DE3390451T1

DE3390451T1 - Verfahren zum Laser-Löten

Info

Publication number: DE3390451T1
Application number: DE19833390451
Authority: DE
Inventors: David T. Norwalk Conn. Grenn
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1983-01-24
Filing date: 1983-01-24
Publication date: 1986-02-20
Also published as: GB2143759B; GB2143759A; JPH0243578B2; JPS60500204A; GB8423754D0; WO1984002867A1; DE3390451C2

Description

Hans-Jurgen Müller Gerhard D. Schupfner Hans-Peter Gauger Patentanwälte

Telegramm/cable: Lucile-Grähn-Sträße 3a European Patent Attorneys

Zetapatent® München D-8000 München 80 Mandataires en brevets europeens

VERFAHREN ZUM LASER-LÖTEN Ausgangspunkt der Erfindung und Stand der Technik

Das Laser-Löten befindet sich bis jetzt im wesentlichen nur in einem Anfangsstadium, das erst noch seine Ausführbarkeit erweisen muß. Das Verfahren hat sich dabei gegenüber den mechanischen Löttechniken als brauchbar erwiesen, weil es nicht zugängliche Lötanordnungen erreichen läßt, wie beispielsweise solche in der Aussparung eines Gehäuses. Diese frühen Versuche sind für die Anordnung von kleinen elektronischen Komponenten an üblichen Tafeln aus Kunststoff (mit Epoxyd imprägniertem Glasfasermaterial) durchgeführt worden, die eine Wärmeleitung zu der restlichen Anordnung verhinderten. Dabei wurden Drähte mit sehr kleinem Durchmesser der herkömmlichen Verwendung unter Verwendung von kleinen Lotkissen verlötet, die auf leicht zugängliche Stromleiter eines Stromkreises aufgeschlagen wurden. Diese ersten Versuche zur Ausführbarkeit wurden mit Laserstrahlen mit einem sehr kleinen Wärmestrom (7 bis 50 Watt) durchgeführt, wobei die Strahlen auf das Lotkissen mit einem minimalen Durchmesser (0,127 bis 0,25 mm) fokussiert wurden, um ein Schmelzen zu bewirken. Diese ersten Versuche zur Ausführbarkeit sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:

(1) F. Burns und C. Zyetz, "Laser Micro Soldering", Apollo Lasers, Inc. Report.

(2) E.R.-Goodrich, "Lasers in Electronics", Circuits Manufacturing, Vol.21, No. 7,JuIy 1981.

(3) R. Saunders et al, "Lasers-Operation, Equipment, Application and Design", in Zusammenarbeit mit den Ingenieuren der Firma Coherent Inc., McGraw-Hill, 1980. ■

(4) T. Kujawa, "Laser Soldering Boosts Productivity", Lasers and Applications, September 1982.

Bei diesen frühen Versuchen zur Ausführbarkeit wurden jedoch unglücklicherweise Verfahrenstechniken benutzt, die einen Monteur nicht in die Lage versetzen würden, Anordnungen zu löten, die auf dem Anwendungsgebiet der Kraftfahrzeugtechnik nach den Erfordernissen von neu geschaffenen Modellen erzwungen werden. So können dabei beispielsweise Anordnungen von empfindlichen elektronischen Komponenten jetzt die Verwendung von größer dimensionierten elektrischen Stromleitern (mit einer Breite von mehr als 0,7 62 mm und vielfach mit einem flachen oder rechteckigen Querschnitt) erfordern, die mit einer größeren Festigkeit verlötet werden müssen, um den wechselnden thermischen Dehnungskräften zu widerstehen, die innerhalb eines Straßenfahrzeuges auftreten. Die bekannte Verwendung von präzise fokussierten Laserstrahlen von niedrigem Wärmestrom hat bei solchen neuen Musteranordnungen bezüglich eines wirksamen Verlötens verschiedene Schwierigkeiten gebracht. Wenn der Laserstrahl auf einen minimalen Durchmesser gesteuert wird, dann wird damit nicht eine genügende Menge des Lotkissens geschmolzen, um längs der gesamten Grundfläche eines großen und flachen elektrischen Stromleiters eine Lötnaht durch Rückfließen zu erzeugen, so daß damit also nur eine schwache Verbindung erzeugt wird. Ein Rückfließen von Lot um einen kleinen, runden Draht ist wegen der Oberflächenspannung um eine runde Oberfläche wesentlich einfacher. Wenn der Durchmesser des Laserstrahls an der Grenzfläche modifiziert oder ausgeweitet werden würde, dann würde das Verhältnis

der Strahlenenergie zur Einheitsoberfläche nicht ausreichen, das Lot zu schmelzen und die durch ein Rückfließen gebildete Verbindung zu bewirken.

