) verwendet wird, deren Absorptionsgrad für die Laserstrahlung mindestens 60% beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie (11; 21; 34) verwendet wird, deren Absorptionsgrad für die Laserstrahlung mindestens 90% beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine Folie (11; 21; 34) aus Polyimid verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff Zusatz stoffe beigemengt werden, welche den Absorptionsgrad für La serstrahlung mit der jeweils gewählten Wellenlänge erhöhen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff schwarze Pigmente als Zusatzstoffe beigemengt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch die Verwendung einer Folie (11; 21; 34) mit einer Stärke zwischen 5 µm und 30 µm.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine Folie (34) in Form eines Bandes verwendet wird, das sich über mehrere Bearbei tungsstellen oder Verbindungsstellen erstreckt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine Folie (11; 21) in Form eines Bandes verwendet wird, das von einer Vorratsrolle (12; 22) abgespult wird

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Folie (11; 21) in Form eines Bandes nach den Bearbeitungsstellen oder Verbin dungsstellen von einer Aufwickelrolle (13; 23) aufgenommen wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Folie (11; 21) ein Niederhalter (14; 24) zugeordnet wird, der mindestens eine Ausnehmung (140; 240) für den Durchtritt des Laserstrahls (15; 25) aufweist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Laser strahls (15; 25; 35) ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,064 µm verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Laserstrahls (15; 25; 35) ein CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm verwendet wird.