DE3390451C2

DE3390451C2 - Verfahren zum Laser-L¦ten

Info

Publication number: DE3390451C2
Application number: DE19833390451
Authority: DE
Inventors: David Grenn
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1983-01-24
Filing date: 1983-01-24
Publication date: 1989-05-11
Also published as: GB8423754D0; GB2143759B; DE3390451T1; JPS60500204A; GB2143759A; WO1984002867A1; JPH0243578B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung unter Verwendung eines Laserstrahls der durch den Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung

Bei einem aus der DE-OS 27 25 231 bekannten Verfahren dieser Art wird das Anlöten von Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung an eine keramische Substanz unter Verwendung eines Zinn/ Blei/Silber-Lotes durchgeführt, das in Form von Lothöckern einzelne Lötstellen bildet, auf welche mit einem optischen Baustein durch Zerlegung des Laserstrahls erhaltene Teil strahlen fokussiert werden. Die Lötverbindung wird dabei auf einer beheizbaren Werkstückauflage durchgeführt, mit der die keramische Substanz für ihre Verbindung mit der gedruckten Schaltung auf etwa 100°C vorgewärmt wird, wenn das Anlöten mit einem 45-Watt-YAG-Laser gleichzeitig an etwa sechs bis sieben Lötstellen über eine Lötzeit von etwa 1 Sekunde durchgeführt wird.

Aus der US-PS 42 30 930 ist für ein gattungsfremdes Verfahren des Laserstrahlschweißens bekannt, daß dafür der Laserstrahl bei Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von 127 mm auf einen Abstand von beispielsweise 15,2 mm seine Brenn punktes von der Schweißstelle defokussiert wird, wenn die Schweißverbindung mit einem Laserstrahl einer Leistung von etwa 850 Watt für einen Nickel/Chrom-Draht durchgeführt wird, der bei einer gegen die Umgebung wirksamen Abschirmung mit einer Stickstoffströmung an die Spitze eines aus Stahl be stehenden Anschlußstiftes angeschweißt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der durch den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung bereitzustellen, das beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie auf Lötverbindungen mit größer dimen sionierten Stromleitern anwendbar ist, die auch für Lötan ordnungen in Frage kommen können, welche für das Anlöten dieser Stromleiter nicht unmittelbar einsehbar sind und somit auch beispielsweise in ein Gehäuse aus einem nichtleitenden Material eingekapselt sein können.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile ergeben sich aus dessen folgender detaillierter Erläuterung an Hand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt eine Fotographie eines mikroelektronischen Bauteils, das mehrere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Lötverbindungen aufweist.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Fotografie einiger Stromleiter der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Schnittansicht eines Teils des Gerätes und Fig. 1 mit der Darstellung einer gelöteten Ver bindung und einer Einlage (Fig. 3a), dargestellt mit einer Draufsicht auf die Lötverbindung.

Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Veränderung der Einschaltzeit des Strahls in Abhängigkeit von dem Wärmestrom unter verschiedenen Kombinationen, wobei der schraffierte Bereich die bei Verwendung annehmbaren Fer tigungskombinationen aufweist.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm für die Wärmeverteilung bei verschiedenen Materialien, welche die Lötverbindung der Fig. 2 bilden.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Gauss- Energiestrahlverteilung über dem Lotkissen.

Fig. 7 zeigt eine grafische Darstellung des kritischen Temperatur- Halbmessers, der sich als eine Funktion der Einschaltzeit des Strahls bei verschiedenen Höhen des Wärmestroms ver ändert.

Fig. 8 zeigt eine grafische Darstellung des Wärmestroms des Strahls als eine Funktion der Temperatur der Lötstelle bei veschiedenen Vorwärmtemperaturen.

Für das Anlöten von Stromleitern an eine gedruckte Schaltung wurde die Anwendung bei einem Zündmodul berücksichtigt, der das Starten einer Brennkraftmaschine steuern kann. Der Zünd modul ist in den Fig. 1 und 3 gezeigt und in der US-PS 44 70 648 näher beschrieben.

Der hier berücksichtigte Zündmodul 10 umfaßt im wesentlichen einen ringförmigen Leiterrahmen 11, der in ein aus Kunststoff bestehendes ringförmiges Gehäuse 12 eingekapselt oder einge bettet ist und Stromleiter 13 aufweist, die an den Seiten des Gehäuses nach innen vorstehen und nach unten durchhängen. Es sind neun Stromleiter vorhanden, die nach innen vorstehen und an eine gedruckte Schaltung 14 angelötet werden müssen, die sich auf einem keramischen Substrat 15 befindet und unterhalb der oberen Gehäuseöffnung zurückversetzt angeordnet ist. Das Substrat besteht aus Aluminiumoxid mit einem Anteil von 75% und aus Berylliumoxid im restlichen Anteil und ist an einer abstützenden Aluminiumplatte 16 verklebt, die als eine Wärme senke wirkt.

