DE102019134139A1 - Welding adapter for welding electrical components to thin metal coatings on sensitive substrates - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schweißadapter zum Fügen einer elektrischen Komponente (7) an eine dünne Metallisierung (2) auf einem sensiblen Substrat (1) mittels Laserschweißen, bestehend aus einem elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen metallischen Adapter (5), der in eine Kontaktbohrung (3) des Substrats (1) eingebracht oder auf die Metallisierung des Substrats aufgelegt und mit der Metallisierung (2) des Substrats (1) elektrisch verbunden wird und als Schweißpartner für die elektrische Komponente (7) dient.The invention relates to a welding adapter for joining an electrical component (7) to a thin metallization (2) on a sensitive substrate (1) by means of laser welding, consisting of an electrically conductive and thermally conductive metallic adapter (5) which is inserted into a contact hole (3) of the substrate (1) or placed on the metallization of the substrate and electrically connected to the metallization (2) of the substrate (1) and serves as a welding partner for the electrical component (7).

Description

Die Erfindung betrifft einen Schweißadapter zum Schweißen einer elektrischen Komponente, wie z.B. einem Leitungsverbinder oder elektrischen Bauteil, an eine dünne Metallisierung auf einem sensiblen Substrat, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a welding adapter for welding an electrical component, such as a line connector or electrical component, to a thin metallization on a sensitive substrate, according to the preamble of claim 1.

Die Erhöhung der Arbeitstemperatur und die zunehmende Leitungsquerschnittsfläche im Bereich der Leistungselektronik stellt für die konventionelle Aufbau- und Verbindungstechnik eine besondere Herausforderung dar. Konventionelle Verfahren wie das Löten oder Drahtbonden kommen dabei an ihre Grenzen. Die relativ niedrigen Schmelzpunkte von Weichloten sind für den Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen über ca. 150° nicht geeignet. Ferner werden Lötstellen bei hohen Temperaturen brüchig und damit unzuverlässig. Zudem können manche Materialkombinationen wie z.B. Kupfer-Aluminium nur sehr schwierig gelötet werden.The increase in working temperature and the increasing cross-sectional area of cables in the field of power electronics represent a particular challenge for conventional assembly and connection technology. Conventional processes such as soldering or wire bonding are reaching their limits. The relatively low melting points of soft solders are not suitable for use at high operating temperatures above approx. 150 °. Furthermore, solder joints become brittle at high temperatures and therefore unreliable. In addition, some material combinations such as copper-aluminum can only be soldered with great difficulty.

Für Verbindungen mit großem Leitungsquerschnitt und hohen Betriebstemperaturen sind beispielsweise Schweißverbindungen gut geeignet. Ein konventioneller Laserschweißprozess ermöglicht zwar eine örtliche und zeitliche Steuerbarkeit des Energieeintrages, zum Fügen von dicken Verbindern auf wesentlich dünnere Metallisierungen ist dieser jedoch aufgrund des hohen Gesamtenergieeintrages in das untere Bauteil nicht geeignet. Beispielsweise kommt es beim Schweißen von Bauteilen auf Leiterbahnen von Leiterplatten durch die geringe Wärmekapazität der nur wenige zehn Mikrometer dicken Leiterbahnen sehr schnell zu einem Ablösen der Leiterbahnen vom Leiterplattensubstrat.For connections with a large cable cross-section and high operating temperatures, welded connections, for example, are well suited. A conventional laser welding process allows the energy input to be controlled in terms of location and time, but it is not suitable for joining thick connectors to much thinner metallizations due to the high total energy input into the lower component. For example, when welding components on conductor tracks of circuit boards, the low heat capacity of the conductor tracks, which are only a few tens of micrometers thick, causes the conductor tracks to detach from the circuit board substrate very quickly.

Die DE 10 2015 014 060 B4 offenbart ein Verfahren zum Laser Impuls Schmelzbonden (LIMBO Verfahren), mit welchem Stromverbinder mit großem Querschnitt mit thermisch empfindlichen Bauteilen, wie z.B. Leiterplatten oder keramischen Substraten, verbunden werden können. Das LIMBO Verfahren verwendet eine thermische Trennung der Fügepartner mittels eines Spaltes, durch den der für das Aufschmelzen des Verbinders benötigte hohe Energieeintrag eingebracht werden kann, ohne dass das untere Bauteil thermisch vorbelastet wird. Um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern herzustellen, erfolgt eine Auslenkung des Schmelzbades mit Benetzung und Anbindung am unteren Fügepartner, die über einen Verdampfungsprozess an der Schmelzbadoberfläche mittels Laserstrahlmodulation realisiert wird.The DE 10 2015 014 060 B4 discloses a method for laser impulse fusion bonding (LIMBO method), with which power connectors with a large cross section can be connected to thermally sensitive components such as circuit boards or ceramic substrates. The LIMBO process uses a thermal separation of the joining partners by means of a gap, through which the high energy input required for melting the connector can be introduced without the lower component being thermally preloaded. In order to create a cohesive connection between the two joining partners, the weld pool is deflected with wetting and connection to the lower join partner, which is implemented via an evaporation process on the weld pool surface using laser beam modulation.

