-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Fügepartner mittels eines Laserstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
-
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der
DE 102 59 177 A1 bekannt. In dem bekannten Verfahren werden zwei metallische Fügepartner mittels eines Laserstrahls miteinander verbunden. Hierbei wird die Temperatur der Fügepartner auf der Oberfläche der dem Laserstrahl abgewandten Seite der Fügepartner durch Temperatur-Erfassungsmittel erfasst und der Laserstrahl entsprechend der erfassten Temperatur geregelt, indem beispielsweise die Pulsdauer, die Pulsleistung oder die Pulsfrequenz des Laserstrahls entsprechend des gewünschten Schweißergebnisses angepasst wird. Hierdurch lassen sich Punktschweißprozesse mit definierter Einschweißtiefe durchführen. Beim Fügen zweier metallischer Werkstoffe weicht die Temperatur auf der Oberfläche der dem Laserstrahl abgewandten Seite der Fügepartner aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit nur geringfügig von der Temperatur unmittelbar an der Fügestelle ab. Befindet sich zwischen der Fügestelle und der durch die Temperatur-Erfassungsmittel erfassten Oberfläche zusätzlich ein Werkstoff mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit, wie es der Fall ist, wenn ein Fügepartner auf einem Substrat aufgebracht ist – beispielsweise werden elektrische Schaltungen und Leitungen auf Keramiksubstraten aufgebracht – so erfolgt die Erfassung der Temperatur der Fügestelle nur stark zeitverzögert durch die Erfassung der Temperatur an der Oberfläche des Substrates.
-
Durch diese verzögerte Erfassung der Temperatur an der Fügestelle kann der Schweißprozess nicht mehr optimal geregelt werden und es kann somit zu Beschädigungen der Fügepartner oder des Substrates kommen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Fügepartner mittels eines Laserstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass es auch anwendbar ist, wenn mindestens einer der Fügepartner auf einem Substrat mit einer schlechteren Wärmeleitfähigkeit als Metall aufgebracht ist.
-
Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, die Temperatur-Erfassungsmittel an die speziellen Eigenschaften, insbesondere die hohe Transmission von Wärmestrahlung in einem bestimmten Wellenlängenfenster des Substrates anzupassen, und somit durch dieses hindurch auf die Temperatur an der Fügestelle zu schließen.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden zumindest zweier Fügepartner mittels eines Laserstrahls sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von den in Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
-
Als Substratwerkstoffe sind besonders keramische Werkstoffe wie Aluminiumoxid, wie es beispielsweise bei „Direct Bonded Copper” oder „Direct Plated Copper” zum Einsatz kommt, oder, besonders im Bereich der Photovoltaik, Silizium beliebt, da diese gute Isolationseigenschaften aufweisen und preiswert sind. Dabei beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Substrates beispielsweise bei Al2O3 ca. 30 W/mK oder bei Si ca. 150 W/mK und ist somit deutlich geringer als die Wärmeleitfähigkeit von Metallen, die beispielsweise bei Cu ca. 400 W/mK und bei Al ca. 235 W/mK beträgt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die an der Oberfläche eines zweiten Fügepartners auf der dem ersten Fügepartner abgewandten Seite des Substrates abgegebene Wärmestrahlung erfasst und damit auf die Temperatur im Fügebereich geschlossen. Hierbei richtet sich der Wellenlängenbereich sowohl nach dem Transmissionsverhalten des Substates als auch nach dem erforderlichen Temperaturbereich für die Verschweißung. Es sich als dabei als vorteilhaft erwiesen, Wärmestrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 μm bis 10 μm zu erfassen, da viele Substratwerkstoffe hierfür eine gute Transmission aufweisen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilafterweise vorgesehen, dass die erfasste Temperatur mit einer vorgegebenen Solltemperatur verglichen wird und wenigstens ein Schweißparameter des Laserstrahls auf der Grundlage dieses Vergleichs angepasst wird. Hierdurch ist es möglich, das Laserschweißverfahren an geforderte Vorgaben anzupassen.
-
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf der erfassten Temperatur verfolgt wird und aufgrund dessen wenigstens ein Schweißparameter des Laserstrahls angepasst wird. Hierdurch wird es beispielsweise möglich (zu) schnelle Temperaturanstiege, also zu hohe Laserleistungen zu erkennen und einer daraus resultierenden Beschädigung des Substrates und/oder der Fügepartner frühzeitig vorzubeugen.
