DE102007007618B3 - Method for joining coated components or wires using a laser used in the production of e.g. micro-systems comprises directing a laser pulse onto the joining site during the joining step and varying the pulse shape - Google Patents
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Abstract
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.The The invention relates to a method for laser joining coated components or wires with a pulsed solid-state laser by stripping the coating and joining joints in one process step.
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.at the contacting of microsystems, microsystem components and Electronic components are coated and uncoated as well as especially painted wires used. Here is the problem, before contacting the disturbing Remove coating. If this does not happen, leftovers remain in the joining zone, which lead to a deterioration of the connection.
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.Adrian, J .: Automated, cohesive joining of foil-insulated Flat conductor with surface contamination. Diss. University Stuttgart 2005, describes different methods for stripping wires for electrical Contacting. The usual ones Methods include the chemical or mechanical removal of Insulations or lacquer coatings. Among the simplest mechanical stripping methods that counts widespread cockroaches. The advantage of this method lies in the relatively clean surface and the low investment costs. The disadvantage is the restriction to unilateral stripping in laminated foil-insulated flat conductors. For one Double-sided stripping is a second ultrasound-assisted blade required, in which the opposite side due to strong residues the surface embossed is.
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.Either forehead and roll milling produce very pure surfaces. Due to the strong conductor damage The strength of the usually only 70 to 100 microns thick conductor in the joining area additionally degraded and leads to a restriction on the one-sided stripping.
Das Schleifen ermöglicht eine beidseitige Abisolierung und erfordert bei den erreichbaren Oberflächen, ähnlich wie das Laserabisolieren mit einem Nd:YAG-Festkörperlaser eine Nachbehandlung.The Allows grinding a two-sided stripping and requires the achievable surfaces, similar to laser stripping with an Nd: YAG solid-state laser aftertreatment.
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.The so-called window technology works completely residue-free, which means and isolation residues. The purchase of cut to length, stripped and cleaned foil-insulated flat conductors is possible, but economical establish only with a small type and variant range and high quantities meaningful. With a high type and variant spectrum forms with stripped flat conductors, due to long storage times, Surface oxidation, which has a negative effect on the contact properties.
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.The thermal stripping with process gas has not been able to prevail on the market due to the strong combustion residues in the contact area. Another thermal stripping process was implemented with the laser types CO 2 and Nd: YAG. The aim of the Nd: YAG laser to perform both stripping and joining with a laser does not allow reproducible contact properties due to the high-strength stripping. By contrast, stripping with CO 2 lasers is widespread. Here, too, residues, consisting of combustion products of the insulation and of the adhesive on the joint surface, which, with a correspondingly large joint surface, a suitable extraction of the combustion products or cleaning of the joint surface, continue to achieve sufficient current carrying capacities despite fluctuating mechanical strengths.
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.Meyer, FG: Laser brazing with special consideration of SM technology and brazing in hard to reach areas. DVS reports. Vol. 122, 1989, pages 70 to 71 describes the advantages of laser brazing with CO 2 and Nd: YAG lasers. Automation of single-point soldering not only enables cost-effective mass production, it is also a requirement for establishing a consistently high quality. Therefore, in today's modern electronics manufacturing on the automated single point soldering can not be waived.
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.The laser soldering allows an exact focusing and thus the soldering of the smallest solder joints. The particular advantages of this method are in particular the contactless Heat transfer, the exact focusing, the high power density and the high quality of the solder joints with high process reliability.
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.in the Difference to reflow soldering is the laser beam soldering a method in which the components are selectively machined. After a solder paste is applied to the contact points with a flux takes place the irradiation of the joints. By heating the solder paste due to the laser radiation, the flux is activated and at rising temperature melt the metal components of the solder paste. First after another increase the temperature by thermal heat conduction wets the solder paste both the components as well as the solder pad.
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.By using the selective Laserstrahllö At least damage to the thermally sensitive substrate is largely avoided, since the local temperature at the soldering point is much lower than the melting point of the individual components. In addition, by this method, production-related joining gaps can be compensated, which form between the connection surfaces and the substrate.
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.One The main advantage of laser beam soldering is the low heat affected zone in the solder joint. Due to the contactless Processing is eliminated Furthermore the need for an elaborate one Tensioner. Increase this the flexibility and the automation potential of the process. Furthermore No high investment costs are necessary as the irradiation the joining zone takes place in the ambient air without protective gas supply.
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.Hornev, P., Treusch, H.-G .; Beyer, E .; Herziger, G .; Knödler, D .; Möller, W .: Temperature controlled Laser micro soldering. DVS reports, Volume 129, 1990, pp. 62 to 65, describes a temperature-controlled Laser micro soldering with Nd: YAG lasers in cw mode. It should be noted that due to the inhomogeneous behavior of solder paste a temperature control is recommended. With help the temperature control can Fluctuations in solder joint preparation be compensated within limits.