Das LIMBO Verfahren ist schwierig in der Handhabung und daher für die kostengünstige Massenfertigung nicht optimal geeignet.The LIMBO process is difficult to use and therefore not ideally suited for inexpensive mass production.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzuschlagen, welche ein für die Massenfertigung geeignetes Schweißen von Leitungsverbindern oder elektrischen Bauteilen an dünne Metallisierungen auf sensiblen Substraten erlaubt.It is the object of the invention to propose a possibility which allows for mass production suitable welding of line connectors or electrical components to thin metallizations on sensitive substrates.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schweißadapter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a welding adapter having the features of claim 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.Preferred embodiments of the invention and further advantageous features are specified in the subclaims.

Der Schweißadapter zum Fügen einer elektrischen Komponente an eine dünne Metallisierung auf einem sensiblen Substrat mittels Laserschweißen umfasst einen elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen metallischen Adapter, der in eine Kontaktbohrung der Leiterplatte eingebracht oder auf die Metallisierung des Substrats aufgelegt und mit der Metallisierung des Substrats elektrisch verbunden wird und als Schweißpartner für die elektrische Komponente dient.The welding adapter for joining an electrical component to a thin metallization on a sensitive substrate by means of laser welding comprises an electrically conductive and thermally conductive metallic adapter which is introduced into a contact hole in the circuit board or placed on the metallization of the substrate and electrically connected to the metallization of the substrate and serves as a welding partner for the electrical component.

Zum Fügen wird vorzugsweise ein Punktschweißverfahren verwendet, mit der elektrischen Komponente als ersten Schweißpartner und dem Schweißadapter als zweiten Schweißpartner.A spot welding process is preferably used for joining, with the electrical component as the first welding partner and the welding adapter as the second welding partner.

Die beiden Schweißpartner werden in direkten mechanischen Kontakt zueinander gebracht, sodass sich die Schweißpartner möglichst berühren.The two welding partners are brought into direct mechanical contact with one another so that the welding partners touch each other as much as possible.

Beide Fügepartner werden nun durch den Laserstrahl lokal aufgeschmolzen, wobei die elektrische Komponente als erster Schweißpartner durch den Laserstrahl erwärmt und lokal aufgeschmolzen wird und durch die Wärmeleitung der Schweißadapter als zweiter Schweißpartner gleichzeitig aufgeschmolzen wird und sich mit dem ersten Schweißpartner verbindet.Both parts to be joined are now locally melted by the laser beam, with the electrical component as the first welding partner being heated and locally melted by the laser beam and the heat conduction of the welding adapter as the second welding partner being simultaneously melted and connecting to the first welding partner.

Es wird vorzugsweise Wärmeleitungsschweißen verwendet, bei dem die Laserstrahlung an der Oberfläche des ersten Schweißpartners absorbiert und die erforderliche Energie durch Wärmeleitung in den zweiten Schweißpartner geführt. Das Material wird örtlich auf Schmelztemperatur erhitzt und im Fügebereich die absorbierte Leistung größer ist als die durch Wärmeleitung abgeführte Energie. Die Geometrie des sich einstellenden Schmelzbades und somit auch die Einschweißtiefe hängen direkt von der Wärmeleitung in den Schweißadapter ab.Thermal conduction welding is preferably used, in which the laser radiation is absorbed on the surface of the first welding partner and the required energy is conducted into the second welding partner by thermal conduction. The material is locally heated to the melting temperature and the power absorbed in the joint area is greater than the energy dissipated by heat conduction. The geometry of the weld pool that is created and thus also the welding depth depend directly on the heat conduction in the welding adapter.

Der Übergang zwischen Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen, bei dem der Laserstrahl den ersten Schweißpartner durchdringt und in den zweiten Schweißpartner eindringt, ist fließend. Im Gegensatz zum Wärmeleitungsschweißen wird beim Tiefschweißen die Strahlungsintensität über eine für die Verdampfung der Werkstücke erforderliche Schwellintensität erhöht. In der Folge bilden sich neben der schmelzflüssigen Phase eine Dampfkapillare in den Schweißpartnern und eine Metalldampfwolke.The transition between thermal conduction welding and deep penetration welding, in which the laser beam penetrates the first welding partner and penetrates the second welding partner, is fluid. In contrast to thermal conduction welding, in deep welding, the radiation intensity is increased by a swell intensity required for the evaporation of the workpieces. As a result, in addition to the molten phase, a vapor capillary and a metal vapor cloud form in the welding partners.

