DE102007007618B3 - Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte mit einem gepulsten Festkörperlaser durch Abisolieren der Beschichtung und Fügen von Fügestellen in einem Prozessschritt beschrieben, bei dem ein Laserpuls auf die Fügestelle während des Fügevorgangs gerichtet wird, der durch Pulsformung in der Leistung variiert wird, derart, dass zu Beginn des Fügevorgangs eine zur Entfernung der Beschichtung angepasste niedrigere Leistung und anschließend eine zum Fügen geeignete höhere Leistung eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte mit einem gepulsten Festkörperlaser durch Abisolieren der Beschichtung und Fügen von Fügestellen in einem Prozessschritt.
  • Bei der Kontaktierung von Mikrosystemen, Mikrosystembauelementen und Elektronikkomponenten werden neben unbeschichteten auch beschichtete, insbesondere lackierte Drähte eingesetzt. Hierbei besteht die Problematik, vor dem Kontaktieren die störende Beschichtung zu entfernen. Erfolgt dies nicht, bleiben Reste in der Fügezone, die zu einer Verschlechterung der Verbindung führen.
  • Adrian, J.: Automatisiertes, stoffschlüssiges Fügen folienisolierter Flachleiter mit Oberflächenkontamination. Diss. Universität Stuttgart 2005, beschreibt verschiedene Methoden zum Entlacken von Drähten für die elektrische Kontaktierung. Die gebräuchlichen Verfahren umfassen die chemische oder mechanische Entfernung von Isolierungen oder Lackschichten. Zu den einfachsten mechanischen Abisolierverfahren zählt das weit verbreitete Schaben. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der relativ reinen Oberfläche und den geringen Investitionskosten. Nachteilig ist die Beschränkung auf die einseitige Abisolierung bei laminierten folienisolierten Flachleitern. Für eine beidseitige Abisolierung ist eine zweite ultraschallunterstützte Klinge erforderlich, bei der die Gegenseite durch starke Rückstände auf der Oberfläche geprägt ist.
  • Sowohl das Stirn- als auch das Walzenfräsen erzeugen sehr reine Oberflächen. Durch die starke Leiterschädigung wird die Festigkeit der meistens nur 70 bis 100 μm dicken Leiter im Fügebereich zusätzlich herabgesetzt und führt zu einer Beschränkung auf die einseitige Abisolation.
  • Das Schleifen ermöglicht eine beidseitige Abisolierung und erfordert bei den erreichbaren Oberflächen, ähnlich wie das Laserabisolieren mit einem Nd:YAG-Festkörperlaser eine Nachbehandlung.
  • Die sogenannte Fenstertechnik arbeitet vollständig rückstandsfrei, was Klebstoff- und Isolationsreste angeht. Der Bezug von abgelängten, abisolierten und gereinigten folienisolierten Flachleitern ist möglich, aber aus wirtschaftlichen Gründen nur bei einem geringen Typen- und Variantenspektrum und hohen Stückzahlen sinnvoll. Bei einem hohen Typen- und Variantenspektrum bildet sich bei abisolierten Flachleitern, bedingt durch lange Lagerzeiten, Oberflächenoxidation, die sich negativ auf die Kontakteigenschaften auswirkt.
  • Die thermische Abisolierung mit Prozessgas hat sich durch die starken Verbrennungsrückstände im Kontaktbereich am Markt nicht durchsetzen können. Ein weiteres thermisches Abisolierverfahren wurde mit den Lasertypen CO2 und Nd:YAG umgesetzt. Das Ziel des Nd:YAG-Lasers mit einem Laser sowohl die Abisolierung als auch das Fügen durchzuführen, lässt durch die mit starken Rückständen versehene Abisolierung keine reproduzierbaren Kontakteigenschaften zu. Hingegen ist die Abisolierung mit CO2-Lasern weit verbreitet. Auch hier treten Rückstände, bestehend aus Verbrennungsprodukten der Isolation und des Klebstoffes auf der Fügefläche auf, die bei entsprechend großer Fügefläche, einer geeigneten Absaugung der Verbrennungsprodukte oder bei Reinigung der Fügefläche weiterhin ausreichende Stromtragfähigkeiten trotz schwankender mechanischer Festigkeiten erreicht.
