DE102008002910A1 - Method and device for connecting components by means of laser radiation - Google Patents

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Günter Neumann
Lars-Sören Ott
Matthias Miessen
Ansgar SCHÄFER
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten von insbesondere metallischen Bauteilen mittels Laserstrahlung (16), wobei die zu verbindenden Bauteile durch von der Laserstrahlung erzeugte Wärmeenergie verbunden werden. Um bei hoher Automatisierbarkeit und kurzen Prozesszeiten die Qualität der Lötverbindungen zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Wärmeenergie des Laserstrahls auf zumindest einen Bereich der zu verbindenden Bauteile indirekt eingebracht wird.The invention relates to a method and a device for soldering in particular metallic components by means of laser radiation (16), wherein the components to be connected are connected by heat energy generated by the laser radiation. In order to improve the quality of the solder joints with high automatability and short process times, it is proposed that the thermal energy of the laser beam is indirectly introduced to at least one area of the components to be connected.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden wie Löten von Bauteilen wie metallischen Leitern mittels Laserstrahlung, wobei die zu verbindenden Bauteile ggfs. unter Zufuhr von Lot und/oder Flussmittel durch von der Laserstrahlung erzeugte Wärmeenergie verbunden werden, sowie auf eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen mittels Laserstrahlung, umfassend eine die Laserstrahlung auf die zu verbindenden Bauteile richtende Führungseinrichtung.The This invention relates to a method and apparatus for Connect as soldering components such as metallic conductors by means of laser radiation, wherein the components to be connected if necessary. Under Supply of solder and / or flux by the laser radiation generated heat energy are connected, as well as on a Device for connecting components by means of laser radiation, comprising a laser radiation on the components to be connected directing management facility.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der DE-A-32 47 338 offenbart. Dabei werden zum Laserlöten belotete Anschlüsse von flexiblen, auf einer lichtdurchlässigen Trägerfolie angeordnete Verdrahtungen, die an den Kontaktstellen mit einem Flussmittel versehen sind, die zu verbindenden Teile durch einen Niederhalter aus lichtdurchlässigem Material zusammengehalten. Die Wärmezuführung für den Lotvorgang erfolgt berührungslos durch einen Laserstrahl. Beim Auftreffen des Laserstrahls schmilzt das Lot der beiden Leiterbahnen und erstarrt beim Stoppen der Wärmezufuhr zu einer festen Lötverbindung.A method and a device of the type mentioned is, for example, in the DE-A-32 47 338 disclosed. In this case, soldered for soldering terminals of flexible, arranged on a translucent carrier film wiring, which are provided at the contact points with a flux, the parts to be connected held together by a hold-down of translucent material. The heat supply for the soldering process is done without contact by a laser beam. Upon impact of the laser beam, the solder melts the two tracks and solidifies when stopping the heat supply to a fixed solder joint.

Aus der DE-B-10 2004 018 280 sind ein Verfahren sowie eine Düse zur Bearbeitung oder Analyse eines Werkstücks oder einer Probe mit einem energetischen Strahl bekannt. Dabei wird der energetische Strahl auf eine zu bearbeitende Stelle gerichtet und in der Umgebung der zu bearbeitenden Stelle mit zumindest einer Düse eine gerichtete Strömung eines aus der Düse austretenden Hilfsmediums erzeugt. Auch bei diesem Verfahren werden die zu fügenden Bauteile unmittelbar mit dem Laserstrahl beaufschlagt.From the DE-B-10 2004 018 280 For example, a method and nozzle for processing or analyzing a workpiece or sample with an energetic beam are known. In this case, the energy beam is directed to a point to be processed and generated in the vicinity of the point to be processed with at least one nozzle a directed flow of an emerging from the nozzle auxiliary medium. Also in this method, the components to be joined are applied directly to the laser beam.

In der DE-C-198 02 305 ist ein Laserkopf zum Fügen von vorzugsweise dreidimensionalen metallischen Bauteilen beschrieben, wobei zu verschweißende Werkstoffe zusammen mit einem Schweißzusatzdraht durch unmittelbare Einwirkung des Laserstrahls verschmolzen werden.In the DE-C-198 02 305 a laser head for joining preferably three-dimensional metallic components is described, wherein to be welded materials are fused together with a filler wire by direct action of the laser beam.

Das Laserlöten ist ein etabliertes Verfahren zum Erzeugen von Lötverbindungen. Besonders beim konventionellen Löten von elektronischen Bauteilen mit Zufuhr von Zusatzlot und unter Verwendung von Flussmittel ist das temperaturgeführte Laserlöten ein sehr gut verstandener und beherrschter Prozess. In Kombination mit speziellen Strahlformungsoptiken und Temperatursensoren, die die aktuelle Temperatur am Prozesspunkt messen und die Leistung der Laserquelle entsprechend nachregeln, gibt es verschiedene bekannte Verfahren und Vorrichtungen, die mehr oder minder gut in der Lage sind, qualitativ hochwertige Lötverbindungen zu erzeugen, wie dies beispielsweise auch in der US-A-2005/109746 beschrieben ist.Laser soldering is an established method for producing solder joints. Especially in the conventional soldering of electronic components with the supply of additional solder and using flux, the temperature-controlled laser soldering is a very well-understood and controlled process. In combination with special beam shaping optics and temperature sensors that measure the current temperature at the process point and readjust the power of the laser source accordingly, there are several known methods and devices that are more or less capable of producing high quality solder joints, such as for example also in the US A-2005/109746 is described.