Der Schweißadapter als zweiter Schweißpartner ist mit der Metallisierung des Substrats elektrisch verbunden und hat eine deutlich größere Wärmekapazität als die umgebende Metallisierung des Substrats. Dadurch nimmt er einen Großteil der Schweißenergie auf, sodass die Metallisierung durch den Schweißvorgang nicht beschädigt wird.The welding adapter as the second welding partner is electrically connected to the metallization of the substrate and has a significantly greater thermal capacity than the surrounding metallization of the substrate. As a result, it absorbs a large part of the welding energy so that the metallization is not damaged by the welding process.

Bei dem Substrat mit der Metallisierung kann es sich vorzugsweise um eine elektrische Leiterplatte handeln. Anstelle des üblichen Leiterplattenmaterials, z.B. FR4, kann jedes andere geeignete Substrat verwendet werden, z.B. Keramik.The substrate with the metallization can preferably be an electrical circuit board. Instead of the usual circuit board material, e.g., FR4, any other suitable substrate can be used, e.g., ceramic.

Der Schweißadapter weist vorzugsweise ein Volumen auf, welches dem Volumen der Kontaktbohrung des Leiterplattensubstrats entspricht. Eine solche Kontaktbohrung hat beispielsweise einen Bohrungsdurchmesser von zwei Millimetern oder weniger und eine Länge von mehreren Zehntelmillimetern bis einigen Millimetern. Die Metallisierung auf dem Leiterplattensubtrat hat üblicherweise eine Dicke von 10 bis 100 Mikrometern. Die oben angegebenen Werte sind nur Beispielwerte und können nach oben und unten variieren.The welding adapter preferably has a volume which corresponds to the volume of the contact hole in the circuit board substrate. Such a contact bore has, for example, a bore diameter of two millimeters or less and a length of several tenths of a millimeter to a few millimeters. The metallization on the printed circuit board substrate usually has a thickness of 10 to 100 micrometers. The values given above are only examples and can vary upwards and downwards.

Je nach Größe und Volumen des Schweißadapters und der mit dem Schweißadapter zu verbindenden elektrischen Komponente muss die Leistung des Lasersystems angepasst werden.Depending on the size and volume of the welding adapter and the electrical components to be connected to the welding adapter, the power of the laser system must be adapted.

Ferner kann der Laserstrahl zeitlich oder örtlich moduliert werden. Es kann ein Impulsschweißverfahren verwendet werden.Furthermore, the laser beam can be modulated in terms of time or location. An impulse welding process can be used.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann der Schweißadapter aus einem metallischen Stift bestehen, der in die Kontaktbohrung der Leiterplatte eingebracht und elektrisch mit der Metallisierung des Substrats der Leiterplatte verbunden ist. Die elektrische Verbindung kann beispielsweise als Lötverbindung vorgesehen sein.In a first embodiment of the invention, the welding adapter can consist of a metallic pin which is introduced into the contact hole of the circuit board and is electrically connected to the metallization of the substrate of the circuit board. The electrical connection can be provided as a soldered connection, for example.

Hierbei füllt der Stift die Kontaktbohrung vollständig aus und dessen Länge ist derart bemessen, dass er vorzugsweise nicht über die Oberfläche der Leiterplatte hinaussteht. Der Stift kann jedoch auch über die Oberfläche der Leiterplatte hinausstehen.In this case, the pin completely fills the contact hole and its length is dimensioned such that it preferably does not protrude beyond the surface of the circuit board. However, the pin can also protrude beyond the surface of the circuit board.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Schweißadapter aus einer metallischen Niete, welche in die Kontaktbohrung der Leiterplatte eingebracht und mit der Metallisierung form- und kraftschlüssig elektrisch verbunden wird. Zusätzlich ist auch eine Lötverbindung möglich.In another embodiment of the invention, the welding adapter consists of a metallic rivet which is introduced into the contact hole of the circuit board and is electrically connected to the metallization in a form-fitting and force-fitting manner. A soldered connection is also possible.

Hierbei kann sowohl eine Vollniete als auch eine Hohlniete verwendet werden. Bei der Verwendung einer Hohlniete ist auf eine ausreichende Wandstärke für die nachfolgende Schweißverbindung zu achten. Die Verwendung einer Hohlniete erleichtert beispielsweise die Prüfung der Schweißverbindung, die optisch beispielsweise von der Rückseite der Leiterplatte durch die Hohlniete hindurch geprüft werden kann.Both a solid rivet and a hollow rivet can be used here. When using a hollow rivet, ensure that the wall thickness is sufficient for the subsequent welded joint. The use of a hollow rivet makes it easier, for example, to test the welded connection, which can be checked optically, for example, from the rear of the circuit board through the hollow rivet.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung kann der Schweißadapter aus einer chemisch aufgebrachten Metallisierung bestehen, welche die Kontaktbohrung der Leiterplatte zumindest teilweise ausfüllt.According to a third embodiment of the invention, the welding adapter can consist of a chemically applied metallization which at least partially fills the contact hole of the printed circuit board.