  • DE 44 26 718 C2 beschreibt ein Verfahren zum Abisolieren von belackten Drähten mittels Laserstrahlung. Es ist eine zusätzliche Schicht zwischen Draht und Lack vorgesehen, die die Laserwellenlänge absorbiert und dadurch die Lackschicht nach dem Aufheizen entfernt. Nach dem Entfernen der Isolierung wird die Leitung in ein Lötbad gelegt, um den Fügeprozess durchzuführen.
  • Meyer, F.G.: Laserlöten unter besonderer Berücksichtigung der SM-Technologie und des Lötens an schwer zugänglichen Stellen. DVS-Berichte. Band 122, 1989, S. 70 bis 71 beschreibt die Vorteile des Laserlötens mit CO2- und Nd:YAG-Lasern. Eine Automatisierung von Einzelpunktlötungen ermöglicht nicht nur eine kostengünstige Serienfertigung, sie ist auch eine Forderung zur Errichtung einer gleich bleibenden hohen Qualität. Daher kann in der heutigen, modernen Elektronik-Fertigung auf das automatisierte Einzelpunktlöten nicht verzichtet werden.
  • Das Laserlöten ermöglicht eine exakte Fokussierung und damit das Löten von kleinsten Lötstellen. Die besonderen Vorteile dieses Verfahrens sind insbesondere die berührungslose Wärmeübertragung, die exakte Fokussierung, die hohe Leistungsdichte und die hohe Qualität der Lötstellen bei hoher Prozesssicherheit.
  • Im Unterschied zu Reflow-Löten ist das Laserstrahllöten ein Verfahren, bei dem die Bauteile selektiv bearbeitet werden. Nachdem eine Lötpaste mit einem Flussmittel auf die Kontaktstellen aufgebracht wird, erfolgt die Bestrahlung der Fügestellen. Durch Erhitzung der Lötpaste infolge der Laserstrahlung wird das Flussmittel aktiviert und bei steigender Temperatur schmelzen die Metallanteile der Lötpaste. Erst nach einer weiteren Erhöhung der Temperatur durch thermische Wärmeleitung benetzt die Lötpaste sowohl die Komponenten als auch das Lötpad.
  • Durch Einsatz des selektiven Laserstrahllötens wird eine Schädigung des thermisch empfindlichen Substrats weitgehend vermieden, da die lokale Temperatur am Lötpunkt wesentlich niedriger ist als der Schmelzpunkt der einzelnen Komponenten. Außerdem können durch dieses Verfahren produktionsbedingte Fügespalten kompensiert werden, die sich zwischen den Anschlussflächen und dem Substrat bilden.
  • Ein wesentlicher Vorteil des Laserstrahllötens ist die geringe Wärmeeinflusszone in der Lötverbindung. Aufgrund der berührungslosen Bearbeitung entfällt außerdem die Notwendigkeit für eine aufwändige Spannvorrichtung. Dadurch erhöhen sich die Flexibilität und das Automatisierungspotenzial des Verfahrens. Darüber hinaus sind keine hohen Investitionskosten notwendig, da die Bestrahlung der Fügezone in der Umgebungsluft ohne Schutzgaszufuhr stattfindet.
  • Hornev, P., Treusch, H.-G.; Beyer, E.; Herziger, G.; Knödler, D.; Möller, W.: Temperaturgeregeltes Lasermikrolöten. DVS-Berichte, Band 129, 1990, S. 62 bis 65, beschreibt ein temperaturgeregeltes Lasermikrolöten mit Nd:YAG-Lasern im cw-Betrieb. Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund des inhomogenen Verhaltens von Lotpaste eine Temperaturregelung empfehlenswert ist. Mit Hilfe der Temperaturregelung können Schwankungen bei der Lötstellenvorbereitung in Grenzen kompensiert werden.
  • Allavi, M.: Laserlöten im Fein- und Mikrotechnischen Bereich. Jahrbuch der deutschen Gesellschaft für Chronometrie, Band 39, 1998, S. 155–158, offenbart ein Laserlöten im Fein- und Mikrotechnischen Bereich. Mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser wurden bei einer Pulsenergie im Bereich von 0,7 bis 7 Ws und einer Pulsdauer von 2,5 bis 14 ms Lötversuche mit SMD-Bauelementen, Cu-Feindrähten und Kontaktbuchsen durchgeführt. Die Lötverbindungen wurden jeweils mit einem Laserpuls hergestellt. Durch Variation der Strahlparameter (Pulsenergie, Strahldurchmesser) wurde festgestellt, dass mit relativ stark fokussiertem Laserstrahl und niedrigen Pulsenergien optimale Ergebnisse erzielt werden können.