Die besondere Eignung dieser Verfahren liegt in der guten Automatisierbarkeit – im Vergleich zu manuellen Lötverfahren mit Lötkolben – sowie der sehr geringen und gezielten Wärmeeinbringung. Dies vermeidet Bauteildefekte und verhindert zudem ein eventuelles Aufschmelzen und Lösen bereits bestehender Lötverbindungen. Ein weiterer Vorteil des Laserlötens liegt auch in den sehr kurzen Prozesszeiten, die je nach Anwendung im Bereich von wenigen ms liegen können. Die im Allgemeinen notwendige und angewandte Prozessregelung mittels eines Temperatursensors wie Pyrometer bietet gleichzeitig auch die Möglichkeit einer Qualitätskontrolle, da sich charakteristische Temperatur-Zeitverläufe für gute und schlechte Lötverbindungen ermitteln lassen.The particular suitability of these methods lies in the good automation - Comparison to manual soldering with soldering iron - as well the very low and targeted heat input. This avoids component defects and also prevents a possible melting and loosen already existing solder joints. Another advantage of laser soldering lies in the very short process times, depending on the application in the range of can be a few ms. The generally necessary and applied process control by means of a temperature sensor such as pyrometers also offers the possibility of quality control, because characteristic temperature-time courses for determine good and bad solder joints.

Bei den bisher bekannten Verfahren wird das Lot bzw. die Fügezone direkt mit Laserstrahlung beaufschlagt. Bedingt durch die unterschiedlichen Oxidationszustände verzinnter oder unverzinnter Verbindungsdrähte oder -bändchen, führt die für das Weichlöten notwendige niedrige Prozesstemperatur und die daraus wegen der hohen Prozessgeschwindigkeit notwendige Anwendung eines Einfarben-Pyrometers zu großen Variationen in Bezug sowohl auf Absorption der Laserstrahlung als auch auf den Emissionsgrad der zu messenden Temperaturstrahlung. Dies birgt die Gefahr, dass ungeachtet geregelter Laserleistung das Lot verdampft und in der Folge die Verbindungsdrähte und/oder -bändchen beschädigt werden.at The previously known method is the solder or the joining zone directly exposed to laser radiation. Due to the different Oxidation states of tinned or untinned connecting wires or ribbon, which leads to the soft soldering necessary low process temperature and that because of the high Process speed necessary application of a monochrome pyrometer to great variations in terms of both absorption of Laser radiation and the emissivity of the measured temperature radiation. This entails the danger that regardless of regulated laser power the solder evaporates and subsequently the connecting wires and / or ribbon.

Beim Aufbau von Solarzellen werden einzelne Solarzellen zu Strängen oder Strings verbunden und diese wiederum zu einer Matrix gefügt. Zum Schutz vor Umwelt- und Witterungseinflüssen werden die derart zusammengeschalteten Module in einer Folie eingeschweißt und auf der photovoltaisch aktiven Seite mit einer Glasscheibe bedeckt. Der Fertigungsablauf erfolgt dabei im Wesentlichen wie folgt:
Zunächst werden einzelne Solarzellen zu Strings verschaltet. Dazu werden Leiterbändchen wie verzinnte Kupferbändchen an die einzelnen Zellen angelötet und mit den folgenden Zellen kontaktiert. In einem dazu parallelen Schritt wird ein Glasträger mit einer Ethylenvinylacetat(EVA)-Folie belegt. Diese Folie hat nicht nur eine hohe Wärme-, sondern auch eine sehr gute Alterungsbeständigkeit. Auf der Folie werden Querverbinder, ebenfalls verzinnte Kupferbändchen, vorpositioniert. Mehrere der durch Leiterbahnen (Lötbändchen) verbundenen Solarzellen-Strings werden auf der EVA-Folie und auf den Querverbindern zu einer Matrix angeordnet. Im nächsten Arbeitsschritt werden die einzelnen Strings an den Kontaktstellen der Querverbinder mit den String-Verbindern durch einen Weichlötprozess miteinander und mit externen Modulanschlüssen verbunden. Anschließend werden die verschalteten Solarzellen mit einer weiteren EVA-Folie und einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie wie z. B. Polyvinylfluorid oder Polyester überzogen. Im nächsten Fertigungsschritt wird das derart aufgeschichtete Modul bei Unterdruck und Temperaturen von ca. 150°C laminiert. Aus der vormals milchigen EVA-Folie bildet sich hierbei eine klare, dreidimensional vernetzte und nicht mehr aufschmelzbare Kunststoffschicht. Sowohl die Glasscheibe als auch die Rückwandfolie sind fest mit dem eingebetteten Modul verbunden.In the construction of solar cells, individual solar cells are connected to strands or strings and these in turn joined into a matrix. To protect against environmental and weather influences, the modules connected in this way are welded in a foil and covered on the photovoltaically active side with a glass pane. The production process is essentially as follows:
First, individual solar cells are connected to strings. For this purpose, conductor strips such as tinned copper strips are soldered to the individual cells and contacted with the following cells. In a parallel step, a glass substrate is coated with an ethylene vinyl acetate (EVA) film. This film not only has a high heat resistance, but also a very good aging resistance. Cross-connectors, also tinned copper strips, are pre-positioned on the foil. Several of the solar cell strings connected by traces (solder ribbons) are arrayed on the EVA film and on the cross connectors. In the next step, the individual strings at the contact points of the cross connectors are connected to the string connectors by a soldering process with each other and with external module connections. Subsequently, the interconnected solar cells with another EVA film and a weather-resistant plastic composite film such. As polyvinyl fluoride or polyester coated. In the next production step, the thus piled module is laminated at a vacuum and temperatures of about 150 ° C. The formerly milky EVA film forms a clear, three-dimensionally interlinked plastic layer that can no longer be melted down. Both the glass pane and the back wall film are firmly connected to the embedded module.