Diese Metallisierung kann beispielsweise durch ein Galvanisierungsverfahren während des Herstellungsprozesses der Leiterplatte in die Kontaktbohrung eingebracht werden.This metallization can be introduced into the contact hole, for example, by means of an electroplating process during the manufacturing process of the printed circuit board.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Schweißadapter die Form eines metallischen Pads aufweisen, der auf die Metallisierung des Substrats aufgelötet wird. Dieser Pad hat vorzugsweise eine Fläche von einigen mm2 bis einigen cm2 und eine Dicke, die deutlich größer ist als die Dicke der Metallisierung des Substrats vorzugsweise mehrfach so dick wie die Dicke der Metallisierung. Dieser Pad dient als Schweißpartner für die elektrische Komponente. Für dieses Schweißverfahren ist demnach keine Kontaktbohrung im Substrat notwendig, sondern der Schweißadapter wird direkt auf die Metallisierung des Substrats aufgelegt und mit dieser elektrisch verbunden. Danach wird die elektrische Komponente an das Pad angeschweißt.According to a further embodiment of the invention, the welding adapter can have the form of a metallic pad which is soldered onto the metallization of the substrate. This pad preferably has an area of a few mm 2 to a few cm 2 and a thickness that is significantly greater than the thickness of the metallization of the substrate, preferably several times as thick as the thickness of the metallization. This pad serves as a welding partner for the electrical component. For this welding process, no contact hole is therefore necessary in the substrate, but the welding adapter is placed directly on the metallization of the substrate and electrically connected to it. Then the electrical component is welded to the pad.

Der Leiterplattenadapter ist sowohl für einlagige Leiterplatten als auch mehrlagige Leiterplatten geeignet und sowohl für starre als auch flexible Leiterplatten.The circuit board adapter is suitable for both single-layer circuit boards and multi-layer circuit boards and for both rigid and flexible circuit boards.

Die Kontaktbohrung kann eine Durchgangsbohrung der Leiterplatte sein oder aber ein Sackloch in Form einer sogenannten „blind via“.The contact hole can be a through hole in the circuit board or a blind hole in the form of a so-called “blind via”.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Laserschweißen einer elektrischen Komponente an eine dünne Metallisierung auf einem sensiblen Substrat unter Verwendung eines beschriebenen Schweißadapters.The invention also relates to a method for laser welding an electrical component to a thin metallization on a sensitive substrate using a welding adapter as described.

Gemäß dieses Verfahrens wird in einem ersten Schritt der elektrisch leitfähige und wärmeleitfähige metallische Schweißadapter in eine Kontaktbohrung der Leiterplatte eingebracht oder der Schweißadapter wird auf die Metallisierung des Substrats aufgelegt. In einem zweiten Schritt wird der Schweißadapter mit der Metallisierung des Substrats elektrisch verbunden, in einem dritten Schritt wird der Verbindungsbereich der elektrischen Komponente derart über dem Schweißadapter positioniert, dass sich die beiden Schweißpartner berühren und in einem letzten Schritt wird der Verbindungsbereich der elektrischen Komponente mit dem Schweißadapter mittels eines Laserschweißverfahrens verbunden.According to this method, in a first step the electrically conductive and thermally conductive metallic welding adapter is introduced into a contact hole in the printed circuit board or the welding adapter is placed on the metallization of the substrate hung up. In a second step, the welding adapter is electrically connected to the metallization of the substrate, in a third step the connection area of the electrical component is positioned over the welding adapter in such a way that the two welding partners touch and in a last step the connection area of the electrical component with the Welding adapter connected by means of a laser welding process.

Vorzugsweise wird ein Punktschweißverfahren eingesetzt.A spot welding process is preferably used.

Das Substrat kann ein kunststoffbasiertes, ein keramisches Substrat oder ein Glassubstrat sein, welches zumindest teilweise eine Metallisierung aufweist.The substrate can be a plastic-based, a ceramic substrate or a glass substrate, which at least partially has a metallization.

Der beschriebene Schweißadapter und das Schweißverfahren eignen sich insbesondere zum stoffschlüssigen Fügen von Bauteilen aus Kupferlegierungen, aber auch für eine Verbindung von unterschiedlichen metallischen Fügepartnern, beispielsweise Kupfer und Aluminium, Kupfer und Wolfram, etc.The welding adapter and the welding process described are particularly suitable for the material-locking joining of components made of copper alloys, but also for connecting different metallic joining partners, for example copper and aluminum, copper and tungsten, etc.