  • Nicolics, J.: Einsatz eines Lasers zum Feinstdrahtlöten. DVS-Berichte, Band 129, 1990, S. 190 bis 193, beschreibt den Einsatz eines Lasers zum Feinstdrahtlöten. In einem Laser-Reflow-Lötprozess unter Schutzgasatmosphäre wird ein Kupferlackdraht mit vorverzinnten Anschlussfahnen verlötet. Beim Löten wird der Lack geschmolzen und schwimmt teilweise auf dem Lotzinn auf und verbleibt teilweise in der Lötzone. Während des Laserlötvorgangs wird der Laserstrahl über die Anschlussfahne bewegt. Bei der konstant gehaltenen Laserleistung ergibt sich hierdurch ein von der Vorgeschwindigkeit und der Intensitätsverteilung im Brennfleck abhängiger zeitlicher Verlauf der auf die Lötstelle einwirkenden Laserleistung.
  • Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte mit einem gepulsten Festkörperlaser zu schaffen, bei dem in einem Prozessschritt die Beschichtung entfernt und die freigelegte Fugestelle gefügt wird. Dabei soll insbesondere die Beeinträchtigung der Fugestelle durch Beschichtungsrückstände verhindert werden.
  • Die Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst durch Richten eines Laserpulses auf die Fugestelle während des Fügevorgangs, der durch Pulsformung in der Leistung variiert wird derart, dass zu Beginn des Fügevorgangs eine zur Entfernung der Beschichtung angepasste niedrigere Leistung und anschließend eine zum Fügen geeignete höhere Leistung eingestellt wird.
  • Das Abisolieren und Fügen erfolgt damit in einem Prozessschritt und gelingt dadurch, dass die Laserleistung nicht wie bislang konstant gehalten wird, sondern während der Bestrahlung eines zu fügenden Punktes so variiert, dass auf die Fugestelle zunächst eine zum Verdampfen der Beschichtung ausreichende Energie eingebracht wird und sofort anschließend im selben Laserpuls, nachdem die Beschichtung vollständig entfernt ist, die Energie für den Fügevorgang erhöht wird. Dadurch wird verhindert, dass die zur Entfernung der Beschichtung eingetragene Energie das Bauelement und das Lötmittel beeinträchtigt. Vielmehr wird erst nach der Beschichtungsentfernung die Energie auf eine zum Fugen, insbesondere zum Aufschmelzen von Lot ausreichende Leistung erhöht.
  • Das Aufbringen einer zusätzlichen Beschichtung zur Verbesserung der Adsorption der Laserleistung ist bei dieser Art der Nutzung eines Festkörperlasers nicht erforderlich.
  • Das Fügen erfolgt vorzugsweise durch Löten, wobei beispielsweise vor dem Laserlöten ein Beschichten der Lötstellen der zu verlötenden Bauelemente mit Lot erfolgen kann. Diese Beschichtung muss dann für den Fügeprozess nur noch erwärmt werden.
  • Denkbar ist allerdings auch eine Zufuhr von Lötdraht, Lötpaste oder Lotformteilen beim Lötvorgang.
  • Der Fügevorgang kann auch unter Verwendung von Klebstoff durchgeführt werden. Ein geeigneter Klebstoff ist beispielsweise Schmelzklebstoff. Die Laserleistung wird dann auf das Aufschmelzen des Klebstoffs eingestellt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass durch die variierende Laserleistung die zum Abisolieren eingetragene niedrigere Energie den Klebstoff nicht beeinträchtigt, sondern vom Isolierlack aufgenommen wird. Die vom Festkörperlaser eingebrachte Energie bzw. Pulsleistung ist dabei ausreichend gering, um eine Erwärmung des Bauteils und eine übermäßige Erwärmung des Klebstoffs zu verhindern.
  • Das Verfahren kann besonders vorteilhaft zum Fügen von auf Substraten, insbesondere Glassubstraten, angeordneten Bauelementen genutzt werden. Durch die variierende Laserleistung während des Abisolier- und Fügeprozesses an einer Fügestelle mit der daraus resultierenden Verdampfung der Beschichtung wird eine Kontamination des Substrates, insbesondere einer Glasscheibe, verhindert. Es ist daher möglich, in einem Schritt ohne mechanische Vorbehandlung der Beschichtung und Kontamination des Substrats elektronische Bauteile auf einem Substrat, wie bspw. einer Glasscheibe zu fixieren.