Für das Verlöten der Querverbinder mit dem Verbinder der einzelnen Solarzellen-Strings kann ein Laserlötverfahren eingesetzt werden. Dieses bietet insbesondere aufgrund der guten Überwachbarkeit und Kontrollierbarkeit Vorteile gegenüber konventionellen Methoden.For soldering the cross connectors to the connector of the individual Solar cell strings can be a laser soldering used become. This offers in particular due to the good monitorability and Controllability advantages over conventional methods.

In Applikationen, wie der oben beschriebenen mit flächig übereinander liegenden Fügepartnern ist zudem die Prozessqualität vom gleichmäßigen Wärmeübergang vom mit der Laserstrahlung beaufschlagten Element auf das nur teilweise direkt oder sogar gänzlich nur durch die Wärmeleitung passiv erwärmte Element in hohem Maße abhängig. Ein gleichmäßiger Wärmeübergang erfordert im Allgemeinen einen Andruck, der wegen der Zugänglichkeit für den Laserstrahl nicht vollflächig möglich ist. Dadurch ergeben sich u. U. Schwankungen im Andruck über die Fläche und somit auch im Lötergebnis. Des Weiteren sollte der Andruck über eine geringe Fläche erfolgen, um einen übermäßigen Wärmeverlust über die Andruckvorrichtung zu vermeiden.In Applications such as those described above with flat over each other lying joining partners is also the process quality the uniform heat transfer from the acted upon by the laser radiation element on the only partially directly or even entirely only by the heat conduction passively heated element highly dependent. A uniform heat transfer generally requires a proof, because of the accessibility for the laser beam is not possible over the entire surface. This results u. U. fluctuations in pressure over the area and thus also in the soldering result. Furthermore should the pressure be applied over a small area, to prevent excessive heat loss over the To avoid pressure device.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei hoher Automatisierbarkeit und kurzen Prozesszeiten die Qualität der Verbindungen wie Lötverbindungen verbessert wird.Of the The present invention is based on the object, a method and to further develop a device of the type mentioned at the outset, that with high automatability and short process times the Improved quality of connections such as solder joints becomes.

Die Aufgabe wird verfahrensmäßig im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Wärmeenergie des Laserstrahls indirekt auf zumindest einen Bereich der zu verbindenden Bauteile eingebracht wird. Hierbei wird der aus dem Stand der Technik direkte Energieeintrag in die Fügestelle bzw. in ein Bauteil bzw. einen Fügepartner durch einen indirekten Energieeintrag ersetzt. Bevorzugterweise wird in dem gesamten Bereich, in dem die Bauteile verbunden werden sollen, die Wärmeenergie des Laserstrahls indirekt eingebracht.The Task is procedurally essentially thereby solved that the heat energy of the laser beam indirectly to at least a portion of the components to be joined is introduced. This is the direct energy input from the prior art in the joint or in a component or a joining partner replaced by an indirect energy input. preferably, will be in the entire area in which the components are connected should, introduced the heat energy of the laser beam indirectly.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass räumlich neben dem überlappenden Bereich der Bauteile, in den die Wärmeenergie indirekt eingebracht wird, eine direkte Beaufschlagung mit dem Laserstrahl erfolgt, ohne dass die Erfindung verlassen wird.It However, there is also the possibility that spatially next to the overlapping area of the components into which the Heat energy is introduced indirectly, a direct admission With the laser beam takes place without the invention being abandoned.

Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise wird die Wärmeenergie des Laserstrahls mittels mindestens eines Übertragungselementes in die Fügestelle bzw. zumindest einen Fügepartner eingebracht, wobei das Übertragungselement vorzugsweise direkt mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Erwärmung des Übertragungselementes indirekt durch die Laserstrahlung erfolgt.According to one preferred method is the heat energy of the laser beam by means of at least one transmission element in the joint or at least introduced a joining partner, wherein the transmission element preferably is applied directly to the laser radiation. It However, there is also the possibility that the warming of the transmission element indirectly by the laser radiation he follows.

In einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass auf die Fügepartner während des Energieeintrags mittels mindestens eines Übertragungselementes eine Andruckkraft aufgebracht wird. Dadurch ist ein gleichmäßiger Wärmeübergang gewährleistet, so dass Schwankungen im Andruck über die Fläche und somit im Lötergebnis weitgehend ausgeschlossen werden. Durch das Übertragungselement kann der Andruck über eine geringe Fläche erfolgen, so dass ein übermäßiger Wärmeverlust, wie er von Andruckvorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt ist, vermieden wird.In Another preferred procedure provides that on the joining partners during the energy input by means of at least one transmission element a pressing force is applied. This is a smoother Heat transfer ensures, so that Fluctuations in pressure over the surface and thus be largely excluded in the soldering result. By the transmission element can over pressure a small area, so that excessive heat loss, as known from prior art pressure devices is, is avoided.