Bei einigen der elektronischen Einheiten, die auf dem Automobilsektor zu löten sein werden (wie beispielsweise ein elektronischer Zündungsmodul, der eine Befestigung an einer Brennkraftmaschine erfährt), werden die lötfähigen Verbindungen durch keramische Substrate abgestützt, welche während des normalen Fahrens mit dem Fahrzeug die Wärme von dem Modul abführen und damit eine Zerstörung des gedruckten Stromkreises und der gelöteten Verbindungen als Folge von momentanen hohen Strömen verhindern. Solche keramischen Substrate wirken jedoch als eine Wärmesenke und erleichtern ein rasches Abführen der Wärme während des Lötens, so daß damit der Durchmesser des Laserstrahls nicht präzise thermisch gesteuert werden kann und es deshalb auch absolut nicht möglich ist, Laserstrahlen von kleinem Wärmestrom zu verwenden, wenn ein richtiges Verlöten bewirkt werden soll. Wenn nur der Wärmestrom des Laserstrahls vergrößert wird, dann ergibt sich damit keine Lösung dieses Problems, weil ein Strahl von hohem Wärmestrahl, der mit einem gewünchten Durchmesser fokussiert wird, das Lot übermäßig aufwärmt und damit nur wenig Möglichkeit gibt, einen Fehler zu korrigieren und als Folge davon eine Beschädigung von benachbarten empfindlichen elektronischen Teilen zu verhindern.

Es besteht daher die Forderung nach einem Verfahren zum Laser-Löten, das ein Löten von ausgesparten Anordnungen erlaubt, die auf keramischen Substraten abgestützt sind und bei denen größer dimensionierte Stromleiter verwendet sind, die innerhalb eines großen Bereichs von Verfahrensparametern mit wesentlich festeren Verbindungen verlötet werden müssen, wobei das Verfah-

* ->-/'■ ^: 3390A51

ren ohne engere Grenzen von Leuten leicht anwendbar sein muß, die in der Fertigung beschäftigt sind.

Zusammenfassung der Erfindung
■5

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Löten eines oder mehrerer elektrischer Stromleiter an einen gedruckten elektri .sehen Stromweg. Das Verfahren umfaßt die folgenden Maßnahmen: (a) Anlegen des Stromweges auf 0 einem keramischen Substrat und Befestigung wenigstens eines Lötkissens an einem Abschnitt des gedruckten elektrischen Stromweges; (b) Andrücken eines Oberflächenbereichs des elektrischen Stromleiters an das Kissen zum Bewirken einer vollen Berührung mit einer Kraft, die für das Löten eine Wärmeüberleitung erlaubt, wobei das Kissen eine Breite größer als die Breite des Oberflächenbereichs des elektrischen Stromleiters aufweist und der Grenzflächenbereich des elektrischen Stromleiters eine Breite größer als 0,762 mm hat und wobei der Bereich des elektrischen Stromleiters und des Kissens eine Lötanordnung bilden; und (c) Ausrichten eines defokussierten Laserstrahls auf die Lötanordnung, wobei der Strahl einen Wärmestrom von wenigstens 100 Watt, einen Auftreffdurchmesser von nicht weniger als die Breite des elektrischen Stromleiters und nicht mehr als die Breite des Kissens sowie eine Einschaltzeit hat, die zur Ausübung eines gesteuerten thermischen Halbmessers für ein Rückfließen nur eines vorbestimmten Bereichs des Kissens ausreicht, um damit eine Lötverbindung zwischen dem Kissen und dem Bereich des Stromleiters zu erhalten, die eine Festigkeit von wenigstens 400 g aufweist.

Der elektrische Stromleiter hat bevorzugt eine flache Grenzfläche,und das Kissen hat eine zusammenpassende, im wesentlichen flache Grenzfläche (um damit einen geringen Halbmesser als Folge der Oberflächenspannung zu schaffen). Es ist vorteilhaft, wenn der Laserstrahl um

10,16 mm (mit einer Linse einer Fokuslänge von 127 mm) defokussiert wird und einen Brennpunkt aufweist, der sich oberhalb der Lötanordnung befindet, um damit die anderen empfindlichen elektronischen Komponenten vor einer Reflexion des Laserstrahls zu schützen. Es ist auch wünschenswert, daß der Massenmittelpunkt der Grenzfläche des elektrischen Stromleiters zu der Mitte des Kissens ausgerichtet ist, gegen welchen er angedrückt wird.