Es wird vorzugsweise ein Wärmeleitungsschweißverfahren oder ein Tiefschweißverfahren verwendet.A heat conduction welding process or a deep welding process is preferably used.

Die Schweißposition, d. h. die Lageerkennung der Positionen der elektrischen Komponente und des Schweißadapters werden vorzugsweise optisch erfasst. Entsprechend wird die Position des Schweißkopfs gesteuert. The welding position, i.e. H. the position detection of the positions of the electrical component and the welding adapter are preferably detected optically. The position of the welding head is controlled accordingly.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

  • 1 A-F zeigen einen Schnitt durch eine Leiterplatte mit verschiedenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leiterplattenadapters,
  • 2 zeigt einen Schnitt durch eine Leiterplatte mit der auf den Schweißadapter aufgeschweißten elektrischen Komponente.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. This results in further features and advantages of the invention.
  • 1 AF show a section through a circuit board with different configurations of the circuit board adapter according to the invention,
  • 2 shows a section through a circuit board with the electrical component welded onto the welding adapter.

In den 1 A bis 1 F ist jeweils ein Teilschnitt durch eine Leiterplatte 1 dargestellt, die beispielsweise aus einem Kunststoffsubstrat besteht, auf der einseitig oder beidseitig eine dünne Metallisierung 2 in Form einer Kupferschicht aufkaschiert wurde. Es kann sich ebenso um eine mehrlagige Leiterplatte handeln.In the 1 A to 1 F. is a partial section through a printed circuit board 1 shown, which consists for example of a plastic substrate, on one or both sides of a thin metallization 2 was laminated in the form of a copper layer. It can also be a multilayer printed circuit board.

Die Leiterplatte 1 hat beispielsweise eine Dicke von 1,5 Millimetern. Die Dicke der Kupferkaschierung 2 beträgt beispielsweise 35 Mikrometer.The circuit board 1 has a thickness of 1.5 millimeters, for example. The thickness of the copper cladding 2 is, for example, 35 micrometers.

Die Leiterplatte 1 weist in bekannter Weise Kontaktbohrungen 3 auf die als Durchkontaktierungen ausgebildet sein können, welche eine vertikale elektrische Verbindung zwischen den Metallisierungen 2 (Leiterebenen) der Leiterplatte 1 herstellt. Die Durchkontaktierung 3 ist beispielweise durch eine innen metallisierte Bohrung im Trägermaterial der Leiterplatte 1 realisiert. Bei einer mehrlagigen Leiterplatte 1 muss die Kotaktbohrung 3 nicht durchgängig sein, sondern kann auch als Sacklochbohrung (blind via) ausgebildet sein.The circuit board 1 has contact holes in a known manner 3 on which can be designed as vias, which establish a vertical electrical connection between the metallizations 2 (Conductor levels) of the circuit board 1 manufactures. The via 3 is, for example, through an internally metallized hole in the substrate of the printed circuit board 1 realized. In the case of a multi-layer circuit board 1 must be the contact hole 3 not be continuous, but can also be designed as a blind hole (blind via).

Die Durchkontaktierung kann einen Durchmesser von einigen hundertstel Millimetern bis zu einigen Millimetern aufweisen.The plated-through hole can have a diameter of a few hundredths of a millimeter to a few millimeters.

Erfindungsgemäß ist ein Schweißadapter vorgesehen, der in der Kontaktbohrung 3 der Leiterplatte 1 aufgenommen ist.According to the invention, a welding adapter is provided which is located in the contact hole 3 the circuit board 1 is recorded.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann der Schweißadapter durch eine chemisch aufgebrachte Metallisierung 4 gebildet sein, welche die Kontaktbohrung 3 der Leiterplatte 1 zumindest teilweise ausfüllt. Diese Metallisierung 4 kann beispielsweise durch ein Galvanisierungsverfahren während des Herstellungsprozesses der Leiterplatte 1 in die Kontaktbohrung 3 eingebracht werden.According to a first embodiment of the invention, the welding adapter can be made by a chemically applied metallization 4th be formed, which the contact hole 3 the circuit board 1 at least partially fills out. This metallization 4th can for example by an electroplating process during the manufacturing process of the circuit board 1 into the contact hole 3 be introduced.

In eine weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß 1C kann der Schweißadapter aus einem metallischen Stift 5, beispielsweise aus Kupfer, Silber oder Gold, bestehen, welcher in die Durchgangsbohrung 3 der Leiterplatte 1 eingebracht und dort mit der Metallisierung 2 verlötet wird. Der Stift 5 ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, kann aber auch einen mehreckigen Querschnitt aufweisen.In a further embodiment of the invention according to 1C the welding adapter can be made from a metallic pin 5 , for example made of copper, silver or gold, which in the through hole 3 the circuit board 1 introduced and there with the metallization 2 is soldered. The pencil 5 is preferably cylindrical, but can also have a polygonal cross-section.