Vorzugsweise wird die von dem Übertragungselement abgestrahlte Wärmestrahlung von einem Pyrometer erfasst.Preferably becomes the radiated heat from the transmission element captured by a pyrometer.

Verformungen von Werkstoffen, beispielsweise in Form von Kupferbändchen können kompensiert werden, indem weiche Kupferbändchen durch erhöhten Anpressdruck vor Lötbeginn verformt werden.deformations of materials, for example in the form of copper tapes can be compensated by soft copper bands deformed by increased contact pressure before soldering become.

Auch besteht die Möglichkeit, dass das Übertragungselement vorgewärmt wird, wodurch der Vorteil erreicht wird, dass die Prozesszeit weiter gesenkt werden kann. Zusätzlich kann auch die Lebensdauer der Laserstrahlquelle durch die für die Vorwärmung notwendige Grundlast verlängert werden.Also there is a possibility that the transmission element is preheated, whereby the advantage is achieved that the process time can be further reduced. additionally can also reduce the life of the laser beam source for the preheating necessary base load extended become.

Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass die von dem Übertragungselement bzw. einer Fügestelle abgestrahlte Wärmestrahlung über z. B. einen dichroitischen Spiegel aus dem Strahlengang des Lasers ausgekoppelt und von einem Temperatursensor wie Pyrometer erfasst wird.Of Furthermore, the invention provides that of the transmission element or a joint radiated heat radiation over z. B. a dichroic mirror from the beam path of the laser decoupled and detected by a temperature sensor such as a pyrometer becomes.

Unabhängig hiervon kann der Laserstrahl durch optische Elemente in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden.Independently From this, the laser beam can pass through optical elements into several Partial beams are split.

Das Übertragungselement selbst kann eine Beschichtung aufweisen, die die Absorption der Laserstrahlung erhöht. Dabei besteht die Möglichkeit, dass das Übertragungselement die Wärmeenergie des Laserstrahls mehr als 60%, insbesondere mehr als 90%, vorzugsweise mehr als 99,9% absorbiert.The transmission element itself may have a coating which is the absorption of the Laser radiation increases. There is the possibility that the transmission element, the heat energy of the laser beam more than 60%, in particular more than 90%, preferably more than 99.9% absorbed.

Auch kann das Übertragungselement über eine oder mehrere Strahlformungselemente mit Laserstrahlung beaufschlagt werden.Also, the transmission element via one or more beam-shaping elements with La be subjected to radiation.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird vorrichtungsmäßig im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Führungseinrichtung mindestens ein von dem Laserstrahl erwärmbares Übertragungselement aufweist, über das die Wärmeenergie des Laserstrahls auf die zu verbindenden Bauteile übertragbar ist.The The object underlying the invention is device-wise essentially solved by the fact that the guide device at least one heatable by the laser beam transmission element has, over which the heat energy of the laser beam is transferable to the components to be connected.

Erfindungsgemäß wird die Wärmeenergie des Laserstrahls indirekt auf zumindest ein zu verbindendes Bauteil eingebracht.According to the invention the heat energy of the laser beam indirectly on at least introduced a component to be connected.

Das Übertragungselement bietet nach einmaligem Erwärmen ein nahezu konstantes Absorptionsverhalten für die Laserstrahlung und einen nahezu konstanten Emissionskoeffizienten für die z. B. von einem Pyrometer zu messende Wärmestrahlung. Damit wird die Stabilität der Prozessregelung und Qualitätsauswertung verbessert. Das Lot dagegen weist, abhängig von seinem Oxidationszustand und Verschmutzungsgrad an der Oberfläche, unterschiedliche Absorptions- und Emissionsgrade auf, die sich beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand nochmals ändern. Zusätzlich werden schädliche Rückreflexe von der Oberfläche zurück zum Laser, wie sie beim direkten Laserloten möglich sind, minimiert.The transmission element offers a nearly constant absorption behavior after a single warming for the laser radiation and a nearly constant emission coefficient for the z. B. to be measured by a pyrometer heat radiation. Thus, the stability of the process control and quality evaluation improved. The Lot, on the other hand, depends on his Oxidation state and degree of contamination on the surface, different absorption and emission levels that occur during the transition Change again from the solid to the liquid state. In addition, harmful back reflexes from the surface back to the laser as they are direct laser solders are possible, minimized.

Vorzugsweise ist das Übertragungselement als Andruckvorrichtung ausgebildet. Das Übertragungselement ersetzt dabei die aus dem Stand der Technik bekannte offene Andruckvorrichtung in Form einer Laserdüse durch eine in Laserstrahlrichtung zumindest wahlweise geschlossene Form in Form eines Düsenverschlusses.Preferably the transmission element is designed as a pressure device. The transmission element replaces the standstill known in the art open pressure device in the form of a laser nozzle by a closed at least optionally in the laser beam direction Mold in the form of a nozzle closure.

