DE4205747C1 - Soldering two copper@ parts using laser beam - in which hard solder between parts acts as coupling medium for the laser beam to avoid heat distortion of the copper parts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserverfahren zum Verbinden von Kupfer- oder Kupferlegierungsteilen, die aneinanderliegen, wobei eine Löt- oder Löt/Schweißverbindung erzeugt wird.

Die Verfahren, bei denen Laser zum Bearbeiten oder zum Verbinden von Werkstücken eingesetzt werden, sind mittler­ weile sehr zahlreich geworden und werden ständig variiert und weiterentwickelt. Der spezielle Einsatz eines Lasers zum Verbinden von Werkstücken betrifft in der Regel Lötverfahren oder Schweißverfahren. Dabei wird eine Löt-, eine Schweiß- oder eine Löt/Schweiß-Verbindung hergestellt.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Prozessen, wie beispiels­ weise dem Löten in einer Lötanlage oder einem Lötofen, werden durch den Einsatz eines Lasers als Energiequelle be­ reits wesentliche Vorteile erzielt. Im Hinblick auf eine gleichbleibende Qualität von Werkstückverbindungen sind je­ doch an ein Laserverfahren ebenso bestimmte Voraussetzungen geknüpft. In Abhängigkeit von der Art des Werkstoffes ist eine bestimmte Art eines Lasers zu verwenden. Zum Verbinden von Kupferteilen ist beispielsweise ein CO₂-Laser nur schlecht einsetzbar. In der Regel kommt hierbei ein Nd:YAG- Laser zum Einsatz.

Die vom Laser abgegebene Energie ist noch relativ gut zu er­ fassen. Größere Schwierigkeiten treten auf, wenn die ins Werkstück eingebrachte Energie ermittelt oder konstant gehalten werden soll. Dabei ist eine Vielzahl von Parametern zu beachten. Letztendlich sollen reproduzierbare Verbin­ dungsvorgänge mit möglichst verzugsarmen Lötungen oder Schweißungen durchführbar sein. Ein Verbindungsverfahren mittels Laser für Kupferteile, das diese Anforderungen erfüllt, ist bisher nicht bekannt. Hierbei ist insbesondere das hohe Reflexionsvermögen des Kupfers in bezug auf die Laserstrahlung ein großer Nachteil.

Aus der DE 40 13 569 A1 ist ein Verfahren zum Laserstrahllöten bekannt, wobei das Lotmaterial in Form von Lotformteilen vorliegt und unmittelbar mittels Laserstrahl geschmolzen wird.

In der Veröffentlichung Alavi, M., u. a., "Löten von Feindrähten auf Cu-Anschlußflächen mit Laserstrahl", in "Laser und Optoelektronik", 1988, Nr. 2, S. 52-54, wird ein Verfahren zum Löten von Feindrähten auf Cu-Anschlußflächen mit Laserstrahl beschrieben. Dabei wurde insbesondere die Qualität der lasergelöteten Verbindungen anhand von metallographischen Untersuchungen geprüft.

Die DE 39 41 558 A1 offenbart eine Laser-Verbindungsvorrichtung mit Lichtleitfasern. Diese Vorrichtung wird insbesondere zum Verbinden von kleinen Komponenten, wie mikroelektronischen Bauteilen, mit einem Substrat eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserverfahren zum Verbinden von Kupferteilen bereitzustellen, mit dem aneinanderliegende Kupferteile reproduzierbar und verzugsarm verbunden werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den nebengeordneten Patentansprüchen 1 und 2 angegeben. Die gewünschte Löt- oder Löt/Schweiß-Verbindung entsteht durch Zwischenlegen einer Hartlotschicht zwischen die zu verbindenden Kupferteile bzw. durch das Aufbringen einer Lotschicht auf einen der beiden Verbindungspartner, wobei die Hartlotschicht an den seitlichen Grenzlinien zwischen den Kupferteilen oder auf deren Oberfläche sichtbar ist und die Laserenergie primär auf diese Hartlotschicht übertragen wird. Die Hartlotschicht bzw. die Hartlotschichten sind auf einem der beiden Kupferteile aufplattiert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der Verbindung von Kupferteilen oder Kupferlegierungsteilen re­ produzierbare Verbindungen erzielbar sind, wenn die Energie­ einbringung über eine zwischengelagerte Hartlotschicht geschieht, die gleichzeitig Bestandteil der Verbindung ist. Die Hartlotschicht besitzt ein höheres Absorptionsvermögen für die Laserstrahlung als Kupferteile. Infolge dessen wird die Lotschicht sehr gut mit reproduzierbaren Daten aufge­ schmolzen und eine Verbindung zwischen den Kupferteilen er­ zeugt. In der Regel dürfte dabei der Laserstrahl ebenso auf Teile des Kupfers direkt auftreffen, so daß teilweise Schweißverbindungen erzeugt werden.

