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Die
Erfindung betrifft einen Datenträger
umfassend ein mit dem Datenträger
verbundenes Funktionselement, insbesondere einen kartenförmigen Datenträger wie
Chipkarte, Displaykarte, Multifunktionskarte oder sonstige Smart-Card,
sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Zur
Fixierung von Funktionselementen in Datenträgern, nämlich insbesondere von elektronischen
und mikromechanischen Bauelementen wie Chips, Displays, Batterien,
Solarzellen, Sensoren und dergleichen in Smart-Cards, werden derzeit
vorwiegend spezielle Klebstoffsysteme eingesetzt. Die Art der eingesetzten
Klebstoffe zur Verbindung der Funktionselemente mit dem jeweiligen
Datenträger ist
vielfältig
und reicht von vorlaminierten, heißschmelzenden Klebstoffen (Hot-Melt-Verfahren) über heißflüssige Klebersysteme
(Hot-Liquid-Verfahren), bei denen schmelzflüssige Polymerkleber wie zum Beispiel
Polyurethanschmelzen zum Einsatz kommen, bis hin zu kaltflüssigen Klebersystemen (Cold-Liquid-Verfahren),
bei denen kaltflüssige
Polymerkleber beispielsweise auf Cyanacrylatbasis zum Einsatz kommen.
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Die
bekannten Klebetechniken sind sowohl bezüglich der verwendeten Klebersysteme
als auch bezüglich
der Prozeßtechniken
problematisch. So können
thermische und/oder chemische Prozeßeinflüsse zu Deformationen innerhalb
des Datenträgerverbunds
führen
und dadurch die Kartenkörperqualität beieinträchtigen.
Darüber
hinaus kann eine Überdosierung
des Klebstoffs zum Ausquetschen und Heraustreten des Klebstoffs
an der Datenträgeroberfläche führen. Eine
Unterdosierung im kann dazu führen,
daß kein
oder nur ein unzureichender Klebekontakt hergestellt wird.
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Eine
ausreichende Verbundfestigkeit zwischen Funktionselement und Datenträger ist
in der Regel nur durch relativ große Klebeflächen erreichbar. Der für den Klebeverbund
zur Verfügung
stehende Raum ist aber in der Regel sehr beschränkt. Um trotz dieser räumlichen
Beschränkung
eine zuverlässige
Klebeverbindung zu erzielen, sind daher besonders hohe Anforderungen
an die Fügeflächen zu
stellen. In diesem Zusammenhang können aufwendige Oberflächenvorbehandlungen
notwendig sein.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit dem sich Funktionselemente in einfacher Weise zuverlässig in einem
Datenträger
fixieren lassen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen entsprechenden
Datenträger
mit einem oder mehreren derart fixierten Funktionselementen zur
Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgaben werden durch einen Datenträger und ein Verfahren zu dessen
Herstellung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. In davon
abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
angegeben.
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Dementsprechend
werden das Funktionselement und der Datenträger mittels Laserdurchstrahlverschweißung miteinander
verbunden. Auf zusätzliche
Klebstoffe kann bei dieser Verbindungsart verzichtet werden. Auch
die thermische Belastung des Datenträgers ist gering und durch eine
exakte Laserstrahlsteuerung lokal eng begrenzbar. Beeinträchtigungen
der Kartenkörperqualität durch
Deformationen lassen sich dadurch weitgehend vermeiden. Auch die
Funktionselemente selbst, die bisweilen sehr empfindliche elektronische
und mikromechanische Bauelemente umfassen, werden durch diese Verbindungsart
geschont. Darüber
hinaus lassen sich mittels der Laserdurchstrahlschweißtechnologie hochpräzise Verbundnähte erzeugen.
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Diese
Technologie basiert auf einer exakten Prozeßsteuerung und läßt sich
daher relativ einfach und vollständig
automatisieren, wodurch sie für
steigende Anforderungen zukünftiger
Multifunktions-Smart-Cards Bedeutung gewinnen kann. Bei hoher Prozeß- und Qualitätssicherheit
lassen sich durch robotergestützte
Verfahrenstechniken filigrane Nahtgeometrien erzeugen.