Vorteilhaft ist, wenn der thermische Halbmesser wenigstens mit einer der folgenden Maßnahmen vergrößert wird: (a) einer Beschichtung mit einem energieabsorbierenden Farbstoff, oder (b) einer Erhöhung der Temperatur der Lötanordnurig durch ein Vorwärmen auf eine Temperatur von wenigstens 100⁰C. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Auftreffdurchmesser des Laserstrahls auf Werte zwischen 0,762 und 2,286 mm und die Einschaltzeit des Strahls auf 0,05 bis 2,0 Sekunden gesteuert wird. Die Parameter des Strahls können optimiert werden, wenn die folgende mathematische Gleichung erfüllt wird:

c = -^ In 25

2P.A.R(l-exp

a .T_m

1/2

wobei:

c = kritischer thermischer Halbmesser (Schmelzradius) a = Gauss-Halbmesser am 1/e -Punkt In = natürlicher Logarithmus
T_m = Schmelztemperatur des Lotes, abzüglich der Vorwärmtemperatur der Probe

P = Wärmestrom des Laserstrahls in Watt A = Absorptionsvermögen der Oberfläche

des Lotes bei 10,6 Mikrons
35R= Wärmewiderstand pro Einheitsfläche des Systems

t = kritische Zeit, um das Lot auf die Temperatur

T zu bringen (Einschaltzeit des Strahls ist etwa t_c /0,97.5)
C = Wärmekapazität des Systems.

Es ist vorteilhaft, wenn ein Schutzgas während des Lötens verwendet wird, um ein Verbrennen des Lotflußmittels zu verhindern und um nach dem Abschluß des Lötens das Flußmittel leicht entfernen zu können.

Die zum Abstützen des elektrischen Stromweges benutzte Keramik wird bevorzugt allein oder zusammen aus der Gruppe ausgewählt, die Aluminium- und Berylliumoxid umfaßt und vorteilhaft eine Foliendicke von wenigstens 0,5 mm hat.

Es ist vorteilhaft, wenn sich die elektrischen Stromleiter von einem integralen ringförmigen Leiterrahmen erstrecken, der innerhalb eines ringförmigen nichtleitenden Gehäuses eingekapselt ist. Die Stromleiter können vorzugsweise ein dünnes beschichtetes Messingmaterial sein, das Kissen besteht vorzugsweise aus einer Zinn/Blei/Silber- oder einer Zinn/Blei-Legierung, und der gedruckte Stromkreis besteht vorzugsweise aus einem Palladium/Silber-Material. Ein Lotflußmittel wird typischerweise zwischen dem Kissen und dem Stromleiter verwendet und umfaßt vorzugsweise nichtaktiviertes Kollophonium. Es wird auch bevorzugt, daß der Laserstrahl ein CO₂~erzeugter Laser ist.

Zusammenfassung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Fotografie von einem mikroelektronischen Gerät, das mehrere, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gelötete Verbindungen aufweist.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Fotografie einiger der elektrischen Stromleiter der Figur 1, die nach der vorliegenden Erfindung erfolgreich verlötet wurden.

Figur 3 zeigt schematisch eine geschnittene Seitenansicht eines Teils des Gerätes nach Figur 1 mit der Darstellung einer gelöteten Verbindung und einer Einlage (Figur 3a),dargestellt mit einer Draufsicht auf die Lötverbindung.

Figur 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 Fertigungskombinationen ausweist).

Figur 5 zeigt ein Wärme-Flußdiagramm zwischen den verschiedenen Materialien, welche die Lötanordnung der Figur 2 bilden.

Figur 6 zeigt ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung einer Gauss-Energiestrahlverteilung über das Lotkissen.

Figur 7 zeigt ein grafisches Schaubild des kritischen Temperatur-Halbmessers, der sich als eine Funktion der Einschaltzeit des Strahls bei verschiedenen Höhen des Wärmestroms verändert.

Figur 8 zeigt eine grafische Darstellung des Wärmestroms des Strahls als eine Funktion der Temperatur der Lötanordnung bei verschiedenen Vorwärmtemperaturen ^το·

Detaillierte Beschreibung

Nach der bevorzugten Ausführungsform wird die Erfindung auf das Löten von integralen elektrischen Stromleitern an einen Zündungsmodul einer dicken Folie angewendet, der das Starten einer Brennkraftmaschine steuern kann. Das zu lötende Gerät ist insbesondere in den Figuren 1 und 3 dargestellt und vollständiger beschrieben in der gleichzeitig eingereichten USA-Anmeldung mit dem Aktenzeichen und dem Titel

"Verbindende Konstruktion mit einem dickflüssigen Substrat" nach einer Erfindung von D. Davis und C. Henritzy sowie überschrieben auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung.