Vorzugsweise ist das Übertragungselement plattförmig oder stegförmig ausgebildet und ist z. B. eine Platte oder ein Blech mit einer Dicke im Bereich von 0,05 mm ≤ d ≤ 0,5 mm, vorzugsweise d ≈ 0,1 mm ausgebildet. Die Platte oder das Blech wird durch die Laserstrahlung erwärmt und drückt die Fügepartner aufeinander. Dabei dient die Platte gleichzeitig dem vollflächigem Andruck. Somit kann ein gleichmäßiger Andruck eingestellt werden, wodurch die Lötqualität insbesondere im Randbereich der Lötung verbessert wird.Preferably the transmission element is plate-shaped or bar-shaped trained and is z. As a plate or a sheet with a thickness in the range of 0.05 mm ≤ d ≤ 0.5 mm, preferably d ≈ 0.1 mm formed. The plate or the sheet becomes heated by the laser radiation and pushes the Joining partners to each other. The plate serves at the same time the full-surface proof. Thus, a uniform pressure can be adjusted, reducing the soldering quality in particular is improved in the edge region of the soldering.

Insbesondere können weiche Kupferbändchen durch erhöhten Anpressdruck vor Lötbeginn geformt werden, d. h., Verformungen des Bändchens können kompensiert werden. Für das Lötverfahren selbst hat sich ein geringer Andruck als günstiger erwiesen.Especially Soft copper bands can be elevated by Contact pressure to be formed before soldering, d. h., deformations of the ribbon can be compensated. For The soldering process itself has a lower pressure than proved more favorable.

Zudem ermöglicht die plattenförmige Geometrie eine gleichmäßigere Wärmeverteilung auf den angedrückten Fügepartner, auch ohne aufwendige Strahlformung. Verbessern lässt sich die Wärmeverteilung zusätzlich dadurch, dass das Übertragungselement eine Wölbung zum Laserstrahl hin aufweist. Damit lässt sich das Risiko einer lokalen Überhitzung des Lotes minimieren.moreover allows the plate-shaped geometry a more even Heat distribution on the pressed joint partner, even without complex beam shaping. Can be improved the heat distribution additionally characterized in that the transmission element has a curvature towards the laser beam out. Leave it minimize the risk of local overheating of the solder.

Insgesamt werden eine hohe Prozessgeschwindigkeit und eine sehr gute Regelbarkeit aufgrund der geringen Dicke und guten Wärmeleitfähigkeit des Übertragungselementes und damit geringer zusätzlicher Trägheit erreicht.All in all be a high process speed and a very good controllability due to the small thickness and good thermal conductivity the transmission element and thus less additional Inertia achieved.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Laserstrahlvorrichtung ist diese frontseitig vollständig verschlossen, d. h., als vollständiger Verschluss der Düse ausgebildet. Dadurch lässt sich der darüber liegende Optikteil optimal vor Prozessdämpfen und -staub schützen.In a particularly preferred embodiment of the laser beam device this front is completely closed, d. H., formed as a complete closure of the nozzle. This allows the overlying optical part optimally protect against process vapors and dust.

Über das Übertragungselement werden die Fügepartner indirekt, aber wegen der geringen Dicke des Übertragungselementes dennoch sehr schnell erwärmt.about the transmission element becomes the joining partner indirectly, but because of the small thickness of the transmission element still warmed up very quickly.

Vorzugsweise besteht das Übertragungselement aus Wolfram oder Titan. Beide Metalle haben hohe Verschleißfestigkeit, hohe Festigkeit und bieten insbesondere keine Anhaftung des weichen Lotes.Preferably If the transmission element consists of tungsten or titanium. Both metals have high wear resistance, high strength and in particular do not provide adhesion of the soft solder.

Unabhängig hiervon kann das Übertragungselement einen der Lötgeometrie angepasste Form aufweisen.Independently From this, the transmission element can be one of the soldering geometry have adapted shape.

Ferner soll das Übertragungselement aus einem Material bestehen, das eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 1 W/(m·K) aufweist.Further if the transmission element is made of a material, the thermal conductivity of at least 1 W / (m · K) having.

Bevorzugterweise sollte das Übertragungselement des Weiteren eine lotabweisende Oberfläche aufweisen.preferably, Furthermore, the transmission element should be a solder-repellent Have surface.

Um energetisch günstig zu arbeiten, sieht die Erfindung des Weiteren vor, dass das Übertragungselement besondere in seinem von der Laserstrahlung beaufschlagten Bereich bzw. in dem Kontaktbereich zur Fügestelle eine eine Laserstrahlung gut absorbierende Beschichtung versehen ist.Around To work energetically favorably, sees the invention of the Furthermore, that the transmission element special in his acted upon by the laser radiation area or in the Contact area to the joint a laser radiation Well absorbing coating is provided.

Unabhängig hiervon sollte das Übertragungselement die Wärmeenergie des Laserstrahls zu mehr als 1%, vorzugsweise zu mehr als 60%, besonders vorzugsweise mehr als 90%, insbesondere mehr als 99,9% absorbieren.Independently of these, the transfer element should be the heat energy of the laser beam to more than 1%, preferably to more than 60%, especially preferably more than 90%, in particular more than 99.9% absorb.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass der gesamte Strahlengang des Laserstrahls bis zum Übertragungselement einschließlich eines eventuellen zur Wärmemessung benutzten Strahlengangs geschlossen ist.A Further development of the invention further provides that the entire beam path of the laser beam to the transmission element including a possibly used for heat measurement beam path closed is.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.Further Details, advantages and features of the invention do not arise only from the claims, the features to be taken from them - for themselves and / or in combination - but also from the following Description of the drawing to be taken preferred embodiments.