  • Die Erfindung wird nachfolgenden mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 – Diagramm eines beispielhaften Pulsverlaufs zur Ansteuerung eines Festkörperlasers zum Abisolieren und Löten einer Lötstelle in einem Prozessschritt.
  • 1 lässt ein Diagramm eines beispielhaften Pulsverlaufs über die Zeit eines Abisolier- und Lötprozessschritts für einen Lötpunkt erkennen. Ein solcher Lötprozess hat die Dauer von beispielsweise 12 ms. Durch eine schnelle Pulsleistungsregelung mit einem echtzeitfähigen Leistungsversorgungsteil wird eine maximale Reproduzierbarkeit des Laserpulses ermöglicht.
  • Der Festkörperlaser arbeitet in einem sogenannten „Low-Power"-Modus, bei dem der geformte Puls auf nahezu 0 Watt herunterregelbar ist. Der dargestellte beispielhafte Puls hat eine Zeitdauer von 12 ms (100% auf der Abszisse), der im ersten Drittel der Zeit den Draht entlackt, um dann mit einer Pulsspitzenleistung von 100%, (85 Watt), die nicht der maximalen Pulsspitzenleistung des Lasers entsprechen muss, das Lot zum Fließen zu bringen. Die gemessenen Pulsparameter sind hier:
    PPuls = 42,50 Watt
    Pulsenergie = 0,510 J.
  • Aus 1 ist erkennbar, dass in einem ersten Teil des Prozessschritts zum Abisolieren der Beschichtung, wie z.B. Isolierlack, der Festkörperlaserpuls geringer Amplitude von etwa 25% geformt wird, um ein Verdampfen einer Beschichtung von zu fügenden Bauelementen und/oder Drähten zu erreichen. Nach dem Verdampfen wird die auf die Beschichtung aufgebrachte Laserleistung des Festkörperlasers durch Erhöhung der Pulsamplitude auf 100% so geformt, dass ein optimaler Fügevorgang erfolgt.
  • Mit Hilfe eines für einen Prozessschritt geformten Laserpulses kann somit ein Abisolieren und Löten in einem Prozessschritt erfolgen, ohne dass der Fügeprozess durch das vorherige Abisolieren beeinträchtigt wird.
  • Das Verfahren kann nicht nur in Verbindung mit einer Lotbeschichtung oder eines während des Lötens gleichzeitig zugeführten Lötdrahtes, einer Lotpaste oder eines Lotformteils genutzt werden, sondern auch für die Befestigung mittels Klebstoffes, insbesondere Schmelzklebstoffes, mit dem Bauelemente auf einem Substrat fixiert werden. In diesem Zusammenhang ist das Verfahren optimal einsetzbar, um elektronische Bauelemente, wie beispielsweise Dioden oder SMD-LEDs auf Glassubstraten zu befestigen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte mit einem gepulsten Festkörperlaser durch Abisolieren der Beschichtung und Fügen von Fügestellen in einem Prozessschritt, gekennzeichnet durch Richten eines Laserpulses auf die Fügestelle während des Fügevorgangs, der durch Pulsformung in der Leistung variiert wird derart, dass zu Beginn des Fügevorgangs eine zur Entfernung der Beschichtung angepasste niedrigere Leistung und anschließend eine zum Fügen geeignete höhere Leistung eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fügeverfahren um einen Lötprozess handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch vorheriges Beschichten von Fügestellen der zu fügenden Bauelemente mit Lot, Lotpaste oder Lotformteilen.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch Zufuhr von Lötdraht, Lotpaste oder Lotformteilen während des Fugevorgangs.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Laserfügen von mittels Klebstoff auf einem Substrat zu befestigenden Bauelementen, wobei die Laserleistung zum Aufschmelzen des Klebstoffs eingerichtet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Laserlöten von auf Substraten, insbesondere auf Glassubstraten angeordneten Bauelementen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein elektronisches Bauelement ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch vorherige Befestigung eines Bauelementes und anschließendes Laserfügen mit einer die Befestigung nicht beeinflussenden Pulsformung.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch direkte Einkoppelung der Laserleistung in das Bauelement oder die Fügestelle.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Isolierbeschichtung, beispielsweise ein Isolierlack ist.
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