Jeder Stromleiter 13 besteht aus einer Messinglitze aus 70% Kupfer und 30% Zink und ist an einem vorstehenden Abschnitt mit einer U-förmigen Krümmung 17 versehen, die in einem Fuß 18 endet, der an einen Bereich 14 a der gedruckten Schaltung 14 anzulöten ist. Der Fuß 18 hat einen flachen Querschnitt mit einer Breite von 10,16 mm und einer Dicke von 0,2286 mm. Neben dem Stromleiter 13 befinden sich elektronische Kompo nenten, wie Widerstände 19, Kondensatoren 20 und eine elek trisches Chip 21.

Das Aluminiumoxid des keramischen Substrats 15 besteht nominell aus 94% Al₂O₃ und wird mit einer Dicke von etwa 0,5 mm verwendet. Das Berylliumoxid besteht nominell aus 99,5% minimalem BeO und weist eine Dicke von etwa 0,5 mm auf. Die Aluminiumplatte 16 besteht aus einer AA3003H14-Aluminiumlegierung und wird mit einer Dicke von etwa 1,5244 mm verwendet. Die Stromleiter 13 haben eine Breite 22 größer als 0,762 mm und weisen einen flachen rechteckigen Querschnitt von beispielsweise 1,016 mm×0,2286 auf. Um eine feste Lotver bindung an dem Leiterfuß 18 zu erhalten, wird im wesentlichen wie folgt vorgegangen:

1. Auf dem keramischen Substrat 15 wird zunächst die gedruckte Schaltung angelegt und dann ein Lotkissen 24 an einen Bereich 14 a angedrückt. Das Lotkissen kann im Siebdruckverfahren aufgebracht und mit einem Lot gebildet werden, das aus 10% Zinn, 88% Blei und 2% Silber besteht. Das Lotkissen 24 ist so geformt, daß es eine im wesentliche flache Grenzfläche 25 (mit Ausnahme einer Krümmung als Folge der Oberflächen spannung) mit einer Breite größer als die Breite des Strom leiters 13 aufweist. Jedes Lotkissen 24 hat eine rechteckige Form mit einer Breite von 2,032 mm, einer Länge von 2,5 mm und einer Höhe von 0,15244 mm.
2. Der Stromleiter 13 wird mit der Unterseite 23 des Leiter fußes 18 gegen die Oberfläche 25 des Lotkissens 24 mit einer Druckkraft von 50 bis 150 g gedrückt. Es ist wichtig, daß das Lotkissen 24 eine Breite hat, die größer als die Breite 22 des Stromleiters 13 ist. Die Grenzfläche des Stromleiters hat eine Breite von mehr als 0,762 mm. Um die Druckkraft ausüben zu können, ist der Stromleiter entsprechend der Darstellung in den Fig. 2 und 3 mit einer U-förmigen Krümmung 17 versehen, wodurch eine federnde Vorspannung in bezug auf die Oberfläche 25 erhalten wird.
3. Ein defokussierter Laserstrahl wird auf die Lötstelle aus gerichtet. Der Strahl soll einen Wärmestrom von wenigstens 100 Watt, einen Auftreffdurchmesser 27 von nicht weniger als die Breite 22 des Stromleiters 13 und nicht mehr als die Kissenbreite sowie eine Einschaltzeit haben, die ausreicht, um an der Lötstelle einen bestimmten Bereich zu erschmelzen, dessen Halbmesser eine Lotverbindung für den Stromleiterfuß 18 mit einer Festigkeit von wenigstens 400 g ergibt.

Der für das Ausführungsbeispiel verwendete Laserstrahl 28 wurde mit einem 370-Watt-CO₂-Lasergerät erhalten und an einer Stelle fokussiert, die einen Abstand 30 von 10,16 mm oberhalb der Lötstelle hatte. Der Strahl wurde von oben her auf den Leiterfuß 18 und das Lotkissen 24 ausgerichtet, wobei diese Ausrichtung mit der Mittelachse des Laserstrahls auf den Massenmittelpunkt 31 des Leiterfußes und auf die Mitte 32 des Lotkissens vorgenommen wurde. Eine kleine Menge eines Lot flußmittels, wie ein nichtaktiviertes Kollophonium-Mikroflußmittel, war auf die Fläche zwischen den Lotflächen vor dem Löten aufgebracht worden.