Der Stift füllt 5 füllt vorzugsweise die gesamte Durchgangsbohrung 3 aus und ist elektrisch zumindest mit der metallisierten Bohrungswand der Kontaktbohrung verbunden.The pin fills 5 preferably fills the entire through hole 3 and is electrically connected to at least the metallized bore wall of the contact bore.

Hierbei schließt der Stift 5 mit der Oberfläche der Leiterplatte 1 vorzugsweise bündig ab. Der Stift 5 kann auch auf einer oder beiden Seiten über die Oberfläche der Leiterplatte 1 hinausstehen.Here the pin closes 5 with the surface of the circuit board 1 preferably flush. The pencil 5 can also be on one or both sides across the surface of the circuit board 1 stand out.

Gemäß den 1B, 1D oder 1F kann der Stift 5 an einem Ende oder an beiden Enden einen verbreiterten Kopf 6 aufweisen, der auf der Oberfläche der Leiterplatte 1 aufliegt und eine vergrößerte Fläche für die nachfolgende Schweißverbindung bietet.According to the 1B , 1D or 1F can the pen 5 a widened head at one or both ends 6th have on the surface of the circuit board 1 rests and offers an enlarged area for the subsequent welded joint.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der in den 1B, 1D und 1F dargestellte Schweißadapter als Niete ausgebildet sein.According to another embodiment of the invention, the in the 1B , 1D and 1F shown welding adapter be designed as a rivet.

Bei der Niete kann es sich um eine Vollniete oder eine Hohlniete handeln, welche in die Kontaktbohrung 3 der Leiterplatte 1 eingebracht wird. Die Niete kann einseitig oder beidseitig einen verbreiterten Nietenkopf aufweisen.The rivet can be a solid rivet or a hollow rivet, which is inserted into the contact hole 3 the circuit board 1 is introduced. The rivet can have a widened rivet head on one or both sides.

Die Niete wird mechanisch kraftschlüssig und formschlüssig mit der Durchgangsbohrung 3 und der Metallisierung 2 verbunden, so dass ein mechanischer und elektrischer Kontakt mit der Metallisierung 2 der Kontaktbohrung 3 hergestellt wird. Eine zusätzliche Lötverbindung ist möglich.The rivet becomes mechanically non-positive and form-locking with the through hole 3 and metallization 2 connected so that mechanical and electrical contact with the metallization 2 the contact hole 3 will be produced. An additional solder connection is possible.

2 zeigt einen Schnitt durch eine Leiterplatte 1 mit beidseitiger Metallisierung 2 und einem in eine Durchgangsbohrung 3 eingebrachten Schweißadapter in Form eines Stiftes 5. Die Durchgangsbohrung 3 ist als Durchkontaktierung ausgebildet und weist an der Bohrungswandung eine galvanische Metallisierung auf, die mit der dünnen Metallisierung 2 der Leiterplatte 1 leitend verbunden ist. 2 shows a section through a circuit board 1 with metallization on both sides 2 and one in a through hole 3 introduced welding adapter in the form of a pin 5 . The through hole 3 is designed as a plated-through hole and has a galvanic metallization on the wall of the bore, which is connected to the thin metallization 2 the circuit board 1 is conductively connected.

Im dargestellten Beispiel wurde zwischen dem Stift 5 und einem Verbinder 7 aus einer Kupferlegierung eine Schweißverbindung hergestellt. Anstelle eines Verbinders aus einer Kupferlegierung können Verbinder oder elektrische Bauteile mit Anschlüssen aus anderen Metallen, beispielsweise Aluminium, Wolfram, Gold, etc. verwendet werden.In the example shown, between the pin 5 and a connector 7th a welded joint made from a copper alloy. Instead of a connector made of a copper alloy, connectors or electrical components with connections made of other metals, for example aluminum, tungsten, gold, etc., can be used.

Zum Herstellen der Schweißverbindung wird der anzuschweißende Verbinder 7 an den in der Kontaktbohrung 3 der Leiterplatte 1 eingebrachten Pin 5 angelegt, so dass die beiden Schweißpartner sich vorzugsweise berühren.The connector to be welded is used to produce the welded joint 7th to the ones in the contact hole 3 the circuit board 1 introduced pin 5 so that the two welding partners are preferably in contact.

Es wird vorzugsweise eine Laserschweißvorrichtung verwendet, wobei der Schweißkopf an die Überlappungsposition des Verbinders 7 und des Schweißadapters 5 verfahren wird. Der Verbinder 7 wird mittels eines Laserstrahls 8 durch Wärmeleitungsschweißen oder Tiefschweißen mit dem Schweißadapter 5 verbunden.A laser welding device is preferably used with the welding head at the overlap position of the connector 7th and the welding adapter 5 is proceeded. The connector 7th is made by means of a laser beam 8th by conduction welding or deep penetration welding with the welding adapter 5 connected.