-
Das Verfahren eignet sich besonders für Punktschweißprozesse mit einem gepulsten Laserstrahl, da bei einer derartigen schrittweisen bzw. diskreten Durchführung einzelner Punktschweißprozesse nacheinander eine Temperaturmessung und Ermittlung neuer Laserschweißparameter in besonders einfacher Weise durchführbar ist. Hierbei kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Schweißparameter des Laserstrahls die Leistung und/oder die Pulsdauer und/oder die Pulsfolgefrequenz umfasst. Durch Beeinflussung zumindest eines dieser Schweißparameter kann das Ergebnis eines Schweißprozesses, d. h. die Verbindung zwischen den Fügepartnern, in seiner Qualität gezielt verbessert werden. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Schweißparameter des Laserstrahls über eine „Impuls-Regelung” geregelt wird. Durch diese Regelungsmechanismen ist eine ausreichend schnelle Regelung der Laserschweißparameter in unaufwändiger Weise möglich. Noch während eines Laserpulses kann dieser durch „In-Puls-Anpassung” an die im Augenblick des Schweißprozesses vorliegenden Schweißbedingungen angepasst werden. Somit ist der Schweißprozess jederzeit beherrschbar.
-
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Temperatur-Erfassungsmittel ein optischer Strahlensensor, insbesondere ein Pyrometer ist. Hier kann die Temperatur berührungslos und mit kleiner Verzögerungszeit gemessen werden. Derartige Temperatur-Erfassungsmittel beobachten bzw. erfassen die Temperatur zumindest eines der Fügepartner während des Schweißprozesses, indem sie auf das Substrat gerichtet bzw. fokussiert sind und die Wärmestrahlung erfassen, für die das Substrat eine hohe Transmission aufweist. Durch die Wahl derartiger Temperatur-Erfassungsmittel wird ein schnelles und effizientes Temperaturmesssystem im Bereich der Fügestelle bereitgestellt, indem die Temperatur durch das Substrat hindurch im Bereich der Fügestelle erfasst wird, da das Substrat für die Wellenlänge des Pyrometers transparent ist.
-
Es liegt im Bereich der Erfindung, dass der Strahlensensor Wärmestrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,8 μm bis 10 μm erfasst. Für diese Strahlung weisen viele Substrate eine besonders hohe Transmission auf, wodurch besonders gut Rückschlüsse auf die Temperatur an der Fügestelle gezogen werden können.
-
Besteht das Substrat aus Silizium ist eine Wellenlänge 1 μm bis 10 μm besonders vorteilhaft. Besteht das Substrat aus Aluminiumoxid ist eine Wellenlänge von 1 μm bis 6 μm besonders vorteilhaft.
-
Mit der erfindungsgemäßen Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung ist die erfasste Temperatur beispielsweise mit einer Solltemperatur vergleichbar. Auf Grundlage dieses Vergleiches ist wiederum ein Parameter für den Schweißprozess ableitbar bzw. anpassbar. Durch die Einrichtung, welche insbesondere mit einem schnellen Auswertealgorithmus ausgestattet sein kann, wird eine aktive Beeinflussung der Laserparameter und somit des Schweißprozesses ermöglicht. Damit ergibt sich die Möglichkeit, eine beliebige Anzahl von Schweißprozessen nach einem identischen Schema durchzuführen, womit sich auf einfache Weise ansonsten vorhandene qualitative Schwankungen einzelner Schweißpunkte vermeiden lassen.
-
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der somit durch die Regelungseinrichtung ermittelte Parameter vorzugsweise durch die Regelungseinrichtung an eine analoge Ein-/Ausgabe-Schnittstelle der Lasereinrichtung leitbar ist. Mit dieser Einrichtung ist der Laserstrahl durch die Lasereinrichtung auf der Grundlage dieses Parameters während eines Pulses anpassbar. Dies hat zum Vorteil, dass der Verfahrensablauf direkt und schnell durchgeführt wird.
-
Durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Erreichen einer vorbestimmten Einschweißtiefe, selbst bei den typerscherweise 1 μm bis 1000 μm dünnen Leitungsstrukturen auf den Substraten, für jede durchgeführte Schweißung sichergestellt werden. Störende Oberflächeneinflüsse (z. B. schwankende Absorption der Werkstoffe bei Chargenwechsel) können damit abgefangen werden und mindern die Schweißqualität nicht.
-
Desweiteren eröffnet sich durch die Erfindung die Möglichkeit einer Pulsformung während des aktiven Pulses. Dies erlaubt es zudem, insbesondere bei thermisch sensiblen Fügepartnern, nur die tatsächlich zur Herstellung der Verbindung notwendige Wärmemenge in den Fügepartner einzubringen. Dies hat zur Folge, dass die Prozesssicherheit dadurch bei gleichzeitiger Minimierung der thermischen Belastung des Fügepartners erhöht werden kann.
