DE102006042097A1

DE102006042097A1 - Abschirmung von thermisch empfindlichen Bauelementen beim Laserbearbeiten

Info

Publication number: DE102006042097A1
Application number: DE102006042097A
Authority: DE
Inventors: Herbert Kilian; Clemens Scherer
Original assignee: VDO Automotive AG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: WO2008028949A1; DE102006042097B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung, insbesondere zum Laserlöten oder Laserschweißen, von Körpern (2), wobei die Körper (2) hoch reflektierenden Oberflächen und mindestens eine gemeinsame Hauptflächennormale aufweisen, und ein bearbeitender Laserstrahl (1) entlang dieser Hauptflächennormalen auf mindestens eine zu bearbeitende Position der Körper (2) einfällt. Dabei sollen angrenzende Bauelemente vor einer Beschädigung durch den Laserstrahl (1) und infolge der auftretenden Wärme auf einfache und wirksame Weise geschützt werden. Dies wird durch eine Formgebung mindestens einer der Körper (2) derart geschaffen, dass der Laserstrahl (1) zu dessen Einfallsrichtung zurück reflektiert wird. Die vorliegende Erfindung eignet sich bevorzugt zum Zusammenschweißen von Leiterbahnen auf dreidimensionalen Leiterplatten und Motoranschlüssen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft laserbearbeitete Körper nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zur Laserbearbeitung gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
Bei der Bearbeitung von hoch reflektierenden Oberflächen mit einem Laserstrahl wird der Laserstrahl je nach Wellenlänge unterschiedlich stark reflektiert. Bei der Bearbeitung von Kupfer (99,6%) mit einem Nd:YAG-Laser (λ = 1064 nm) ergibt sich ein Reflexionsgrad von ca. 96%. Herkömmliche Laserstrahlbearbeitungen sind beispielsweise Löten oder Schweißen. Reflektierende Strahlung kann, je nach Grad der Ablenkung am zu bearbeitenden Körper beziehungsweise Element, umliegende Bauelemente beschädigen beziehungsweise zerstören.
Bei der Erzeugung von Überlapp-Schweißnähten in Form von Punkt-, Stepp- und kontinuierlichen Nähten sind die reflektierten Strahlen nachteilig. Bei der Laserbearbeitung von Körpern weisen die in Rede stehenden Körper hoch reflektierende Oberflächen und gemeinsame parallele Oberflächennormalen auf. Ein bearbeitender Laserstrahl wird parallel zu diesen Flächennormalen auf die mindestens eine zu bearbeitende Position der Körper gelenkt.
1 zeigt beispielhaft das Laserstrahlschweißen von dreidimensionalen Leiterplatten an Motoranschlüssen. Die in Rede stehenden Körper sind hier Leitungen, die aus Kunststoffbauelementen hervorragen. Die Leitungen bestehen beispielsweise aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder vollständig aus Kupfer. Der Laserstrahl wird mittels der Formgebung der zu verschweißenden Körper beziehungsweise Leitungen in Richtung zu thermisch empfindlichen Bauelementen umgelenkt. Auf diese Weise können in der Nähe der Schweißstellen angeordnete elektroni sche Bauelemente, die Kunststoff und/oder Halbleitermaterialien aufweisen, beschädigt und zerstört werden.
Die DE 103 430 821 B4 offenbart ein Verfahren zur Abschirmung von Bauelementen beim Laserschweißen. Diese Offenbarung betrifft insbesondere Kehlnahtschweißungen. Es wird ein Verfahren zum Anschweißen eines anzuschweißenden Elements an einer Schweißstelle mittels Laserstrahl unter Verwendung einer Abschirmvorrichtung offenbart, die mit dem anzuschweißenden Element fest verbunden ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Positionieren des anzuschweißenden Elements und der damit verbundenen Abschirmvorrichtung an der Schweißstelle derart, dass die Abschirmvorrichtung zwischen der Schweißstelle und einem abzuschirmenden Element angeordnet ist. Verschweißen des anzuschweißenden Elements mit der Schweißstelle durch Einwirkung des Laserstrahls. Dieses Dokument offenbart die Verwendung von zusätzlich ausgebildeten Abschirmvorrichtungen.
Gemäß dem Stand der Technik werden an den Schweißpositionen angrenzende Bauelemente, insbesondere elektronische Bauelemente, fehlerbehaftet bereitgestellt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einer Laserbearbeitung, insbesondere beim Zusammenschweißen oder Zusammenlöten von Körpern mit hoch reflektierenden Oberflächen, benachbarte Bauelemente, insbesondere elektronische Bauelemente, vor einer Beschädigung durch den Laserstrahl beziehungsweise durch die auftretende Wärme auf einfache und wirksame Weise zu schützen.
Die Aufgabe wird durch laserbearbeitete Körper gemäß dem Hauptanspruch und durch ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Mindestens ein Körper weist eine hoch reflektierende Oberfläche auf. Die Körper weisen mindestens eine gemeinsame Hauptflächennormale auf. Ein bearbeitender Laserstrahl fällt ent lang dieser Hauptflächennormalen auf mindestens eine zu bearbeitende Position der Körper ein. Die Hauptflächennormalen stehen senkrecht auf Hauptflächen, die durch Substrate, Leiterplatten und/oder parallele Flächen der Körper und/oder Bauelemente bestimmt sind.