Es zeigen:It demonstrate:

1 einen Schnitt durch eine Laserstrahleinrichtung in Form einer Laserlotdüse in offener Form, 1 a section through a laser beam device in the form of a Laserlotdüse in open form,

2 eine perspektivische Ansicht der Laserstrahleinrichtung nach 1 im Betrieb, 2 a perspective view of the laser beam device according to 1 operational,

3 eine Seitenansicht der Laserstrahleinrichtung der 2, 3 a side view of the laser beam device of 2 .

4 eine perspektivische Ansicht einer Laserstrahleinrichtung in Form einer Laserlötdüse in geschlossener Form und 4 a perspective view of a laser beam device in the form of a Laserlötdüse in closed form and

5 eine Seitenansicht der Laserstrahleinrichtung gemäß 4. 5 a side view of the laser beam device according to 4 ,

Die 1 zeigt eine Laserlötdüse 10 umfassend einen Düsenkörper 12 mit einem Kanal 14, entlang dessen Längsachse ein Laserstrahl 16 verläuft. Der Düsenkörper 12 weist im Ausführungsbeispiel einen flanschartigen Anschlussbereich 18 auf, der z. B. an einen Hohlkonus 100 mit einer Bearbeitungsoptik befestigbar ist. Auf den flanschartigen Anschlussbereich 18 folgt ein zylinderförmiger Abschnitt 20, welcher in einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 22 übergeht, der seinerseits eine Düsenspitze bildet. Die Düsenspitze begrenzt seitliche Öffnungen 24, die in den Kanal 14 übergehen.The 1 shows a laser soldering nozzle 10 comprising a nozzle body 12 with a channel 14 , along the longitudinal axis of a laser beam 16 runs. The nozzle body 12 has in the embodiment a flange-like connection area 18 on, the z. B. to a hollow cone 100 can be fastened with a processing optics. On the flange connection area 18 follows a cylindrical section 20 which is in a frustoconical section 22 passes, which in turn forms a nozzle tip. The nozzle tip limits lateral openings 24 in the canal 14 pass.

Der Düsenkörper 12 weist achsseitig ein Übertragungselement 26 auf, welches im Verlauf des Laserstrahls 16 angeordnet ist und mit dem Wärmeenergie des Laserstrahls 16 an zu verbindende Bauteile übertragbar ist. Das Übertragungselement 26 erstreckt sich diagonal in der Düsenöffnung 24 und ist beispielhaft plattenförmig ausgebildet, vorzugsweise von rechteckförmiger Grundfläche, welche sich in einer Ebene erstreckt, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Kanals 14 verläuft und in einem Abstand von der durch die Öffnung 24 gebildeten Ebene angeordnet ist. Das Übertragungselement 26 ist über Stege 28, 30 mit dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 24 verbunden.The nozzle body 12 has a transmission element on the axle side 26 on, which in the course of the laser beam 16 is arranged and with the heat energy of the laser beam 16 can be transferred to components to be connected. The transmission element 26 extends diagonally in the nozzle opening 24 and is exemplified plate-shaped, preferably of rectangular base surface, which extends in a plane which is perpendicular or substantially perpendicular to the longitudinal axis of the channel 14 runs and at a distance from through the opening 24 arranged level is arranged. The transmission element 26 is over jetties 28 . 30 with the frusto-conical section 24 connected.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das im Ausführungsbeispiel der 1–3 stegartig ausgebildete Übertragungselement 26 eine Geometrie aufweist, die der Fläche einer herzustellenden Lötverbindung entspricht.In particular, it is provided that in the embodiment of the 1 - 3 web-like transmission element 26 has a geometry that corresponds to the surface of a solder joint to be produced.

Der Hohlkonus 102 ist seinerseits mit einer Laservorrichtung verbunden.The hollow cone 102 is in turn connected to a laser device.

Die 2 und 3 verdeutlichen, dass der Düsenkörper 12 mit seinem Übertragungselement 26 auf den Überlappungs- oder Kreuzungsbereich 32 von Leiterbahnen 34, 36 aufgesetzt ist, die miteinander stoffschlüssig verbunden werden sollen. Bei den Leiterbahnen 34, 36 kann es sich z. B. um verzinnte Kupferbändchen handelt, die als Verbinder für Solarzellen zum Einsatz gelangen. Mit anderen Worten können die Leiter 34, 36 an Solarzellen angeschlossen sein.The 2 and 3 make it clear that the nozzle body 12 with its transmission element 26 on the overlapping or crossing area 32 of tracks 34 . 36 is attached, which are to be connected cohesively. At the tracks 34 . 36 can it be z. B. is tinned copper strips, which are used as connectors for solar cells used. In other words, the ladder 34 . 36 be connected to solar cells.

Man erkennt, dass das Übertragungselement 26 die Fügestelle überdeckt, also den Überlappungsbereich 32 zwischen den Leiterbahnen 34, 36.It can be seen that the transmission element 26 the joint covers, ie the overlap area 32 between the tracks 34 . 36 ,

Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt ein indirektes Laserlöten. Hierbei wird der direkte Eintrag in die Fügestelle 32 und somit in die Leiter 34, 36 durch eine Wärmeübertragung durch das Übertragungselement 26 ersetzt, welches grundsätzlich direkt mit der Laserstrahlung 14 beaufschlagt wird. Der Düsenkörper 12 und somit das Übertragungselement 26 bilden gleichzeitig eine Andruckvorrichtung, mittels der der Leiter 34 auf den unter diesem sich erstreckenden Leiter 36 im gewünschten Umfang angedrückt wird.According to the teaching of the invention, an indirect laser soldering takes place. This is the direct entry into the joint 32 and thus in the ladder 34 . 36 by a heat transfer through the transfer element 26 replaced, which in principle directly with the laser radiation 14 is charged. The nozzle body 12 and thus the transmission element 26 at the same time form a pressure device, by means of which the conductor 34 on the below this extending conductor 36 is pressed to the desired extent.