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Die
Technologie des Laserdurchstrahlschweißens ist nicht grundsätzlich neu,
hat bislang aber noch keinen Eingang in die Datenträgerherstellung
gefunden. Ein grundsätzliches
Hindernis mag unter anderem darin gelegen haben, daß die Materialeigenschaften
der bisherigen Datenträger
und/oder Funktionselemente nicht im notwendigen Maß aufeinander
abgestimmt waren. Denn Voraussetzung für die lasertechnische Verschweißung zweier
Fügeteile
ist, daß die
miteinander zu verschweißenden Grenzflächen unterschiedliche
Laserstrahldurchlässigkeit
besitzen. Die eine Grenzfläche
muß für die Laserstrahlung
transparent und die andere Grenzfläche für die selbe Strahlung absorbierend
sein. Bei optimaler Abstimmung der Spektraleigenschaften der Fügeteile
dringt die Laserenergie durch das transparente Fügeteil hindurch und in das
absorbierende Fügeteil
mit einer Tiefenwirkung von 50 μm
bis 300 μm ein – je nach
eingebrachter Laserenergie und Absorptionsfähigkeit des Fügeteilmaterials.
Darin wird die Laserenergie in Wärmeenergie
umgewandelt, wodurch eine Oberflächenschmelze
entsteht. Durch diese Schmelze wird die anliegende Oberfläche des für die Laserstrahlung
transparenten Fügeteils
mit einer Tiefenwirkung von lediglich etwa 20 μm bis 50 μm miterwärmt und aufgeschmolzen. Beide
Berührungsgrenzflächen, die
unter leichtem Druck gegeneinander anliegen, werden auf diese Weise
miteinander verschmolzen, so daß eine
innige Materialverbindung entsteht, die lokal exakt begrenzt ist
und flächig oder
nahtförmig
oder punktförmig
ausgebildet werden kann.
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Als
Laserquelle sind beispielsweise Diodenlaser geeignet, insbesondere
Laser mit einer Strahlungswellenlänge zwischen 800 nm und 1000
nm.
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Die
in der Kartentechnologie gängigen Kunststoffe
wie PVC, ABS, PET, PC etc. sind nicht immer für das Laserdurchstrahlschweißen geeignet. Sie
können
aber durch den Einsatz entsprechender Additive oder durch geeignete
Wahl ihrer Schichtdicken laserstrahlgeeignet adaptiert werden. So
lassen sich zum Beispiel transparente Kunststoffe, die in der Regel
auch für
die Laserstrahlung transparent sind, durch Zusatzstoffe laserstrahlabsorbierend
machen, wenn dies wegen der speziellen Materialpaarung mit der Grenzfläche eines
angrenzenden laserstrahldurchlässigen
Fügeteils
notwendig ist. Die Entwicklung geeigneter Compounds zur Herstellung
derartiger Kunststoffe stellt grundsätzlich kein Problem dar. Andererseits
ist es möglich,
die Schichtdicke eines Fügeteils,
welches an sich aus einem für
die Laserstrahlung absorbierenden Material besteht, so dünn zu wählen, daß die Laserstrahlung
diese Schicht im wesentlichen ohne Energieverlust durchdringt und erst
in der daran angrenzenden Schicht des entsprechend anderen Fügeteils
absorbiert und in Wärme umgewandelt
wird.
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Im
Falle der Adaption des Kunststoffmaterials einer oder beider Fügeteile
derart, daß die
Fügeteile
miteinander im Laserdurchstrahlverfahren verschweißbar sind,
ist darauf zu achten, daß die
Qualitätsstandards
für die
Kartentechnologie eingehalten werden, insbesondere in Bezug auf
die optischen Eigenschaften wie zum Beispiel der Weißgrad oder Transparenzgrad
des Kunststoffs, die Laminiereigenschaften, die Bedruckeigenschaften
sowie die mechanischen und die thermischen Eigenschaften. Sofern
ein an das Laserdurchstrahlverfahren adaptiertes Kunststoffmaterial
eines oder mehrerer Fügeteile diesen
Qualitätsstandards
nicht mehr entspricht, ist es vorteilthaft, den Datenträger und/oder
das Funktionselement lediglich lokal an der Ver bindungsfläche mit
geeignetem Material auszustatten, so daß die für die Kartentechnik und für die Funktionselementetechnik
notwendigen Materialspezifikationen unverändert erhalten bleiben.