Das mikroelektronische Gerät 10 umfaßt im wesentlichen einen ringförmigen Leiterrahmen 11, der in ein aus Kunststoff bestehendes ringförmiges Gehäuse 12 eingekapselt oder eingebettet ist und integrale Stromleiterlitzen 13 aufweist, die an den Seiten des Gehäuses nach innen vorstehen und nach unten durchhängen. Das hier gezeigte Gerät hat neun elektrische Stromleiter, die nach innen vorstehen und an einen gedruckten elektrischen Stromkreis 14 angelötet werden müssen, der durch ein keramisches Substrat 15 abgestützt und unterhalb der oberen Gehäuseöffnung zurückversetzt angeordnet ist. Eines der Substratmaterialien ist Aluminiumoxid mit einem Anteil von 7 5% des gesamten Substrats; das andere Material ist Berylliumoxid. Die beiden Keramikmaterialien sind an einer abstützenden Aluminiumplatte 16 verklebt, die als eine Wärmesenke wirkt.

Jeder der elektrischen Stromleiter besteht aus einem Messingstreifen aus 70% Kupfer und 30% Zink. Der vorstehende Abschnitt jedes Leiterstreifens ist mit einer umgekehrten U-förmigen Krümmung 17 versehen und endet

in einem Fuß 18, der an einen Bereich 14a des gedruckten Stromkreises 14 anzulöten ist. Der Fuß des elektrischen Stromleiters hat einen flachen Querschnitt mit einer Breite von 10,16 mm und einer Dicke von 0,2286 mm. Neben dem Leiter befinden sich zahlreiche empfindliche elektronische Komponenten, wie beispielsweise Widerstände 19, Kondensatoren 20 und ein elektronisches Chip 21.

Bei diesem Gerät wird ein keramisches Substrat benötigt, um während des Betriebs des Zündungsmoduls zum Starten der Brennkraftmaschine eine Wärmesenke bereitzustellen. Eine Keramik hat eine höhereLeitfähigkeit als ein Kunststoff (mit Epoxyd imprägniertes Glasfasermaterial), der im Stand der Technik typischerweise verwendet wird. Das Aluminiumoxid besteht nominell aus 94% AI2O3 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 1,5 24 4 mm verwendet.

Die elektrischen Stromleiter sind viel größer dimensioniert als die bisher im Stand der Technik normal verwendeten Stromleiter und haben eine Breite 22 größer als 0,762 mm mit einem flachen rechteckigen Querschnitt (von beispielsweise 1,016 mm χ 0,2286 mm). Solche elektrischen Stromleiter erfordern eine unterschiedliche Verfahrenstechnologie, um eine vollständig feste Lotverbindung an der gesamten Grenzfläche (Unterseite) des elektrischen Leiterfußes und auch an dessen Kanten zu erhalten.

Das hier beschriebene Verfahren umfaßt im wesentlichen die drei folgenden Stufen:

1. Auf einem keramischen Substrat 15 wird ein gedruckter elektrischer Stromweg 14 angelegt,und wenigstens ein Lotkissen 14 wird dann an einem Bereich 14a des gedruckten elektrischen Stromweges angedrückt. Das Lotkissen kann nach herkömmlichen Techniken aufgebracht werden, die normal ein Siebdruckverfahren umfassen. Das hier verwendete Kissen ist eine Lötverbindung, die aus 10% Zinn, 88% Blei und 2% Silber besteht. Das Kissen ist so geformt, daß es eine im wesentlichen flache Grenzfläche 25 (mit Ausnahme einer Krümmung als Folge der Oberflächenspannung) mit einer Breite größer als die Breite des elektrischen Stromleiters aufweist. Jedes der Kissen hat hier eine rechteckige Form mit einer Breite von 2,032 mm, einer Länge von 2,5 mm und einer Höhe von 0,15 244 mm.

2. Der Oberflächenbereich 23 des elektrischen Stromleiters wird für eine volle Berührung gegen das Lotkissen (gegen die Oberfläche 25) mit einer Druckkraft von 50 bis 150 g angedrückt. Es ist wichtig, daß das Kissen 24 eine Breite 26 hat, die größer als die Breite 22 des elektrischen Stromleiters 13 ist, wobei der Bereich der Grenzfläche des elektronischen Stromleiters eine Breite 22 von mehr als 0,762 mm aufweist. Um diese Druckkraft auf den elektrischen Stromleiter in bezug auf das Kissen ausüben zu können, ist der elektrische Stromleiter entsprechend der Darstellung in den Figuren 2 und 3 mit einer U-förmigen Krümmung versehen; der Stromleiter kann dadurch eine federnde Vorspannung gegen die Oberfläche 25 des Kissens ausüben. Das Ende des Stromleiters weist einen Fuß 18 auf, damit die flachen Oberflächen 23-25 an der Grenzfläche zusammenpassen.