Mittels der Formgebung mindestens eines der zu verschweißenden Körper wird ein Laserstrahl entgegengesetzt zu dessen Einfallsrichtung zurück reflektiert. Besonders vorteilhaft ist die Formgebung des Körpers, der dem Laserstrahl zugewandt ist. Der Rückstrahl kann unterschiedlich stark gebündelt sein, beispielsweise in Form eines Kegels. Das heißt, der Laserstrahl wird, vollständig oder im Wesentlichen, entlang der Hauptflächennormalen, mit der er eingefallen ist, reflektiert. Auf diese Weise sind in der Nähe der zu bearbeitenden Position der Körper angeordnete Bauelemente, insbesondere elektronische Bauelemente, vor der Laserstrahlung und der erzeugten Wärme geschützt. Ein Reflektieren von Laserstrahlung in Richtung der zu schützenden Bauelemente wird einfach und wirksam verhindert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Formgebung mindestens eines der Körper eine zum einfallenden Laserstrahl konkave Form. Auf diese Weise wird ein Zurückreflektieren besonders wirksam erzeugt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Formgebung eine "U"- oder "V"-Verbiegung eines Körpers entlang eines Querschnitts diese Körpers. Dabei kann die Verbiegung schmal sein oder senkrecht zum Querschnitt entlang eines Kanals verlaufen. Entsprechend kann eine Schweißnaht erzeugt werden. Ebenso kann der mindestens eine Körper ein dreidimensionales Gebilde in Form eines Kegels oder Kegelstumpfes als zurück reflektierende Formgebung ausbilden. Diese Formgebung wird „Sicke" genannt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Körper Leiterbahnen, insbesondere Leiterbahnen auf dreidimensionalen Leiterplatten. Körper können ebenso Anschlüsse von Motoren sein. Dies betrifft insbesondere Kraftfahrzeugmotoren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Körper Metalle, insbesondere Kupfer oder Kupfer-Zinn-Legierungen auf. Der Reflexionsfaktor ist bei diesen Metallen besonders hoch.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Nähe der Positionen der Laserbearbeitung temperaturempfindliches Material, insbesondere Kunststoff und/oder Kunststoff aufweisende Bauelemente sowie auch Halbleitermaterialien, angeordnet.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen werden Überlapp-, und zwar Punkt-, Stepp- und kontinuierliche Schweißnähte erzeugt. Auf diese Weise können ebenso so genannte Kehlnähte erzeugt werden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik;
3 in Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt beispielhaft das Schweißen von dreidimensionalen Leiterplatten an Motoranschlüssen mittels Laserstrahl 1. Die in Rede stehenden Körper sind hier Leitungen 2, die aus Kunststoff, wie es beispielsweise Polyacryl PA ist, aufweisenden Bauelementen hervorragen. Die Leitungen 2 bestehen beispielsweise aus einer Kupfer-Zinn-(Cu-Sn-) Legierung oder vollständig aus Kupfer (Cu). Der Laserstrahl 1 wird aufgrund der Formgebung der zu verschweißenden Körper beziehungsweise Leitungen 2 als Reflexionsstrahl 3 in Richtung zu thermisch empfindlichen Bauelementen umgelenkt. Auf diese Weise können in der Nähe der Schweißstellen angeordnete elektronische Bauelemente, die insbesondere Kunststoff aufweisen, beschädigt und zerstört werden.
2 zeigt offenbart ein Verfahren zur Abschirmung von Bauelementen 40 beim Laserschweißen. Diese Offenbarung betrifft insbesondere Kehlnahtschweißungen. Es wird ein Verfahren zum Anschweißen eines anzuschweißenden Elements 20 an einer Schweißstelle 21 mittels Laserstrahl 50 unter Verwendung einer Abschirmvorrichtung 30 offenbart, die mit dem anzuschweißenden Element 20 fest verbunden ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Positionieren des anzuschweißenden Elements 20 und der damit verbundenen Abschirmvorrichtung 30 an der Schweißstelle 21 derart, dass die Abschirmvorrichtung 30 zwischen der Schweißstelle 21 und einem abzuschirmenden Element 40 angeordnet ist. Verschweißen des anzuschweißenden Elements 20 mit der Schweißstelle 21 durch Einwirkung des Laserstrahls 50. Dieses Dokument offenbart die Verwendung von zusätzlich ausgebildeten Abschirmvorrichtungen 30.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden ein Kupferleiter 2a und ein Kupfer-Zinn-Leiter 2b lasergeschweißt. Beide Leiter 2a, 2b erstrecken sich aus Kunststoff PA bestehenden Bauelementen hervor. Die Kunststoffbauelemente können beispielsweise aus Polyacryl (PA) bestehen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der bearbeitende Laserstrahl 1 mittels einer Formgebung des dem Laser zugewandten oberen Körpers im Wesentlichen entgegengesetzt zu seiner Einfallsrichtung zurück reflektiert. Dabei ist der obere Körper eine Leiterbahn 2, die im Querschnitt eine "V"-artige Formgebung aufweist. Ebenso kann der mindestens eine Körper ein dreidimensionales Gebilde in Form eines Kegels oder Kegelstumpfes als zum Laserstrahl konkave, zurück reflektierende Formgebung ausbilden. Diese Formgebung wird „Sicke" genannt. Der Laserstrahl 1 für die Schweißung wird im Wesentlichen senkrecht nach oben reflektiert. Die tatsächliche Form des zurück reflektierten Laserstrahls 1 gleicht in etwa einem Kegel. Im Unterschied zum Stand der Technik ist gemäß der Ausführungsform, der zurück reflektierte Laserstrahl 1 relativ stark gebündelt. Die "V"-artige Formgebung ist eine Ausführungsform einer allgemeinen konkaven Formgebung. Alternativ ist es möglich, dass der unten liegende Kupfer-Leiter zusätzlich eine konkave Form aufweist. Eine konkave Formgebung des unteren Leiters erscheint nur sinnvoll, wenn die Laserleistung ausreicht, den oberen Leiter ausreichend zu schmelzen. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt insbesondere das Laserstrahlschweißen von dreidimensionalen Leiterplatten an Anschlüssen von Kraftfahrzeugmotoren. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des PA-Kunststoffes durch reflektierende Laserstrahlen 3 verhindert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können Punkt-, Stepp- und kontinuierliche Schweißnähte in unmittelbarer Nähe von thermisch empfindlichen Bauteilen hergestellt werden.