Die Lötstelle war auf 150°C vorgewärmt worden, um damit den Wärmestrom zu erniedrigen und die Möglichkeit eines ther mischen Schocks auszuschließen. Eine koaxiale Stickstoff- Strömung wurde verwendet, um (a) die Lötfläche gegen eine Qxidation abzuschirmen und damit die Lötverbindung vor einer schwarzen Beschichtung zu schützen, und (b) die Fokussierlinse vor einer Vernebelung durch Rauch zu schützen. Der Strahl hatte beim Austritt aus dem Lasergerät einen Durch messer von etwa 15,244 mm und wurde oberhalb der Lötstelle derart defokussiert, daß ein Auftreffdurchmesser an der Löt stelle zwischen 0,762 und 2,032 mm erhalten wurde. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Auftreffdurchmesser von 1,27 bis 1,5244 mm erzielt.

Experimentell wurde ermittelt, daß Lötverbindungen mit einer Festigkeit von 2000 g und mehr zu erhalten sind, wenn mit einem Wärmestrom des Laserstrahls von wenigestens 100 Watt bis zu 500 Watt und mit einer Einschaltzeit zwischen 0,005 und 0,25 Sekunden gearbeitet wird. Das Schaubild der Fig. 4 veranschaulicht für einen Auftreffdurchmesser von 1,5244 mm mit dem schraffierten Bereich die für eine Fertigung tolerierbaren Kombinationen dieser beiden Parameter, um eine Lötnaht 33 für die Lötverbindung zu erhalten, ohne daß das gesamte Lötkissen oder das Substrat erschmolzen werden muß.

Bei Proben, die nur eine Raumtemperatur aufwiesen und nicht vorgewärmt wurden, wurde eine längere Einschaltzeit des Laser strahls oder ein höherer Wärmestrom als bei vorgewärmten Proben benötigt. Eine Probe mit Raumtemperatur erforderte 50 bis 75% mehr Wärmestrom als eine auf 150°C vorerwärmte Probe bei der gleichen Einschaltzeit. Die Lötstelle sollte daher vorzugsweise auf eine Temperatur von wenigstens 100°C vorgewärmt werden. Bei dieser Temperatur kann gemäß dem Schau bild der Fig. 8 um 25% im Vergleich zu einer Raumtemperatur (20°C) aufweisenden Lötstelle verringert werden.

Das Energieerfordernis oder die Stromhöhe des Laserstrahls kann durch eine Vergrößerung des Oberflächenabsorptionsver mögens der Lötstelle verringert werden. So kann die Strom höhe beispielsweise von 400 Watt auf 200 Watt verringert werden, wenn der Fuß des Stromleiters mit einer schwarzen Beschichtung versehen wird oder die Abschirmung mit dem Stickstoff nicht vorgesehen wird.

Die Wirkung des Laserstrahls während der Einschaltzeit ist diejenige, daß für die Bildung einer befriedigenden Lötnaht die minimale Zeit fortschreitend verkleinert wird, während sich der Durchmesser des auftretenden Strahls vergrößert. Der größte Zeitbereich wird dann zur Erzielung befriedigender Verbindungen erhalten, wenn der Auftreffdurchmesser des Strahls etwa 1,27 mm beträgt. Ein übermäßig großer Auftreffdurch messer von beispielsweise 2,159 mm verursacht in der Kombi nation mit einer langen Einschaltzeit von beispielsweise 0,3 Sekunden das Problem einer Reflexion des Strahls. Eine solche Reflexion ergibt eine Beschädigung durch Wärme der benachbarten Komponenten, wie Widerstände und Kondensatoren. Das Pro blem der Reflexion kann durch Verwendung eines geeigneten defokussierten Strahls (geeigneten Auftreffdurchmessers) und eine Anordnung des Brennpunktes oberhalb der Lötstelle ver ringert werden. Die Strömung eines Schutzgases vergrößert den Stromverbrauch. Ohne ein Schutzgas wird jedoch durch das ver brannte Flußmittel eine schwarze Ablagerung erzeugt. Da die schwarze Ablagerung nicht leicht entfernt werden kann, empfiehlt sich die Verwendung eines Schutzgases. Eine beruhigte Strömung von Stickstoff wird als geeignet angesehen, um ein Verbrennen oder ein Verkohlen des Flußmittels zu ver hindern.