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So
ist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eine für
die Laserdurchstrahlverschweißung
speziell angepaßte
Einlagefolie oder ein Einlagering im Inneren des Datenträgers vorgesehen,
mit dem das Funktionselement verschweißt wird.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Funktionselement an seiner Verbindungsfläche zum
Datenträger
mit einer für
die Laserdurchstrahlverschweißung
speziell angepaßten
Schicht versehen, um das Funktionselement mit dem Datenträger verschweißen zu können.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen
beschrieben. Darin zeigen:
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1 die Fixierung eines Funktionselements
in einem Datenträger
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung schematisch im Querschnitt,
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2 die Fixierung eines Funktionselements
in einem Datenträger
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung schematisch im Querschnitt,
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3 die Fixierung eines Funktionselements
in einem Datenträger
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung schematisch im Querschnitt,
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4 die Fixierung eines Funktionselements
in einem Datenträger
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung schematisch im Querschnitt,
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5 ein speziell angepaßtes Funktionselement
im Querschnitt zur Fixierung in einem Datenträger,
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6 die Fixierung eines Funktionselements
in einem Datenträger
gemäß einer
fünften Ausführungsform
der Erfindung schematisch im Querschnitt und
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7 zwei Varianten zur Fixierung
eines Funktionselements in einem Datenträger gemäß einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung schematisch im Querschnitt.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur
Fixierung eines Funktionselements 2 in einer Kavität 3 eines
Kartenkörpers 1.
Der Boden der Kavität 3 des
Kartenkörpers 1 wird
durch eine Datenträgerdeckschicht 4 gebildet,
an die das Funktionselement 2 mit seiner Verbindungsfläche 5 angrenzt.
Die Deckschicht 4 ist für
die zur Laserdurchstrahlverschweißung verwendete Laserstrahlung
durchlässig,
indem sie entweder für
diese Strahlung grundsätzlich
transparent ist oder indem sie so dünn ausgebildet ist, daß sie von
der Laserstrahlung nahezu verlustfrei durchdrungen wird. Die Verbindungsfläche 5 des
Funktionselements 2 besteht dementsprechend aus einer laserabsorbierenden
Kunststoffschicht 5. Diese Kunststoffschicht 5 kann
auf verschiedene Weise auf dem Funktionselement 2 erzeugt
werden, wie zum Beispiel im Zweikomponentenspritzgußverfahren,
im Folienlaminierverfahren, im Lackauftragsverfahren oder im Schmelzauftragsverfahren,
je nach dem, welches Verfahren für
das jeweilige Funktionsmodul am geeignetsten erscheint.
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Nachdem
das Funktionselement 2 in die Kavität 3 des Kartenkörpers 1 eingesetzt
worden ist, wird es mittels einem Andruckstempel 6 unter
leichtem Druck in der Kavität 3 fixiert,
während
gleichzeitig von der gegenüberliegenden
Seite Laserenergie 7 durch die laserdurchlässige Deckschicht 4 hindurch auf
die laserabsorbierende Beschichtung 5 des Funktionselements 2 gestrahlt
wird. Die Bestrahlung kann vollflächig oder lokal begrenzt entlang
einer definierten Verbindungslinie oder an einem oder mehreren Stellen
punktförmig
erfolgen. In jedem Falle tritt in dem bestrahlten Bereich 8 eine
Materialverschmelzung zwischen der laserabsorbierenden Beschichtung 5 des
Funktionselements 2 und der laserdurchlässigen Deckschicht 4 ein,
wodurch das Funktionselement 2 zuverlässig in der Kavität 3 des
Kartenkörpers 1 fixiert
wird. Durch die lokal begrenzte Zuführung der Laserenergie und
der dadurch lokal begrenzten Schmelzzone mit geringer Tiefenwirkung bleibt
die Oberfläche
der Deckschicht 4 in unbeschädigtem und optisch einwandfreiem
Zustand. Es treten keine mechanischen Verquetschungen oder chemischen
bzw. thermischen Verwerfungen auf. Auch gibt es keinerlei funktionale
Schädigungen
im Inneren des Funktionselements 2, da die Laserenergie
in der Tiefenwirkung exakt begrenzt ist. Notwendigenfalls ist die
Dicke der laserabsorbierenden Beschichtung 5 derart anzupassen,
daß eine
thermische Beeinträchtigung
des Funktionselements 2 ausgeschlossen ist.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeipiel der
Erfindung. In diesem Falle wird der Kartenkörper durch eine Einlagefolie 11 gebildet,
die zwischen zwei Deckschichten 4 und 12 liegt
und für
Laserstrahlung absorbierend ist. Eine zweistufige Kavität 3 ist
in der Einlagefolie 11 und einer angrenzenden Deckschicht 4 zur
Implantation eines Funktionselements 2 vorgesehen. Die laserabsorbierende
Einlagefolie 11 bildet eine Auflageschulter 9,
auf der das Funktionselement 2 mit einem das Funktionselement 2 seitlich überragenden
Kragen 10 aufliegt. Zumindest dieser seitlich überstehende
Kragen 10 ist für
die zum Laserdurchstrahlverschweißen verwendete Laserstrahlung
durchlässig.