Unter Ausnutzung des höheren Absorptionsvermögens einer Hartlotschicht im Verhältnis zu einem Kupferteil oder einem Kupferlegierungsteil geschieht die Einkopplung der Lasere­ nergie und die primäre Energieübertragung allgemein in eine Hartlotschicht. Diese Hartlotschicht ist für den Fall, daß sie nicht zur Herstellung der Verbindung direkt benutzt wird, an der Oberfläche eines Kupferteiles plaziert und be­ findet sich in der Nähe der Verbindungszone. Über diese Hartlotschicht erfolgt die Ankopplung des Lasers und die primäre Einergieein­ bringung. An der Verbindungszone befindet sich eine separate Hartlotschicht. Die zur Herstellung der Verbindung notwen­ dige Energie wird über die erstgenannte Hartlotschicht eingekoppelt und über eine zwischenliegende Zone des entsprechenden Kupferteiles entweder mittels Wärmeleitung zur Verbindungsstelle geleitet oder es wird bei genügender Energieeinbringung durchgeschweißt. Der Laserstrahl wird da­ bei auf die Verbindungsstelle ausgerichtet.

Zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Hartlotes ist ein Zusatz geringer Mengen von Phosphor im Hartlot besonders vorteil­ haft. Nachdem die zu verbindenden Kupferteile teilweise flä­ chig aneinanderliegen und die Energieeinbringung mittels eines Lasers über die an der Grenzlinie in Sandwich-Form zwischen liegenden Silberlotschicht geschieht, ist nicht nur der hohe Absorptionsgrad der Hartlotschicht für die Laser­ strahlung, sondern auch eine gute Fließfähigkeit des Hartlotes wichtig.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht den Einsatz von Silberhartlot vor. Nachdem bei der Herstellung derartiger Kupfer-Kupferverbindungen für elektrische oder elektronische Bauteile die gute elektrische Leitfähigkeit der Verbindung wesentlich ist, ist der Einsatz eines Hartlotes mit einem hohen Silberanteil sehr günstig.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh­ rungsbeispiele beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt einen Kupferträger 4, auf dem ein Kupfer­ modul 2 aufgebracht werden soll. Auf dem Kupfermodul 2 ist ein Leuchtdioden-Chip 1 aufgelötet. Das Modul selbst soll nun durch ein Laserstrahlverfahren extrem verzugsarm mit dem Kupferträger 4 verbunden werden. Ungefähre Abmessungen des Kupfermoduls 2 sind beispielsweise 5 × 19 mm mit einer Stärke von 0,6 mm. Die Stärke des Kupferträgers 4 liegt im Millimeterbereich, etwa zwischen 2 und 10 mm.

Eine derartige Anordnung aus Kupferträger 4, Kupfermodul 2 mit Leuchtdiodenchip 1 wird beispielsweise für einen Zei­ chengenerator benötigt. Da im Betrieb eines solchen Zeichen­ generators die entstehende Wärme gut abgeführt werden muß, ist die Verwendung von Kupfer wichtig. Es ist jedoch denkbar, daß auch andere gut wärmeleitende Materialien hierbei eingesetzt werden.

Der große Nachteil der geringen Absorptionsfähigkeit des Kupfers für die Laserstrahlung besteht darin, daß einerseits zum Aufschmelzen des Materials eine hohe Intensität der La­ serstrahlung benötigt wird. Andererseits wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers eine hohe Pulsenergie bedingt. Diese beiden Effekte führen zu nicht reproduzier­ baren Löt- oder Schweißverbindungen. Mit einem Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1060 nm läßt sich bei einer Pulsenergie von 25-28 J/Schweißpunkt eine bei den oben genannten Dimensionen gute Löt- bzw. Schweißqualität erzeugen. Ein wichtiger Faktor hierbei ist, daß das Auf­ schmelzvolumen bei jedem Verbindungsvorgang reproduzierbar ist. Die Pulsfrequenz eines Lasers ist dabei unkritisch. Es kann punktgeschweißt oder auch nahtgeschweißt werden. Der Laserstrahl 5 wird dabei annähernd senkrecht auf die seitli­ che Oberfläche der gesamten Anordnung entsprechend der Fig. 1 gerichtet und trifft auf das Silberlot. Nachdem der Brennfleck des Lasers einen größeren Durchmesser als die Stärke der Silberlotschicht besitzen kann, können auch Ver­ schweißungen auftreten. Auf eine Länge von 5 mm werden bei­ spielsweise zwei Schweißpunkte gesetzt. Die Stärke der Silberhartlotschicht 3 beträgt mehr als 30 µm. Nachdem durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ein vor allem extrem verzugsarmes Löten, aber auch ein entsprechendes Schweißen ermöglicht wird, können geringste Toleranzen eingehalten werden. Dies war mit dem direkten Auflöten eines Leuchtdi­ odenchips 1 auf einen Kupferträger 4 in eine Lötanlage bisher nicht möglich. Eine im wesentlichen aus einer Lötung bestehende Verbindung hat gegenüber einer Schweißverbindung Kupfer-Kupfer den großen Vorteil, daß das im Bereich der Hartlote liegende Silberlot zwischen 600 und 800°C auf­ schmilzt. Eine Schweißung würde auf jeden Fall Temperaturen von mindestens 1100°C für Kupfer beinhalten. Wie in der Fig. 1 angedeutet, muß sich die Hartlotschicht 3 nicht flächig zwischen den zu verbindenden Kupferteilen, dem Kupfermodul 2 und dem Kupferträger 4, ausdehnen. Ein an den Rändern des Kupfermoduls 2 plazierter Streifen der Hartlot­ schicht 3 ist ausreichend. Weiterhin genügt eine zweiseitige gegenüberliegende Löt- bzw. Löt/Schweißverbindung des Kupfermoduls 2 mit dem Kupferträger 4.