Der Auftreffdurchmesser des Strahls definiert die Größe des Strahls beim Auftreffen auf dem Werkstück. Dieser Durchmesser allein kann jedoch nicht dazu genutzt werden, die Menge der geleisteten thermischen Arbeit vorherzusagen. Wenn beispielsweise Löcher mit Laserstrahlen in verschiedenen Materialien gebohrt werden, wie beispielsweise Glas, dann ist das gebohrte Loch von dem Auftreffdurchmesser des Strahls auf das Glas material ständig verschieden. Der kritische Temperatur-Halb messer nach der erfindungsgemäßen Definition ist der Radius einer Fläche auf dem Werkstück, innerhalb von welcher die gewünschte thermische Wirkung erzielt wird. Er veranschaulicht den Radius der Schmelzfläche beim Löten.

Um eine mathematische Beziehung zu erhalten, die einen genauen kritischen Temperatur-Halbmesser zur Verfügung stellt, ist eine Analyse der Eingangs-Wärmeverteilung erforderlich. Ein einfaches thermischen Modell einer eindimensionalen Erwärmung und ein Gauss-Strahlenprofil können für die Analyse voraus gesetzt werden. Wenn ein Laserstrahl auf eine metallische absorbierende Fläche auftrifft, dann wird das Laserlicht durch das Zusammenwirken mit Elektronen absorbiert. Ein Quantum optischer Energie wird durch ein Elektron absorbiert, das seine Energie durch eine Kollision mit Gitter-Phononen und anderen Elektronen verbraucht. Da die mittlere freie Zeit zwischen der Kollision der Elektronen in der Größenordnung von 10^-12 bis 10^-13 Sekunden beträgt, kann vorausgesetzt werden, daß die optische Energie nahezu sofort in Wärme umge wandelt wird. Die Durchdringungstiefe des Lichtfeldes bei einem guten Leiter liegt im Bereich von 10^-6 cm oder 10 bis 100 Atomschichten. Die Absorption findet daher an der Ober fläche statt.

Um die Analyse der Wärmeströmung des Systems weiter zu vereinfachen, werden weitere Voraussetzungen eingeführt: (a) die thermischen Eigenschaften der Materialien und der thermische Widerstand erfahren keinen Wechsel mit der Temperatur, (b) die Konvektions- und Strahlungsverluste sind vernachlässigbar, (c) die Wärmeströmung ist eindimensional, (d) das Lotkissen besitzt eine gleichmäßige Temperatur über seine gesamte Dicke und (e) die Aluminiumunterlage bildet eine Wärmesenke. Mit diesen Voraussetzungen und der Darstellung in Fig. 5 kann das System in zwei Komponenten der Wärmeströmung aufgeteilt werden: gesammelte Wärme und abgeführte Wärme. Der Wärmeeingang q wird teilweise in dem Lotkissen (q _s) und teilweise in dem Aluminiumsubstrat (q _A) gesammelt. Eine restliche Wärme wird durch die Wärmesenke q₃ (Aluminiumsplatte) abgeführt. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist T₂ die mittlere Temperatur des Alu miniumsubstrats über die Dicke. Wird innerhalb des Aluminium substrats ein parabolisches Temperaturprofil angenommen, dann ist die mittlere Temperatur T₂ des Substrats durch die Be ziehung T₂=T₁/3 angegeben. Der Energieausgleich des Wärme strömungssystems in Fig. 6 führt zu einer ersten Differential gleichung:

q = q _s + q _A + q₃

wobei:
C₁ = Wärmekapazität des Lotkissens
C₂ = Wärmekapazität des keramischen Substrats.

Wenn eine weitere Menge q _c als die Rate der Wärmeströmung pro Einheitsfläche eingeführt wird, die benötigt wird, um die Löttemperatur von T₁ auf T _m in t _c Sekunden zu bringen, dann kann mit dieser Gleichung eine Auflösung für T₁ zusammen mit der folgenden Gleichung vorgenommen werden:

Wenn das Lot die Temperatur T _m erreicht, dann wird zum Schmelzen des Lotes zusätzliche Energie benötigt, und diese zusätzliche Energie kann durch eine Einschaltzeit des Strahls bereit gestellt werden, die um etwa 3% länger als die Zeit t _c ist.