3. Ein defokussierter Laserstrahl wird auf die Lötanordnung ausgerichtet, wobei der Strahl einen Wärmestrom von wenigstens 100 Watt, einen Auftreffdurchmesser 27 von nicht weniger als die Breite 22 des elektrischen Stromleiters und nicht mehr als die Kissenbreite 26 sowie eine Einschaltzeit hat, die ausreicht, um auf die Lötanordnung einen gesteuerten thermischen Halbmesser für ein Rückfließen nur eines vorbestimmten Bereichs des Lotkissens auszuüben und damit eine Lotverbindung zwischen dem Kissen und dem elektrischen Stromleiterbereich zu erzeugen, die eine Festigkeit von wenigstens 400 g aufweisen.

Der hier verwendete Laserstrahl 28 wurde von einem 370 Watt-GO₂-Lasergerät erzeugt und an einer Stelle 29 fokussiert, die einen Abstand 30 von 10,16 mm oberhalb der Lötanordnung hatte. Der Strahl traf mit einer Ausrichtung nach unten auf den Fuß 18 und das Lotkissen 24 auf. Die Mittelachse des Laserstrahls war auf den Massenmittelpunkt 31 des elektrischen Stromleiters an seiner Berührungsstelle ausgerichtet und auch auf die Mitte 32 des Lotkissens. Eine kleine Menge eines Lotflußmittels war auf die Fläche zwischen den Lotflächen vor dem Löten aufgebracht worden, wobei ein solches Flußmittel typischerweise ein nichtaktiviertes Kollophonium-Mikroflußmittel sein kann.

Die Lötanordnung war auf 150⁰C vorgewärmt worden, um damit den Wärmestrom zu erniedrigen und die Möglichkeit eines thermischen Schocks auszuschließen. Eine koaxiale Stickstoff-Strömung wurde verwendet, um (a) die Lötfläche gegen eine Oxidation 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 ihn erzeugenden Gerät einen Durchmesser von etwa 15,244 mm und wurde

etwas oberhalb der Lötanordnung defokussiert, um einen ■ Auftreffdurchmesser an der Lötanordnung zwischen 0,762 und 2,032 mm zu erhalten. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Auftreffdurchmesser von 1,27 bis 1,5244 mm erzielt.

Es wurden zahlreiche Lötungen mit einem unterschiedlichen Wärmestrom und einer unterschiedlichen Einschaltzeit durchgeführt, um herauszufinden, wie befriedigende Lötverbindungen mit einer genügenden Festigkeit erzielt werden könnten. Es wurde gefunden, daß Lötverbindungen mit einer Festigkeit von 2000 g und mehr dann erhalten werden konnten, wenn der Wärmestrom wenigstens 100 Watt und bis zu 500 Watt hatte und die Einschaltzeit zwischen 0,005 und 0,25 Sekunden betrug. Diese Kombinationen des Wärmestroms und der Einschaltzeit, die an elektrischen Stromleitern großer Abmessungen und an Lotkissen durchgeführt wurden, sind in Figur 4 dargestellt (wobei in diesem Fall der Auftreffdurchmesser 1,5244 mm beträgt).

Der schraffierte Bereich in Figur 4 ergibt die für eine Fertigung tolerierbaren Kombinationen der Parameter, die eine befriedigende Lötnaht 33 um die gesamte Lötverbindung (Figur 2) herum erhalten lassen, ohne daß dabei weder das gesamte Lotkissen oder das Substrat zum Schmelzen gebracht wird.

Bei Proben, die nur eine Raumtemperatur aufwiesen und nicht vorgewärmt wurden, wurde eine längere Einschaltzeit des Laserstrahls oder ein höherer Wärmestrom als bei vorgewärmten Proben benötigt. Eine Probe mit Raumtemperatur erforderte 50 bis 75% mehr Wärmestrom als eine auf 15O⁰C vorerwärmte Probe bei der gleichen Einschaltzeit. Die Lötanordnung sollte daher vorzugsweise auf eine Temperatur von wenigstens 100⁰C vorgewärmt werden. Bei dieser Temperatur kann der Wärmestrom um 25% im Vergleich zu einer Probe von Raumtemperatur (20⁰C) verringert werden (she. Figur 8).

Das Energieerfordernis oder die Stromhöhe des Laserstrahls kann durch eine Vergrößerung des Oberflächenr absorptionsvermögens der Lötanordnung verringert werden. So kann die Stromhöhe 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 auftreffenden Strahls vergrößert. Der größte Zeitbereich wurde dann zur Erzielung befriedigender Verbindungen erhalten, wenn der Auftreffdurchmesser des Strahls etwa 1,27 mm betrug. Ein übermäßig großer Auftreffdurchmesser (wie beispielsweise 2,159 mm) verursachte manchmal in der Kombination mit einer langen Einschaltzeit (wie beispielsweise 0,3 Sekunden) das Problem einer Reflexion des Strahls; eine solche Reflexion verursacht eine Beschädigung durch Wärme der benachbarten Komponenten, wie Widerstände und Kondensatoren. Das Problem der Reflexion kann durch Verwendung eines geeigneten defokussierten Strahls (geeigneten Auftreffdurchmessers) und der Anordnung des Brennpunktes oberhalb der Lötanordnung verringert werden. Die Strömung eines.Schutzgases vergrößert den Stromverbrauch; ohne ein Schutzgas wird jedoch durch das verbrannte Flußmittel eine schwarze Ablagerung erzeugt. Da die schwarze Ablagerung nicht leicht entfernt werden kann, wird die Verwendung eines Schutzgases empfohlen. Eine beruhigte Strömung von Stickstoff wird als geeignet angesehen, um ein Verbrennen oder ein Verkohlen des Flußmittels zu verhindem.