Die Fixierung des Funktionselements 2 erfolgt dann ähnlich wie
im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 derart, daß das Funktionselement 2 in
die Kavität 3 mit
leichtem Druck so angepreßt wird,
daß der
Kragen 10 zuverlässig
auf der Auflageschulter 9 aufliegt. Gleichzeitig wird Laserenergie durch
den laserdurchlässigen
Kragen 10 hindurch auf die Auflageschulter der laserabsorbierenden
Einlagefolie 11 gestrahlt, wodurch das Material der Einlagefolie 11 an
seiner Oberfläche
aufgeschmolzen wird und mit dem angrenzenden, ebenfalls aufschmelzenden
Kragen 10 eine feste Verbindung eingeht.
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Da
bei diesem Ausführungsbeispiel
keine der beiden Deckschichten 4, 12 von Laserstrahlung durchdrungen
wird, können
die Materialspezifikationen dieser Deckschichten für die Kartentechnik
unverändert
erhalten bleiben.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, welches sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 im wesentlichen lediglich
dadurch unterscheidet, daß die
laserabsorbierende Einlagefolie 11 als flexible Einlagefolie
ausgebildet ist, die zwischen einem Kartenkörper 1 und einer Deckschicht 12 liegt.
Die Dicke der Einlagefolie und die Laserenergie sind so aufeinander
abgestimmt, daß die
Einlagefolie im bestrahlten Bereich vollständig aufschmilzt und eine feste
Verbindung sowohl mit dem angrenzenden Kragen 10 des Funktionselements 2 als
auch mit der an der gegenüberliegenden Seite
angrenzenden Auflageschulter 9 des Kartenkörpers 1 verschmilzt.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der
Erfindung. In diesem Falle ist ein für Laserstrahlung absorbierender
Einlagering 13 in eine Kavität 3 eines Kartenkörpers 1 integriert,
beispielsweise durch Umspritzen. Dadurch ergibt sich eine zweistufige
Kavität 3 mit
einer durch den Einlagering 13 ge-bildeten Auflageschulter 9,
die mit einem Kragen 10 des Funktionselements 2 in
derselben Weise verschweißt
wird, wie dies in Bezug auf das Ausführungsbeispiel gemäß 2 beschrieben wurde. Indem
der Einlagering 13 mit laserabsorbierenden Eigenschaften
in den Kartenkörper 1 integriert
ist, wird erreicht, daß die
spezifischen Materialeigenschaften des Kartenkörpers 1 unverändert für die Kartentechnik
erhalten bleiben können.
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5 zeigt als Beispiel für ein Funktionselement 2 ein
Chipmodul 14, welches für
das Laserdurchstrahlschweißen
speziell angepaßt
ist. Das Chipmodul 14 basiert auf einem Leadframe 15 oder einem
sonstigen Träger,
welcher Aussparungen besitzt, die mit einem speziell für das Laserdurchstrahlschweißen angepaßten Kunststoff
aufgefüllt
sind, um Fixierstellen 16 zum Verschweißen mit einem Kartenkörper zu
bilden. Je nach Bedarf können
die Fixierstellen 16 für
die Laserstrahlung absorbierend oder durchlässig ausgebildet sein.
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6 zeigt ein Funktionselement 2 mit
einem dem Chipmodul 14 aus 5 entsprechenden Aufbau
in einer vollständig
geschlossenen Kavität zwischen
zwei Kartenkörperschichten 17, 18.