-
Mit der Erfindung lässt sich in besonders vorteilhafter Weise eine den geometrischen oder materiellen Beschaffenheiten der Fügepartner angepasste, optimierte Prozessführung einer jeden Schweißung und eine Anpassung der Laser-Schweißparameter während des Schweißprozesses realisieren.
-
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet sich insbesondere bei allen Punktschweißverbindungen an. Insbesondere können dadurch sensible Fügepartner miteinander verschweißt werden, bei denen die thermische Belastung der Fügepartner zu beachten ist, oder bei denen eine Durchschweißung und Schädigung des Substrats zu vermeiden ist, oder bei denen die Einschweißtiefe bzw. der Anbindequerschnitt reproduzierbar hergestellt werden muss.
-
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Diese zeigt in:
-
1 in schematischer seitlicher Ansicht eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
-
2 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
In 1 ist eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 dargestellt. Mittels der Vorrichtung 10 sollen zwei Fügepartner 2a und 2b durch Laserschweißung in einem Fügebereich 6 miteinander verbunden werden. Die Vorrichtung 10 weist optische Temperatur-Erfassungsmittel 3 auf, die vorzugsweise als Pyrometer ausgebildet sind. Der Fügepartner 2b befindet sich auf einem Substrat 5, vorzugsweise als Beschichtung. Das Substrat 5 weist insbesondere Bestandteile von Aluminiumoxid und/oder Silizium auf.
-
Ein Laserstrahl 1a wird hierbei durch eine Lasereinrichtung 1 erzeugt. Durch eine Fokussieroptik 1b, welche zur Bündelung bzw. Scharfeinstellung des Laserstrahls 1a beweglich sowie fixierbar am Ausgang der Lasereinrichtung 1 positionierbar ist, wird der Laserstrahl 1a auf die Oberseite 2c des Fügepartners 2a fokussiert. In einem Auftreffpunkt 4a auf der Oberseite 2c trifft der Laserstrahl 1a den einen Fügepartner 2a, welcher in 1 unmittelbar oberhalb eines bzw. auf einem zweiten Fügepartner 2b angeordnet ist. Gewissermaßen spiegelsymmetrisch zum Auftreffpunkt 4a befindet sich auf der Unterseite des Fügepartners 2b ein Messpunkt 4b. Dieser Messpunkt 4b befindet sich innerhalb eines Erfassungsbereichs 3a der Temperatur-Erfassungsmittel 3 in einer Ebene zwischen dem Fügepartner 2b und dem Substrat 5.
-
In dem Auftreffpunkt 4a wird der Fügepartner 2a durch den Laserstrahl 1a beaufschlagt, was zur Erwärmung des Fügepartners führt. Durch Wärmeleitung und/oder durch Tiefschweißeffekte (Aufschmelzen von Teilen des Fügepartners 2a) wird auch der zweite Fügepartner 2b (und das Substrat 5) erwärmt. Dabei wird im Messpunkt 4b durch die Temperatur-Erfassungsmittel 3 die Temperatur an der Unterseite des Fügepartners 2b in der Ebene zum Substrat 5 erfasst und auf die Temperatur im Fügebereich 6 rückgeschlossen. Die Temperaturmessung erfolgt durch Erfassung der sich innerhalb des Erfassungsbereichs 3a auftretenden Wärmestrahlung, wobei insbesondere Wärmestrahlung berücksichtigt wird, für die das Substrat 5 eine hohe Transmission aufweist und somit gute Rückschlüsse auf die Temperatur im Fügebereich 6 gezogen werden können.
-
Ferner weist die Vorrichtung 10 eine Regelungseinrichtung 8 auf der Grundlage eines Microcontrollers auf, wobei die Funktionsweise dieser Regelungseinrichtung 8 in 2 erläutert wird.
-
Mit dieser einfach realisierbaren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 lässt sich die Temperaturmessung und somit eine Überwachung des Schweißprozesses auf zuverlässige Weise durchführen.