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Kritischer thermischer Halbmesser

Der Auftreffdurchmesser des Strahls wurde bei den thermischen Laserverfahren als ein übliches Maß für die Definition der Größe des Strahls auf dem Werkstück eingeführt. Dieser Durchmesser allein kann jedoch nicht dazu benutzt 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 Glasmaterial ständig verschieden.

Der kritische thermische Halbmesser 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 Laser-Löten.

Um eine mathematische Beziehung zu erhalten, die einen genauen kritischen thermischen Halbmesser zur Verfügung stellt, ist eine Analyse der Eingangs-Wärmeverteilung erforderlich. Ein einfaches thermisches Modell einer eindimensionalen Erwärmung und ein Gauss-Strahlenprofil wurden für die Analysevorausgesetzt. 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 bis 10""^³ Sekunden ist, kann man annehmen, daß die optische Energie nahezu sofort in Wärme umgewandelt wird. Die Durchdringungstiefe des Lichtfeldes bei einem guten Leiter, wie demjenigen nach der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung, liegt im Be-

reich von 10"^ Zentimetern oder 10 bis 100 Atomschichten. Die Laserabsorption kann daher für die Fälle des Laser-Lötens für ein Stattfinden an der Oberfläche angenommen werden.
5

Um die Analyse der Wärmeströmung des Systems weiter zu vereinfachen, wurden einige weitere zusätzliche Voraussetzungen eingeführt: (a) Für die thermischen Eigenschaften der Materialien und den thermischen Widerstand wurde angenommen, daß sie keinen Wechsel mit der Temperatur erfahren, (b) die Konvektions- und Strahlungsverluste wurden als vernachlässigbar angesehen, (c) die Wärmeströmung wurde als eindimensional betrachtet, (d) das Lotkissen hatte eine gleichmäßige Temperatur über seine gesamte Dicke und (e) die Aluminiumunterlage wurde als Wärmesenke berücksichtigt. Mit diesen Voraussetzungen und der Darstellung in Figur 5 kann das Wärmeströmsystem in zwei Komponenten der Wärmeströmung aufgeteilt werden: gesammelte Wärme und abgeführte Wärme. Der Wärmeeingang q wird in dem Lotkissen (q_G) und dem Aluminiumsubstrat (q_A) teilweise gesammelt, und die restliche Wärme wird zu der Wärmesenke q-, (Aluminiumplatte) abgeführt. Wie in Figur 5 dargestellt, ist T₂ die mittlere Temperatur

des Aluminiumsubstrats über die Dicke und wird innerhalb des Aluminiumsubstrats ein parabolisches Temperaturprofil angenommen, dann ist die mittlere Temperatur T_ des Substrats durch die Beziehung T = T /3 angegeben. Der Energieausgleich des Wärmeströmungssystems in Figur 6 führt zu einer ersten Differentialgleichung:

^{q = q}s ^{+ q}A ^{+ q}3

q = (C₁ + C₂) ClT₁ + T

3 dt R

wobei:

C, = Wärmekapazität des Lotkissens

C₂ = Wärmekapazität des keramischen Substrats·

Wenn eine weitere Menge q als die Rate der Wärmeströmung pro Einheitsfläche eingeführt wird, die benötigt wird, um die Löttemperatur von T, auf T in t Sekun-

1 m c

den zu bringen, dann kann mit dieser Gleichung eine
Auflösung für T, zusammen mit der folgenden Gleichung
vorgenommen werden:

T
m

1 - exp I-

RC
15

Wenn das Lot die Temperatur T 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 vorstehend erwähnte Zeit t ist.

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

P_c = -^- exp I -2
35

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 Gleiqhungen kann deshalb der Radius c (kritischer thermischer Halbmesser) jetzt auf die folgende mathematische Gleichung reduziert werden: .

c =

-t

2P.A.R(l-exp ( c/RC))

■m

1/2

wobei:

a = Gauss-Halbitiesser am l/e'-Punkt In = natürlicher Logarithmus

= kritscher thermischer Halbmesser (Schmelzradius)

T = Schmelztemperatur des Lotes,

abzüglich der Vorwärmtemperatur der Probe

P = Wärmestrom des Laserstrahls in Watt

, A = Absorptionsvermögen der Oberfläche des Lotes bei 10,6 Mikorns

R = Wärmewiderstand pro Einheitsfläche des Systems

t = kritische Zeit, um das Lot auf die Temperatur

T zu bringen (Einschaltzeit des Strahls ist m

etwa t /0_r975)
c

C = Wärmekapazität des Sytems.