Durch die offene Ausbildung der Spitze besteht die Möglichkeit, dass Laserstrahlung unmittelbar auf die von dem Übertragungselement 26 nicht abgedeckten Bereiche auf die Leiter 34, 36 oder sonstige stoffschlüssig zu verbindender Bauteile fällt. Dies kann gegebenenfalls zu einer Verbesserung der Verbindung führen.Due to the open formation of the tip there is the possibility that laser radiation directly on that of the transmission element 26 uncovered areas on the ladder 34 . 36 or other cohesively to be connected components falls. This may possibly lead to an improvement of the connection.

Allerdings ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Düsenspitze eine Öffnung aufweist, wie dies anhand der 5 ersichtlich wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist ein Dü senkörper 104, der eine Geometrie wie der Düsenkörper 12 aufweisen kann, eine Düsenspitze 106 auf, die geschlossen ist.However, it is not mandatory that the nozzle tip has an opening, as indicated by the 5 becomes apparent. In this embodiment, a Dü senkörper 104 that has a geometry like the nozzle body 12 may have a nozzle tip 106 on, which is closed.

Aus den 4 und 5 ergibt sich des Weiteren, dass in dem sich an den Düsenkörper 104 anschließenden Konus 108 eine den Laserstrahl beeinflussende Optik angeordnet sein kann.From the 4 and 5 also results in that in which the nozzle body 104 subsequent cone 108 a laser beam influencing optics can be arranged.

Das Übertragungselement des Düsenkörpers 106 kann eine Form bzw. Geometrie aufweisen, die dem Übertragungselement 26 der 1 bis 3 entspricht.The transmission element of the nozzle body 106 may have a shape or geometry that the transmission element 26 of the 1 to 3 equivalent.

Unabhängig hiervon besteht die Möglichkeit, dass das Übertragungselement eine der Fügestelle bzw. dessen Verlauf angepasste Form bzw. Geometrie aufweist.Independently Of this, there is the possibility that the transmission element a form of the joint or its course adapted or geometry.

Auch sollte das Übertragungselement eine Dicke d im Bereich 0,05 mm und 0,5 mm, vorzugsweise von etwa 0,1 mm aufweisen.Also The transmission element should have a thickness d in the range 0.05 mm and 0.5 mm, preferably about 0.1 mm.

Ferner besteht die Möglichkeit, das Übertragungselement mit einer die Laserstrahlung absorbierenden Beschichtung zu versehen, um möglichst viel Wärmeenergie der Laserstrahlung zu absorbieren. Insbesondere sollte eine Absorption von mehr als 60%, vorzugsweise mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 99,9% erfolgen.Further there is the possibility of the transmission element with a coating absorbing the laser radiation, to as much heat energy of the laser radiation to absorb. In particular, an absorption of more than 60%, preferably more than 90%, particularly preferably more than 99.9% take place.

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Claims (25)