In der Fig. 2 wird ein Aufbau dargestellt, der die zugrun­ deliegende Aufgabe in anderer Form löst. Auf den Kupferträ­ ger 4 soll ein Kupfermodul 2 aufgebracht werden. Der Leuchtdiodenchip 1 ist hier nicht berücksichtigt worden. Zu erkennen sind zwei Hartlotschichten 3, die speziell aus Sil­ berhartlot bestehen. Die untere Hartlotschicht 3 dient zum Herstellen der Lötverbindung. Es ist jedoch auch eine Löt/Schweiß-Verbindung herstellbar. Die obere Hartlotschicht 3 dient zum Ein- oder Ankoppeln des Laserstrahles 5. Der da­ zwischenliegende Teil des Kupfermoduls 2 sollte möglichst klein gehalten werden. Der Laserstrahl 5 wird grundsätzlich auf die zu verbindende Stelle zwischen Kupfermodul 2 und Kupferträger 4 ausgerichtet. Zur Steigerung des Absorptions­ vermögens der Anordnung wird an der Oberfläche des Kupfermo­ duls 2 an der Auftreffstelle des Laserstrahles 5 diese Hartlotschicht 3 plaziert. Diese obere Hartlotschicht 3 dient primär zur guten und reproduzierbaren Einkopplung des Laserstrahles 5 und führt somit zu einer sehr guten Prozeß­ regelung. Die damit erzeugbare Verbindung kann eine Lötver­ bindung sein, wobei die notwendige Energie zur Erzeugung dieser Lötverbindung mittels Wärmeleitung über das Kupfermo­ dul 2 übertragen wird. Für den Fall, daß das Kupfermodul 2 teilweise durch den Laserstrahl 5 durchdrungen, also aufgeschmolzen wird, entsteht eine Löt-/Schweißverbindung. Es ist sogar denkbar, eine reine Schweißverbindung zu erzeugen. Kupfermodul 2 und Kupferträger 4 müßten für diesen Fall aneinanderliegen. Wesentlich ist jedoch das Vorhanden­ sein der oberen Hartlotschicht 3 zur Steigerung des Absorp­ tionsvermögens für einen Laserstrahl 5. Zusätzlich werden die Bauteile relativ geringen Wärmebelastungen ausgesetzt.

Unter Umständen läßt sich die Schicht aus Hartlot in einfa­ cher Weise in Form einer Folie zwischen die beiden zu verbindenden Kupferteile einbringen.

Claims (4)

1. Laserverfahren zum Verbinden von aneinander liegenden Kupferteilen mit frei liegender seitlich sichtbarer Grenzlinie, insbesondere zum Verbinden von Kupfermoduln (2) mit einem Kupferträger (4), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zu verbindenden Kupferteilen zumindest teilweise eine Hartlotschicht (3) plaziert ist, die an der seitlichen Grenzlinie sichtbar ist und die im wesentlichen die Laserenergie aufnimmt, so daß sie aufgeschmolzen wird und eine Löt- oder eine Löt/Schweiß-Verbindung entsteht, wobei die Hartlotschichten (3) zur Herstellung der Verbindung bzw. zum Ankoppeln des Lasers auf einem oder auf beiden der zu verbindenden Kupferteile plattiert sind.

2. Laserverfahren zum Verbinden von aneinander liegenden Kupferteilen, insbesondere zum Verbinden von Kupfermoduln (2) mit einem Kupferträger (4), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zu verbindenden Kupferteilen zumindest teilweise eine Hartlotschicht (3) plaziert ist und die zum Verbinden notwendige Energie durch einen auf die Verbindungsstelle ausgerichteten Laserstrahl bereitgestellt wird, wobei die Laserenergie primär in eine auf der äußeren Oberfläche eines der zu verbindenden Kupferteile befindliche Hartlotschicht (3) eingebracht wird, so daß an der Stelle der zwischenliegenden Hartlotschicht eine Löt- oder Löt/Schweißverbindung entsteht, wobei die Hartlotschichten (3) zur Herstellung der Verbindung bzw. zum Ankoppeln des Lasers auf einem oder auf beiden der zu verbindenden Kupferteile plattiert sind.

3. Laserverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartlotschicht (3) zur Herstellung der Verbindung geringe Mengen Phosphor enthält.

4. Laserverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hartlotschicht (3) Silberhartlot eingesetzt wird.