Der Halbmesser eines Gauss-Strahls wird normal als der Halb messer definiert, bei welchem die Intensität von dem Spitzen wert auf 1/e² abfällt (86,5% der gesamten Strahlenenergie ist innerhalb der Fläche dieses Halbmessers enthalten). Das Intensitätsprofil eines Gauss-Strahles ist in Fig. 6 dargestellt. Wenn ein Gauss-Strahl einen Auftreffpunkt vom Halb messer c an dem Lotkissen in der Darstellung gemäß Fig. 6 zum Schmelzen bringt, dann ist die Strahlenintensität an der Kante des Schmelzpunktes durch die folgende Gleichung gegeben:

Dieser Radius c wird als der kritische thermische Halbmesser ausgewählt, weil er die Fläche definiert, wo die gewünschte thermische Wirkung erzielt wird. Unter Verwendung der anderen vorstehenden Gleichungen kann deshalb der kritische thermische Halbmesser c durch die folgende mathematische Gleichung an gegeben werden.

wobei:
c = kritischer Temperatur-Halbmesser
a = Gauss-Halbmesser am 1/e²-Punkt
ln = natürlicher Logarithmus
T _m = Schmelztemperatur des Lotes, abzüglich der Vorwärmtemperatur der Probe
P = Wärmestrom des Laserstrahls in [W]
A = Absorptionsvermögen der Oberfläche des Lotes bei 10,6 [µm]
R = Wärmewiderstand pro Einheitsfläche des Systems
t _c = kritische Zeit, um das Lot auf die Temperatur T _m zu bringen
C = Wärmekapazität des Systems.

Der Mineralstrom, der zum Schmelzen des Lotes während einer vorbestimmten Zeit T₁ benötigt wird, kann durch Einstellung des Wertes c=0 in der vorstehenden Gleichung erhalten werden.

Die Fig. 7 zeigt den theoretischen Halbmesser c als eine Funktion der Einschaltzeit des Strahles, wenn sein Auftreff durchmesser 1,5244 mm beträgt. Die Kurvendarstellung wurde erhalten, indem geeignete Werte der Parameter und der Mate rialeigenschaften in die Gleichung des kristischen Temperatur- Halbmessers eingesetzt wurden.

Claims

1. Verfahren zum Anlöten eines oder mehrerer Stromleiter an eine auf einem keramischen Substrat befindliche gedruckte Schaltung, bei dem die Lötverbindung mit einem auf die ge gebenenfalls vorgewärmte Lötstelle ausgerichteten Laser strahl durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl defokussiert auf die Lötstelle trifft und dort während seiner Einschaltzeit einen Bereich erschmilzt, dessen Halbmesser folgende Gleichung angibt: wobei:
c = kritischer Temperatur-Halbmesser in [cm]
a = Gauss-Halbmesser am 1/e²-Punkt in [cm]
ln = natürlicher Logarithmus
T _m = Schmelztemperatur des Lotes in [°C], abzüglich der Vorwärmtemperatur der Probe
P = Wärmestrom des Laserstrahls in [W]
A = Absorptionsvermögen der Oberfläche des Lotes bei 10,6 [µm] in [%]
R = Wärmewiderstand pro Einheitsfläche des Systems in [°C · s · cm²/cal]
t _c = kritische Zeit, um das Lot auf die Temperatur T _m zu bringen in [s]
C = Wärmekapazität des Systems in [cal/°C cm²]

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter für sein Anlöten an die gedruckte Schaltung mit einer Druckkraft von etwa 50 bis 150 g gegen das gegenüber seiner Berührungsfläche größerflächige Lotkissen gedrückt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Halbmessers die Lötstelle mit einem energieab sorbierenden Material beschichtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötstelle vor dem Einschalten des Laserstrahls mit einem Flußmittel benäßt und mit einer Stickstoffströmung gegen die Umge bungsatmosphäre abgeschirmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von 127 mm der Laser strahl auf einen Abstand von etwa 0,5 bis 2,032 mm seines Brennpunktes von der Berührungsfläche des Stromleiters an dem Lotkissen bzw. auf einen Durchmesser von etwa 0,762 bis 2,032 mm defokussiert und für etwa 0,05 bis 2,0 Sekunden eingeschaltet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter mit einer mit Zinn der Lot beschichteten Messinglitze gebildet ist, wenn die gedruckte Schaltung für ein Anlöten mittels eines Zinn/Blei/Silber-Lotes oder eines Zinn/Blei- Lotes aus einer Palladium/Silber-Verbindung besteht und auf ein keramisches Substrat aus der Gruppe der Aluminium und Beryllium aufgebracht ist.