Claims

Laserbearbeitete Körper (2), insbesondere zusammen gelötete oder geschweißte Körper (2), wobei mindestens einer der Körper (2) eine hoch reflektierende Oberfläche und die Körper (2) mindestens eine gemeinsame Hauptflächennormale aufweisen, und ein bearbeitender Laserstrahl (1) entlang dieser Hauptflächennormalen auf mindestens eine zu bearbeitende Position der Körper (2) eingefallen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) mittels einer Formgebung mindestens eines der Körper (2) entgegengesetzt zu dessen Einfallsrichtung zurück reflektiert wurde.
Laserbearbeitete Körper (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung eine zum einfallenden Laserstrahl (1) konkave Form ist.
Laserbearbeitete Körper (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung eine „U"- oder „V"-Verbiegung entlang eines Querschnitts des Körpers (2) oder ein dreidimensionales Gebilde in Form eines Kegels oder Kegelstumpfes ist.
Laserbearbeitete Körper (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (2) Leiterbahnen (2), insbesondere Leiterbahnen auf dreidimensionalen Leiterplatten, und/oder Motoranschlüsse (2) sind.
Laserbearbeitete Körper (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (2) Metall, insbesondere Kupfer und/oder Kupfer-Zinn, aufweisen.
Laserbearbeitete Körper (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Positionen der Laserbearbeitung Temperatur empfindliches Material, insbesondere Kunststoff und/oder Kunststoff aufweisende Bauelemente und/oder Halbleiter, angeordnet ist.
Verfahren zur Laserbearbeitung, insbesondere zum Zusammenlöten oder Zusammenschweißen, von Körpern (2), wobei mindestens einer der Körper (2) eine hoch reflektierende Oberfläche und die Körper (2) mindestens eine gemeinsame Hauptflächennormale aufweisen, und ein bearbeitender Laserstrahl (1) entlang dieser Hauptflächennormalen auf mindestens eine zu bearbeitende Position der Körper (2) einfällt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) mittels einer Formgebung mindestens eines der Körper (2) entgegengesetzt zu dessen Einfallsrichtung zurück reflektiert wird.
Verfahren zur Laserbearbeitung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung eine zum einfallenden Laserstrahl (1) konkave Form ist.
Verfahren zur Laserbearbeitung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung eine „U"- oder „V"-Verbiegung entlang eines Querschnitts des Körpers (2) oder ein dreidimensionales Gebilde in Form eines Kegels oder Kegelstumpfes ist.
Verfahren zur Laserbearbeitung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Überlapp-, und zwar Punkt-, Stepp-, kontinuierliche Schweißnähte, sowie Kehlnähte erzeugt werden.