Hierbei handelt es sich bei dem Verbinder 7 beispielsweise um ein dickeres Kupferblech, das vom Laserstrahl 8 des Laserschweißkopfes erhitzt wird.This is the connector 7th for example, a thicker sheet of copper that is exposed to the laser beam 8th of the laser welding head is heated.

Um eine reproduzierbare Einschweißtiefe zu ermöglichen, ist i. d. R. eine definierte Pulsleistung als auch eine definierte Pulsdauer notwendig.In order to enable a reproducible welding depth, i. d. Usually a defined pulse power as well as a defined pulse duration are necessary.

Bei einem Durchmesser des Schweißadapters 5 von beispielsweise 1,6 mm, entsprechend dem beispielhaften Durchmesser der Durchgangsbohrung 3 der Leiterplatte 1, kann beispielsweise ein Faserlaser mit einer Leistung von 500 W bis 2 kW verwendet werden. Bei der oben angegebenen Laserleistung beträgt die notwendige Impulsdauer des Lasers beispielsweise 8 bis 12 Millisekunden. Der auf das Werkstück fokussierte Laserpunkt 8 kann einen Durchmesser im Bereich von 100 Mikrometer aufweisen.With a diameter of the welding adapter 5 of, for example, 1.6 mm, corresponding to the exemplary diameter of the through hole 3 the circuit board 1 , for example, a fiber laser with a power of 500 W to 2 kW can be used. With the laser power specified above, the necessary pulse duration of the laser is, for example, 8 to 12 milliseconds. The laser point focused on the workpiece 8th can be on the order of 100 microns in diameter.

Da der Schweißadapter 5 die Kontaktbohrung 3 der Leiterplatte 1 vorzugsweise ganz ausfüllt und eine sehr viel größere Dicke als die Metallisierung 2 aufweist, kann die Einschweißtiefe in den Schweißadapter deutlich größer sein als die Dicke der eigentlichen Metallisierung 2 der Leiterplatte 1. Die beim Schweißen eingetragene Wärmeenergie wird durch die relativ großen Wärmekapazitäten des Verbinders 7und insbesondere des Schweißadapters 5 aufgenommen, so dass die Metallisierung 2 der Leiterplatte 1 durch den Wärmeeintrag nicht beschädigt wird.Because the welding adapter 5 the contact hole 3 the circuit board 1 preferably completely fills and a much greater thickness than the metallization 2 has, the welding depth in the welding adapter can be significantly greater than the thickness of the actual metallization 2 the circuit board 1 . The thermal energy introduced during welding is due to the relatively large thermal capacities of the connector 7 and in particular of the welding adapter 5 added so that the metallization 2 the circuit board 1 is not damaged by the heat input.

Ferner kann der Laserstrahl 8 sowohl zeitlich als auch örtlich moduliert werden, d. h. der Laserstrahl kann in seiner Intensität geregelt werden. Die Impulsform des Lasersignals kann eine rechteckige oder jede beliebige andere Impulsform sein. Außerdem kann der Laserstrahl 8 während des Schweißvorgangs falls notwendig in X und Y Richtung verfahren werden.Furthermore, the laser beam 8th can be modulated temporally as well as spatially, ie the laser beam can be regulated in its intensity. The pulse shape of the laser signal can be a square or any other pulse shape. In addition, the laser beam 8th can be moved in the X and Y directions during the welding process if necessary.

Zur exakten Positionierung des Laserkopfes über dem Schweißadapter 5 wird vorzugsweise mittels eines optischen Verfahrens eine Lageerkennung des Schweißadapters 5 und des Verbinders vorgenommen.For the exact positioning of the laser head over the welding adapter 5 a position detection of the welding adapter is preferably carried out by means of an optical method 5 and the connector.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
LeiterplatteCircuit board
22
MetallisierungMetallization
33
KontaktbohrungContact hole
44th
Galvanische MetallisierungGalvanic metallization
55
Stiftpen
66th
Kopfhead
77th
VerbinderInterconnects
88th
Laserstrahllaser beam
99
PadPad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102015014060 B4 [0004]DE 102015014060 B4 [0004]

Claims (14)