Verfahren zum Verbinden, wie Löten, von Bauteilen (34, 36) wie metallischen Leitern, mittels Laserstrahlung (16), wobei die zu verbindenden Bauteile (34, 36) ggfs. unter Zufuhr oder Vorhandensein von Lot und/oder Flussmittel durch von der Laserstrahlung erzeugte Wärmeenergie verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie des Laserstrahls auf zumindest einen Bereich der zu verbindenden Bauteile (34, 36) indirekt eingebracht wird.Method for joining, such as soldering, components ( 34 . 36 ) like metallic conductors, by means of laser radiation ( 16 ), whereby the components to be connected ( 34 . 36 ) are optionally connected with the supply or presence of solder and / or flux by thermal energy generated by the laser radiation, characterized in that the heat energy of the laser beam to at least a portion of the components to be connected ( 34 . 36 ) is introduced indirectly. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie des Laserstrahls (16) durch mindestens ein Übertragungselement (26) vollständig oder teilweise absorbiert und durch dieses auf die zu verbindenden Bauteile (34, 36) übertragen wird.A method according to claim 1, characterized in that the heat energy of the laser beam ( 16 ) by at least one transmission element ( 26 ) completely or partially absorbed and by this on the components to be connected ( 34 . 36 ) is transmitted. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) selbst direkt der Laserstrahlung ausgesetzt ist.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the transmission element ( 26 ) itself is directly exposed to the laser radiation. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) eine Laserstrahlung absorbierende Beschichtung aufweist.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the transmission element ( 26 ) has a laser radiation absorbing coating. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) aber ein oder mehrere Strahlumformungselemente mit Laserstrahlung beaufschlagt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the transmission element ( 26 ) but one or more beam-forming elements is exposed to laser radiation. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zu verbindenden Bauteile (34, 36) während des Energieeintrags mittels des Übertragungselementes (26) eine Andruckkraft aufgebracht wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the components to be connected ( 34 . 36 ) during the energy input by means of the transmission element ( 26 ) a pressing force is applied. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Übertragungselement (26) bzw. einer Fügestelle abgestrahlte Wärmestrahlung von einem Temperatursensor wie Pyrometer erfasst wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that that of the transmission element ( 26 ) or a joint radiated heat radiation is detected by a temperature sensor such as pyrometer. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Übertragungselement (26) bzw. einer Fügestelle abgestrahlte Wärmestrahlung über einen dichroitischen Spiegel aus dem Strahlengang des Lasers ausgekoppelt und von einem Pyrometer oder einem anderen Temperatursensor erfasst wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that that of the transmission element ( 26 ) or a joint radiated heat radiation via a dichroic mirror is coupled out of the beam path of the laser and detected by a pyrometer or other temperature sensor. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bauteile (34, 36) durch Anpressdruck vor Lötbeginn verformt werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the components to be connected ( 34 . 36 ) are deformed by contact pressure before soldering. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) vorgewärmt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the transmission element ( 26 ) is preheated. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch optische Elemente in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird.Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the laser beam is divided into a plurality of partial beams by optical elements. Vorrichtung (10) zum Verbinden, wie Löten, von Bauteilen (34, 36), wie metallischen Leitern, mittels Laserstrahlung, umfassend eine die Laserstrahlung (16) auf die zu verbindenden Bauteile (34, 36) richtende Führungseinrichtung (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (12) mindestens ein von dem Laserstrahl (16) erwärmbares Übertragungselement (26) aufweist, über das Wärmeenergie des Laserstrahls (16) auf die zu verbindenden Bauteile (34, 36) übertragbar ist.Contraption ( 10 ) for joining, such as soldering, components ( 34 . 36 ), such as metallic conductors, by means of laser radiation, comprising a laser radiation ( 16 ) on the components to be connected ( 34 . 36 ) directing institution ( 12 ), characterized in that the guide device ( 12 ) at least one of the laser beam ( 16 ) heatable transmission element ( 26 ), via the heat energy of the laser beam ( 16 ) on the components to be connected ( 34 . 36 ) is transferable. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) als Andruckvorrichtung ausgebildet ist.Apparatus according to claim 12, characterized in that the transmission element ( 26 ) is designed as a pressure device. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (12) als Laserdüse ausgebildet ist, umfassend einen Kanal (14), entlang dessen Längsachse der Laserstrahl (16) verläuft, sowie eine Düsenöffnung (28), wobei das Übertragungselement (26) als streifenförmiges Plattenelement sich diagonal in der Düsenöffnung (28) erstreckt.Apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the guide device ( 12 ) is designed as a laser nozzle, comprising a channel ( 14 ), along the longitudinal axis of the laser beam ( 16 ), and a nozzle opening ( 28 ), wherein the transmission element ( 26 ) as a strip-shaped plate element diagonally in the nozzle opening ( 28 ). Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) eine der Lötgeometrie bzw. Fügestelle angepasste Form aufweist.Device according to at least one of claims 12 to 14, characterized in that the transmission element ( 26 ) has a form adapted to the solder geometry or joint. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) platten- bzw. stegförmig oder als eine Platte wie Blech ausgebildet ist.Device according to at least one of claims 12 to 15, characterized in that the transmission element ( 26 ) is plate-shaped or bar-shaped or formed as a plate such as sheet metal. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement eine Dicke d mit 0,05 mm ≤ d ≤ 0,5 mm, vorzugsweise d ≈ 0,1 mm aufweist.Device according to at least one of the claims 12 to 16, characterized in that the transmission element a thickness d of 0.05 mm ≦ d ≦ 0.5 mm, preferably d ≈ 0.1 mm. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) aus einem Material besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/(m·K) aufweist.Device according to at least one of claims 12 to 17, characterized in that the transmission element ( 26 ) consists of a material having a thermal conductivity of at least 1 W / (m · K). Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) eine lotabweisende Oberfläche aufweist.Device according to at least one of claims 12 to 18, characterized in that the transmission element ( 26 ) has a solder-repellent surface. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) aus Wolfram oder Titan besteht oder dieses Material enthält.Device according to at least one of claims 12 to 19, characterized in that the transmission element ( 26 ) consists of tungsten or titanium or contains this material. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) eine Wölbung zum Laserstrahl (16) hin aufweist.Device according to at least one of claims 12 to 20, characterized in that the transmission element ( 26 ) a curvature to the laser beam ( 16 ). Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdüse (12) frontseitig vollständig verschlossen ist, wobei frontseitiger Verschluss das Übertragungselement (26) bildet.Device according to at least one of claims 12 to 21, characterized in that the laser nozzle ( 12 ) is fully closed at the front, wherein front closure the transmission element ( 26 ). Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) die Wärmeenergie des Laserstrahls (16) zu mehr als 1%, vorzugsweise mehr als 60%, insbesondere mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 99,9% absorbiert.Device according to at least one of claims 12 to 22, characterized in that the transmission element ( 26 ) the heat energy of the laser beam ( 16 ) absorbs more than 1%, preferably more than 60%, in particular more than 90%, particularly preferably more than 99.9%. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) integraler Bestandteil der Laserdüse (12) ist.Device according to at least one of claims 12 to 23, characterized in that the transmission element ( 26 ) integral part of the laser nozzle ( 12 ). Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Strahlengang des Laserstrahls bis zum Übertragungselement (26), einschließlich eines eventuellen Pyrometer-Strahlengangs, geschlossen ist.Device according to at least one of claims 12 to 24, characterized in that the entire beam path of the laser beam to the transmission element ( 26 ), including any pyrometer beam path, is closed.
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