Das Funktionselement 2 besitzt einen Kragen 10 aus
laserabsorbierendem Material. Angrenzend an den Kragen 10 weist
eine der beiden Kartenkörperschichten 17, 18 einen
Bereich 19 auf, der für
die Laserstrahlung durchlässig
ist. Die beiden Kartenkörperschichten 17, 18 werden
dann mit leichtem Druck gegeneinander gepreßt, so daß der Kragen 10 des Funktionselements 2 und
der laserstrahldurchlässige Bereich 19 der
Kartenkörperschicht 18 aneinander grenzen.
Gleichzeitig wird Laser energie durch den laserstrahldurchlässigen Bereich 19 auf
den laserstrahlabsorbierenden Kragen 10 gestrahlt. Die
Dicke des Kragens 10 und die Laserstrahlenergie können wiederum
so aufeinander abgestimmt sein, daß der Kragen 10 vollständig aufgeschmolzen
wird und sowohl mit der angrenzenden Kartenkörperschicht 18 als
auch mit der auf der gegenüberliegenden
Seite angrenzenden Kartenkörperschicht 17 eine
feste Schweißverbindung
eingeht.
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7 zeigt in einer Darstellung
zwei Varianten eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Dieses Ausführungsbeispiel
kombiniert das Ausführungsbeispiel
gemäß 1, wo die Laserstrahlung
durch eine für
die Strahlung transparente Deckschicht hindurchgestrahlt wird, mit
den Ausführungsbeispielen
gemäß 2 bzw. 6, wo das Funktionselement 2 über einen
laserdurchlässigen bzw. über einen
laserabsorbierenden Kragen 10 auf einer Auflageschulter 9 der
Kavität 3 aufliegen.
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Gemäß der im
linken Teil der 7 dargestellten
Variante sind sowohl die Deckschicht 12 als auch der Kragen 10 des
Funktionselements 2 für
die Laserstrahlung durchlässig,
und der daran angrenzende Kartenkörper 1 ist jedenfalls
im Bereich der Auflageschulter 9 für die Laserstrahlung absorbierend.
Die Verschweißung
erfolgt dann wie in den vorherigen Beispielen unter leichtem Druck
bei gleichzeitigem Bestrahlen der laserabsorbierenden Auflageschulter 9 durch
die Deckschicht 12 und den Kragen 10 des Funktionselements 2 hindurch
mit Laserenergie, die zum Aufschmelzen der Auflageschulter 9 im
bestrahlten Bereich führt.
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Demgegenüber erfolgt
die Verbindung des Funktionselements 2 bei der im rechten
Teil der 7 dargestellten
Variante durch Bestrahlen des für
Laserstrahlung absorbierenden Kragens 10 des Funktionselements 2 durch
die für die
Laserstrahlung durchlässige
Deckschicht 12 hindurch derart, daß der Kragen 10 vollständig oder
zumindest an der der Deckschicht 12 zugewandten Seite aufschmilzt
und dementsprechend zumindest mit der Deckschicht 12 eine
feste Verbindung eingeht.
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Die
Laserdurchstrahlschweißverbindung führt somit
bei allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen
dazu, daß zumindest
eine der beiden miteinander verschweißten Schichten – in der
Regel beide Schichten – nur
bis zu einer bestimmten Tiefe aufgeschmolzen werden, so daß sich die
resultierende Schweißnaht
unabhängig
davon, ob sie flächig,
linienförmig,
punktuell oder in einer sonstigen Form ausgebildet ist, nur bis
in die entsprechende Tiefe der Schicht bzw. Schichten erstreckt.
Rückseitig
bleibt die betreffende Schicht unbeeinflußt, so daß die Schweißverbindung
von außen
nicht sichtbar ist.
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Das
schließt
aber nicht aus, daß gegebenenfalls
auch beide miteinander zu verschweißenden Schichten beim Laserdurchstrahlverschweißen vollständig oder
nahezu vollständig
aufgeschmolzen werden, wenn die Schichtdicken und die Laserstrahlenergie
entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Das vollständige Aufschmelzen
einer oder beider Schichten ist immer dann unkritisch, wenn an die
außenliegende
aufgeschmolzene Oberfläche
keine besonderen – insbesonders
keine besonderen optischen – Anforderungen
gestellt werden, weil beispielsweise ohnehin noch eine zusätzliche
Deckschicht aufgebracht wird.