Schweißadapter zum Fügen eines elektrischen Anschlusses (7) an eine dünne Metallisierung (2) auf einem sensiblen Substrat (1) mittels Laserschweißen, bestehend aus einem elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen metallischen Adapter (4, 5, 6, 9), der in eine Kontaktbohrung (3) des Substrats (1) eingebracht oder auf die Metallisierung (2) des Substrats (1) aufgelegt und mit der Metallisierung (2) des Substrats (1) elektrisch verbunden wird und als Schweißpartner für den elektrischen Anschluss (7) dient.Welding adapter for joining an electrical connection (7) to a thin metallization (2) on a sensitive substrate (1) by means of laser welding, consisting of an electrically conductive and thermally conductive metallic adapter (4, 5, 6, 9) which is inserted into a contact hole ( 3) the substrate (1) is introduced or placed on the metallization (2) of the substrate (1) and is electrically connected to the metallization (2) of the substrate (1) and serves as a welding partner for the electrical connection (7). Schweißadapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem metallischen Stift (5) besteht, der in die Kontaktbohrung (3) des Substrats (1) eingebracht und mit der Metallisierung (2) elektrisch verbunden ist.Welding adapter according to Claim 1 , characterized in that it consists of a metallic pin (5) which is introduced into the contact bore (3) of the substrate (1) and is electrically connected to the metallization (2). Schweißadapter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (5) die Kontaktbohrung zumindest teilweise ausfüllt.Welding adapter according to Claim 2 , characterized in that the pin (5) at least partially fills the contact hole. Schweißadapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer metallischen Niete besteht, welche in die Kontaktbohrung (3) des Substrats (1) eingebracht und mit der Metallisierung (2) form- und kraftschlüssig elektrisch verbunden ist.Welding adapter according to Claim 1 , characterized in that it consists of a metallic rivet which is introduced into the contact bore (3) of the substrate (1) and is electrically connected to the metallization (2) in a form-fitting and force-fitting manner. Schweißadapter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Niete eine Vollniete oder Hohlniete ist.Welding adapter according to Claim 4 , characterized in that the rivet is a solid rivet or hollow rivet. Schweißadapter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Niete zusätzlich eingelötet wird.Welding adapter according to Claim 4 , characterized in that the rivet is also soldered in. Schweißadapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer chemisch aufgebrachte Metallisierung (4) besteht, welche die Kontaktbohrung (3) des Substrats (1) zumindest teilweise ausfüllt und mit der Metallisierung (2) verbunden ist.Welding adapter according to Claim 1 , characterized in that it consists of a chemically applied metallization (4) which at least partially fills the contact hole (3) of the substrate (1) and is connected to the metallization (2). Schweißadapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem metallischen Pad (9) besteht, der auf die Metallisierung (2) des Substrats (1) aufgelegt und mit dieser elektrisch verbunden ist.Welding adapter according to Claim 1 , characterized in that it consists of a metallic pad (9) which is placed on the metallization (2) of the substrate (1) and is electrically connected to it. Verfahren zum Laserschweißen einer elektrischen Komponente (7) an eine dünne Metallisierung (2) auf einem sensiblen Substrat (1) unter Verwendung eines Schweißadapters (4, 5, 6, 9) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.Method for laser welding an electrical component (7) to a thin metallization (2) on a sensitive substrate (1) using a welding adapter (4, 5, 6, 9) according to one of the Claims 1 to 7th . Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Schritte: Einbringen eines elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen metallischen Schweißadapters (4, 5) in eine Kontaktbohrung (3) des Substrats (1) oder Auflegen des Schweißadapters (9) auf die Metallisierung (2) des Substrats (1), Elektrisches Verbinden des Schweißadapters (4, 5, 6, 9) mit der Metallisierung (2) des Substrats (1), Positionieren der elektrischen Komponente (7) auf dem Schweißadapter (4, 5, 6, 9) derart, dass sich die beiden Schweißpartner in einem Verbindungsbereich berühren, und Verbinden der elektrischen Komponente (7) mit dem Schweißadapter (4, 5, 6, 9) mittels eines Laserschweißverfahrens.Procedure according to Claim 8 , characterized by the steps of: introducing an electrically conductive and thermally conductive metallic welding adapter (4, 5) into a contact hole (3) of the substrate (1) or placing the welding adapter (9) on the metallization (2) of the substrate (1), electrical Connecting the welding adapter (4, 5, 6, 9) to the metallization (2) of the substrate (1), positioning the electrical component (7) on the welding adapter (4, 5, 6, 9) in such a way that the two welding partners touch in a connection area, and connect the electrical component (7) to the welding adapter (4, 5, 6, 9) by means of a laser welding process. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Punktschweißverfahren eingesetzt wird.Method according to one of the Claims 8 or 9 , characterized in that a spot welding process is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger bzw. Substrat (1) eine elektrische Leiterplatte ist.Method according to one of the Claims 8 to 10 , characterized in that the circuit carrier or substrate (1) is an electrical circuit board. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger bzw. Substrat (1) aus einem metallisierten Kunststoff besteht.Procedure according to Claim 11 , characterized in that the circuit carrier or substrate (1) consists of a metallized plastic. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leiterplatte (1) eine starre oder flexible, einlagige oder mehrlagige Leiterplatte istProcedure according to Claim 11 , characterized in that the electrical circuit board (1) is a rigid or flexible, single-layer or multi-layer circuit board
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