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.Allavi, M .: laser soldering in the fine and microtechnical field. Yearbook of the German society for chronometry, Vol. 39, 1998, pp. 155-158 a laser soldering in the fine and microtechnical field. With a pulsed Nd: YAG laser were at a pulse energy in the range of 0.7 to 7 Ws and a pulse duration from 2.5 to 14 ms soldering tests with SMD components, Cu fine wires and contact bushings performed. The solder joints were each made with a laser pulse. By variation of the beam parameters (Pulse energy, beam diameter) was found to be with relative highly focused laser beam and low pulse energies optimal Results can be achieved.
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.Nicolics, J .: Use of a laser for ultrafine wire soldering. DVS Reports, Volume 129, 1990, pp. 190 to 193, describes the use of a laser for ultrafine wire soldering. In a laser reflow soldering process under Protective atmosphere a copper enameled wire is soldered with pre-tinned terminal lugs. When soldering is the paint melted and partially floats on the soldering tin and remains partially in the soldering zone. While the laser soldering process the laser beam is over the connection lug moves. At the constant laser power This results in one of the forward speed and the intensity distribution in the focal spot more dependent time course of the solder joint acting laser power.
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.outgoing It is an object of the present invention to provide an improved Method for laser joining coated devices or wires with a pulsed solid state laser in which the coating is removed in one process step and the exposed Fugestelle is joined. It should in particular the impairment the Fugestelle be prevented by coating residues.
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.The The object is achieved by the method having the features of claim 1 solved by the invention Directing a laser pulse on the Fugestelle during the joining process, by pulse shaping in the performance is varied such that at the beginning of the joining process a lower power adapted to remove the coating and subsequently one for joining suitable higher Power is set.
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.The Stripping and joining thus takes place in one process step and succeeds in that The laser power is not kept constant as before, but while the irradiation of a to be joined Point varies so that on the Fugestelle first to evaporate the Coating sufficient energy is introduced and immediately afterwards in the same laser pulse after the coating is completely removed is the energy for the joining process elevated becomes. This will prevent the removal of the coating enlisted energy affects the device and the solder. Rather, the energy is only after the coating removal sufficient for a joint, in particular for melting solder Performance increased.
Das Aufbringen einer zusätzlichen Beschichtung zur Verbesserung der Adsorption der Laserleistung ist bei dieser Art der Nutzung eines Festkörperlasers nicht erforderlich.The Applying an additional Coating for improving the adsorption of the laser power is not required in this type of use of a solid state laser.
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.The Joining occurs preferably by soldering, wherein, for example, before the laser soldering, a coating of the solder joints the one to be soldered Components can be done with solder. This coating must then for the joining process only to be heated.
Denkbar ist allerdings auch eine Zufuhr von Lötdraht, Lötpaste oder Lotformteilen beim Lötvorgang.Conceivable However, is also a supply of solder wire, solder paste or Lotformteilen when Soldering process.
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.The joining process can also be carried out using adhesive. A suitable adhesive is, for example, hot melt adhesive. The laser power is then on the melting set the adhesive. It has been found that by the varying laser power registered for stripping lower energy does not affect the adhesive, but is absorbed by the insulating varnish. The energy introduced by the solid-state laser or pulse power is sufficiently low to prevent heating of the component and excessive heating of the adhesive.
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.The Method can be particularly advantageous for joining on substrates, in particular Glass substrates, arranged components can be used. By the varying laser power during the stripping and joining process at a joint with the resulting evaporation of the coating becomes a contamination of the substrate, in particular a glass pane, prevented. It is therefore possible in one step without mechanical pretreatment of the coating and contamination of the substrate electronic components on one To fix substrate, such as a glass pane.
Die Erfindung wird nachfolgenden mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:The Invention will be explained in more detail below with the accompanying drawings. It shows:
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.The solid-state laser operates in a so-called "low-power" mode in which the shaped pulse can be controlled down to nearly 0 W. The exemplary pulse shown has a duration of 12 ms (100% on the abscissa), the first third of the time stripped the wire to then make the solder flow with a pulse peak power of 100%, (85 watts), which does not have to correspond to the maximum pulse peak power of the laser.
P pulse = 42.50 watts
Pulse energy = 0.510 J.
Aus
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.With Help one for a process step shaped laser pulse can thus stripping and soldering take place in one process step, without the joining process is affected by the previous stripping.
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.The Method can not only be used in conjunction with a solder coating or one during of soldering fed simultaneously solder wire, a solder paste or a solder preform, but also for the Attachment by means of adhesive, in particular hotmelt adhesive, be fixed with the components on a substrate. In this In context, the method is optimally applicable to electronic Devices such as diodes or SMD LEDs on glass substrates to fix.
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