Der Minimalstrom, der zum Schmelzen des Lotes wä.hrend einer vorbestimmten Zeit (T,) benötigt wird, kann durch Einstellung des Wertes c=0 in der vorstehenden Gleichung erhalten werden.

Die Figur 7 zeigt den theoretischen Radius c als eine Funktion der Einschaltzeit des Strahles, wenn der Auftreff durchmesser des Strahls 1 ,5244 mm hat. Die Kurvendarstellung wurde erhalten, indem geeignete Werte der Parameter und der Materialeigenschaften in die Gleichung des kritischen thermischen Halbmessers eingesetzt wurden.

Claims

-'"*■■- 339 CU Patentansprüche

1. Verfahren zum Anlöten eines oder mehrerer elektrischer Stromleiter an einen gedruckten elektrischen Stromweg, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

(a) Anlegen des Stromweges auf einem keramischen Substrat und Befestigung wenigstens eines Lotkissens an einem Teil des gedruckten elektrischen Stromweges;

(b) Andrücken eines Oberflächenbereichs des elektrischen Stromleiters für eine volle Berührung mit dem Lotkissen mit einer Andrückkraft, die für das Anlöten eine Wärmeüberleitung erlaubt, wobei das Kissen eine Breite größer als die Breite des Stromleiters und der Grenzflächenbereich des Stromleiters eine Breite größer als 0,762 mm hat, so daß der Bereich des elektrischen Stromleiters und des Kissens eine Lötanordnung bilden;

(c) Ausrichten eines defokussierten Laserstrahls auf die Lötanordnung, wobei der Strahl eine Leistung von wenigstens 100 Watt, einen Auftreffdurchmesser von nicht weniger als die Breite des elektrischen Stromleiters und nicht mehr als die Breite des Kissens sowie eine Einschaltzeit hat, die zum Ausüben eines gesteuerten thermischen Halbmessers auf die Lötanordnung für ein Rückfließen nur eines vorbestimmten Bereichs des Kissens und zum Bewirken einer Lötverbindung zwischen dem Kissen und dem Bereich des Stromleiters ausreicht, wobei die Verbindung eine Festigkeit von wenigstens 400 g aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß der elektrische Stromleiter eine flache Grenzoberfläche aufweist und das Kissen mit einer korrespondierenden, im wesentlichen flachen Grenzoberfläche versehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl, bei dem Verfahrensschritt (c), auf einen Durchmesser zwischen 0,762 und 2,032 mm defokussiert wird, so daß der

Brennpunkt des Strahls von der Ebene der Grenzflächenberührung zwischen 0,5 und 2,032 mm bei Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von 127 mm beabstandet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Laserstrahl an einem Punkt oberhalb der Ebene der Grenzflächenberührung der Lötanordnung defokussiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Halbmesser durch ein Beschichten wenigstens eines Bereichs der Lötanordnung mit einem energieabsorbierenden Material vergrößert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Halbmesser des Laserstrahls durch ein Vorwärmen der Lötanordnung um wenigstens 100⁰C vor dem Verfahrensschritt (c) vergrößert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische Substrat des Verfahrensschrittes (a) aus einem oder aus beiden Materialien der Gruppe ausgewählt wird, die Aluminium- und Berylliumoxid enthält, wobei die Keramik eine Dicke von wenigstens 1,27 mm hat.

-■7Λ -

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einschaltzeit des Strahls, die für den Verfahrensschritt (c) verwendet wird, in der Größenordnung von 0,05 bis 2,0 Sekunden liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Auftreffdurchmesser des Strahls, der bei dem Verfahrensschritt (c) verwendet wird, in der Größenordnung zwischen 0,762 und 2,032 mm gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Massenmittelpunkt des
Oberflächenbereichs des elektrischen Stromleiters für die Grenzflächenberührung auf die Mitte des

Kissens ausgerichtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Parameter der Energie, des Auftreffdurchmessers und der Einschaltzeit des Strahls optimal die folgende Gleichung erfüllen:

c =

In 2P.A.R(l-exp

Ta².T_m

1/2

wobei:

c= kritischer thermischer Halbmesser (Schmelzradius) a = Gauss-Halbmesser am 1/e -Punkt
In = natürlicher Logarithmus