-
Ein Blockdiagramm zur Darstellung eines bevorzugten Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in seiner Gesamtheit in der 2 dargestellt. In 2 ist der Regelkreis 20 zur Durchführung des Laserschweißverfahrens in sich geschlossen dargestellt. Die Lasereinrichtung 1 erzeugt beispielsweise einen gepulsten Laserstrahl 1a (Schritt 11), welcher auf wenigstens einen der zu schweißenden Fügepartner 2a, 2b trifft. Diese Beaufschlagung löst einen Schweißprozess (Schritt 12) aus, wie in 1 gezeigt. Hierdurch werden die Fügepartner 2a, 2b erwärmt. Eine sich bei dem Schweißprozess ergebende Temperatur wird durch die Temperatur-Erfassungsmittel 3 erfasst, indem die Wärmestrahlung gemessen wird (Schritt 13). Mittels Signalumformung wandeln die Temperatur-Erfassungsmittel 3 die gemessene Temperatur in geeignete, an eine Regelungseinrichtung leitbare Signale, um (Schritt 14). Diese Signale wiederum werden durch die Regelungseinrichtung 8 weiterverarbeitet. Dies erfolgt unter Berücksichtigung von Vorgabewerten für die Temperatur (Schritt 15). Die erfasste Temperatur wird mit einem Sollwert für die Temperatur durch die Regelungseinrichtung 8 verglichen. Je nach Anforderung wird somit wenigstens eine geeignete Vorgabe für wenigstens einen Laserschweißparameter errechnet bzw. erfasst (Schritt 16). Diese wenigstens eine neue Vorgabe für Laserschweißparameter wird wiederum zur Lasereinrichtung 1 weitergeleitet. Zum Empfang der Vorgabe für Laserschweißparameter ist die Lasereinrichtung 1 mit einer nicht dargestellten Ein-/Ausgabeschnittstelle zur analogen Leistungssteuerung ausgestattet.
-
Hierdurch ergibt sich insgesamt ein geschlossener Regelkreis, so dass das erfindungsgemäße Verfahren erneut ablaufen kann. Aufgrund der neuen Vorgabe für Laserschweißparameter (gemäß Schritt 16) erzeugt die Lasereinrichtung 1 einen angepassten Laserstrahl 1a (Schritt 11). Es folgen die schon beschriebenen Schritte 12 bis 16. Dies geschieht solange, bis die Fügequalität erreicht ist und der Puls abgebrochen bzw. definiert abgerampt wird.
-
Durch Durchführung dieser Verfahrensschritte 11 bis 16 ist eine zuverlässige Regelung eines Schweißprozesses auf einfache Weise realisierbar. Von besonderem Vorteil dabei ist, dass durch wiederholtes Durchführen Laserschweißparameter ständig neu an herrschende Schweißbedingungen, insbesondere die Temperatur, anpassbar sind. Somit kann der Schweißprozess durch ständige Überwachung stets aktiv beeinflusst werden.
-
Bei einer konkreten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich z. B. die Möglichkeit, dass bei Erreichen einer bestimmten Temperatur der Laserpuls abgebrochen wird, so dass eine gewünschte bzw. vorbestimmte, der Temperatur zugeordnete Einschweißtiefe erreicht werden kann.
-
Des weiteren wäre denkbar, dass bei Erreichen einer bestimmten Temperatur der Laserpuls derart verändert wird, dass eine Rissbildung oder andere Materialbeeinträchtigungen verhindert werden können. Beispielsweise ist an Abrampen oder ein definiertes Nachheizen der Fügestelle 6 denkbar.
-
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung kann bei Erreichen einer bestimmten Temperatur eine prozesssichernde Pulsform abgearbeitet werden. Innerhalb dieser kann wiederum der Prozess über die Temperatur-Erfassungsmittel 3 geregelt werden. Mit dem erfinderischen Verfahren bzw. der erfinderischen Vorrichtung 10 eröffnen sich neue Möglichkeiten, wie beispielsweise das Schweißen neuer photovoltaischer Bauteile, Anwendungen photovoltaischer Bauteile vorzugsweise in Solarzellen, und die Schweißbarkeit ansonsten schwer schweißbarer Werkstoffe. Hinsichtlich geschweißter Endprodukte ergeben sich weitere Vorteile, nämlich beispielsweise eine Minimierung der Ausschussrate, eine Verringerung der Qualitätssicherungskosten sowie eine Steigerung der Produktivität.
-
Durch die Erfindung ist es möglich, auf besonders vorteilhafte Weise den Wärmeeintrag in das Substrat 5 so gering wie möglich zu halten, wodurch Materialschädigungen wie beispielsweise Risse verhindert werden können. Hierdurch lässt sich das Verfahren des Laserschweißens erstmals in einem geregelten Laserschweißverfahren anwenden, bei dem sich mindestens ein Fügepartner 2a, 2b auf einem Substrat 5 befindet. Somit ist es möglich das Laserschweißverfahren auch im Bereich elektrischer und elektronischer Schaltungen zu verwenden, wo es beispielsweise gegenüber dem verbreiteten Löten einen besseren Übergangswiderstand und eine höhere thermische Belastbarkeit aufweist.
-
Ergänzend sei erwähnt, dass der Fügepartner 2a, 2b auch auf andere Art als die beschriebene Beschichtung auf dem Substrat 5 aufgebracht sein kann. Beispielsweise wäre hier ein Kleben oder eine Pressverbindung denkbar.
-
Auch kann mehr als ein Fügepartner 2a, 2b jeweils auf einem Substrat 5 angeordnet sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