T = Schmelztemperatur des Lotes,
m

abzüglich der Vorwärmtemperatur der Probe
*.P = Wärmestrom des Laserstrahls in Watt
A = Absorptionsvermögen der Oberfläche

des Lotes bei 10,6 Mikrons
R = Wärmewiderstand pro Einheitsfläche des Systems

t = kritische Zeit, um das Lot auf die Temperatur c

T zu bringen (Einschaltzeit des Strahls ist

etwa t /0,975) \ c

C = Wärmekapazität des Systems.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der elektrische Stromleiter aus Zinn oder mit einem Lot beschichtetem Messing besteht, daß das Kissen eine Zinn/Blei/Silber- oder eine Zinn/Blei-Legierung ist, und daß der gedruckte Stromkreis aus einer Palladium/Silber-Verbindung besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kritische thermische Halbmesser zum Schmelzen des Bereichs des Kissens ausreicht und zwischen dem Oberflächenbereich des elektrischen Stromleiters und dem Kissen eine umgebende Lötnaht erzeugt.

14. Verfahren zum Anlöten eines oder mehrerer elektrischer Stromleiter, die sich von einem ringförmigen integralen Leiterrahmen erstrecken, der in ein ringförmiges nichtleitendes Gehäuse eingekapselt ist, an einen gedruckten elektrischen Stromweg, der auf einem keramischen Substrat in einer zurückversetzten Anordnung innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

(a) Anlegen von wenigstens einem Lotkissen zur Be-

rührung mit einem Bereich des gedruckten elektrischen Stromweges;

(b) Andrücken eines Bereichs des elektrischen Stromleiters in eine kontinuierliche Berührung mit dem Kissen mit einer Andrückkraft von 50 bis 150 g, wobei die Masse des Bereichs des elektrischen Stromleiters auf die Mitte des Kissens ausgerichtet wird und wobei der Bereich des elektrischen Stromleiters und des Kissens eine Lötanordnung bilden;

(c) Annässen der Anordnung mit einem Flußmittel und Ausrichten eines defokussierten Laserstrahls mit einem Strahlendurchmesser zwischen 0,762 und

2,032 mm an äer Grenzfläche des Strahls und des Lotkissens auf die Lötanordnung, während die Lötanordnung in einer abschirmenden Stickstoff-Strömung geschützt wird, wobei der Strahl eine Energie und eine Einschaltzeit aufweist, die zur Ausbildung eines kritischen thermischen Halbmessers auf die Lötanordnung für ein Rückfließen eines Bereichs des Kissens und die Erzielung einer festen Lötverbindung zwischen dem Kissen und dem Bereich des Stromleiters ausreichen, und wobei der kritische thermische Halbmesser nach der folgenden Gleichung berechnet wird:

c =

-vT

In 2P.A.R(l-exp

. T

1/2

^. ^m

wobei:

c = kritischer thermischer Halbmesser (Schmelzradius)

a = Gauss-Halbmesser am 1/e -Punkt In = natürlicher Logarithmus T = Schmelztemperatur des Lotes,

abzüglich der Vorwärmtemperatur der Probe P = Wärmestrom des Laserstrahls in Watt A = Absorptionsvermögen der Oberfläche

des Lotes bei 10,6 Mkrons R= Wärmewiderstand pro Einheitsfläche des Systems t = Kritische Zeit, um das Lot auf die Temperatur

T zu bringen (Einschaltzeit des Strahls ist m

etwa t /0,975)
c

c = Wärmekapazität des Systems.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Lötanordnung auf wenigstens 100⁰C vorerwärmt wird, um die Temperatur T zu verringern und dadurch den kritischen thermischen Halbmesser zu vergrößern oder das Energieerfordernis zu verringern.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der kritische thermische Halbmesser zwischen einem Minimum des halben Durchmessers des Bereichs des elektrischen Stromleiters und einem Maximum der halben Breite des Lotkissens reicht.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische Substrat ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Aluminium- und Berylliumoxid besteht.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat eine keramische Folie einer Dicke von etwa 0,5 mm ist.

19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der elektrische Stromleiter aus einer mit Zinn beschichteten oder mit Lot beschichteten Messinglitze mit einem flachen recht- eckigen Querschnitt besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Lotkissen eine im wesentlichen rechteckige Form mit einer Dicke von etwa 0,15244 mm hat.

21. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ausrichten des Laserstrahls die Anordnung mit einem Flußmittel genäßt wird und die Anordnung durch eine abschirmende StickstoffStrömung geschützt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der elektrische Stromleiter mit einem energieabsorbierenden Material gefärbt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Lotkissen aus einer Zinn-Blei-Silber-Legierung besteht.

24. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der gedruckte elektrische Stromweg aus einer Palladium/Silber-Verbindung besteht.

25. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Lötverbindung zwischen dem Kissen und dem Bereich des Stromleiters eine Festigkeit von wenigstens 400 g aufweist.