DE69203074T2 - Verfahren zum Verbindung von Bauelementen durch Laserlöten. - Google Patents

Verfahren zum Verbindung von Bauelementen durch Laserlöten.

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005Soldering by means of radiant energy
    • B23K1/0056Soldering by means of radiant energy soldering by means of beams, e.g. lasers, E.B.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verbinden von Bauelementen und, insbesondere, auf Verfahren zum Verbinden von Bauelementen durch Laserlöten.
  • In der Laserlöttechnik wird ein Lot oder Lötmittel zwischen Oberflächen von zwei miteinander zu verbindenden Bauelementen gebracht und durch Wärme durch einen Laserstrahl geschmolzen. Wenn das Lötmittel einen niedrigeren Schmelzpunkt als die miteinander zu verbindenden Bauelemente hat und die Oberflächen der Bauelemente derart sind, daß sie von dem geschmolzenen Lötmittel benetzt werden, wird beim Erstarren des Lötmittels eine gute metallurgische Verbindung gebildet, wobei die beiden Bauelemente miteinander verbunden werden.
  • Die Ausbildung einer guten metallurgischen Verbindung ist nicht möglich, wenn Oxidschichten oder Verunreinigungen auf den miteinander zu verbindenden Oberflächen verhindern, daß das geschmolzene Lötmittel diese Oberflächen benetzt.
  • Darüber hinaus hat das Lötmittel im erstarrten Zustand oft ein hohes Reflexionsvermögen, so daß die Wärmeübertragung auf das Lötmittel von einem darauf gerichteten Laserstrahl langsam stattfindet.
  • Die Verwendung eines Flußmittels, das auf die miteinander zu verbindenden Oberflächen angewendet wird, überwindet diese Schwierigkeiten, da das Flußmittel Oxidschichten und Verunreinigungen entfernt und auch ein viel niedrigeres Reflexionsvermögen als das erstarrte Flußmittel hat, so daß Laserenergie schnell auf das Flußmittel übertragen wird, und dann das Lötmittel durch Wärmeleitung schmilzt.
  • Flußmittelrückstände, die nach dem Schmelzen des Flußmittels übrigbleiben, führen aber zu einer Verunreinigung rund um die Verbindung zwischen den beiden Bauelementen. Dies stellt dort ein Problem dar, wo eine hoch zuverlässige und saubere Verbindung erforderlich ist.
  • Eine Lösung zu diesem Problem ist es, die miteinander zu verbindenden Bauelemente mit einem Material zu beschichten, das vom Lötmittel leicht benetzt wird. Edelmetalle, wie beispielsweise Gold, sind für diesen Zweck geeignet, da sie in Luft nicht oxidieren, so daß man ein Flußmittel zum Beseitigen etwaiger Oxidschichten nicht benötigt. Wird eine Laserlöttechnik eingesetzt, ist allerdings die Kopplung von Laserenergie zum Gold unberechenbar und schwierig zu kontrollieren. Wenn das Gold vom Lötmittel benetzt wird, wird allerdings dieser Benetzungsvorgang fortgeführt, bis das gesamte Lötmittel aufgebraucht ist oder die Temperatur auf einen zu niedrigen Wert abgesunken ist, um fluides Metall aufrecht zu erhalten.
  • Breitet sich darüber hinaus das Lötmittel über den Bereich der Verbindung hinaus aus, führt dies zu einer geschwächten Verbindung.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden von Bauelementen durch Laserlöten vorzusehen, bei dem einige der oben beschriebenen Probleme überwunden sind.
  • Nach der Erfindung ist vorgesehen ein Verfahren zum Verbinden von zwei Bauelementen durch Löten unter Verwendung von Wärme, die von einem Laserstrahl erzeugt wird, enthaltend die Schritte: Ausbilden auf einer Oberfläche von einem Bauelement eine Schicht aus einem Material, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material dieses einen Bauelements hat und das beim Wiedererstarren im Anschluß an das Schmelzen eine metallurgische Verbindung mit dieser Oberfläche bildet; Einlegen eines Lötmittels, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material dieser Schicht hat, zwischen diese Schicht und eine Oberfläche des anderen Bauelements, welches Lötmittel beim Wiedererstarren im Anschluß an das Schmelzen in Berührung mit dem Schichtmaterial und der Oberfläche des anderen Bauelements metallurgische Verbindungen mit dem Schichtmaterial und mit dieser Oberfläche des anderen Bauelements ausbildet; Vorsehen eines Überzugs auf der Oberfläche dieser Schicht angrenzend an das Lötmittel aus einem Material, das aufbricht oder anderweitig dispergiert, wenn das angrenzende Schichtmaterial schmilzt, und das von dem geschmolzenen Lötmittel nicht benetzt wird; und Anwenden von Wärme auf einen Bereich dieser Schicht unter Verwendung eines Laserstrahls, um dadurch diese Schicht in diesem Bereich und das angrenzende Lötmittel zu schmelzen und auf diese Weise beim Wiedererstarren des Lötmittels und des geschmolzenen Schichtmaterials metallurgische Verbindungen zwischen dem Lötmittel und dieser Oberfläche des anderen Bauelements, zwischen dem Lötmittel und diesem Bereich der Schicht und zwischen diesem Bereich der Schicht und der Oberfläche von dem einen Bauelement auszubilden.
  • Vorzugsweise wird der Überzug durch Reaktion der freiliegenden Oberfläche dieser Schicht mit einem Reaktionsmittel ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt das Überziehen ein Oxidüberziehen und das Reaktionsmittel ist in der Atmosphäre vorhandener Sauerstoff.
  • Alternativ wird das Überziehen dadurch ausgeführt, daß ein Material auf die freiliegende Oberfläche der Schicht aufgebracht wird.
  • Es sei bemerkt, daß der Laserstrahl vorzugsweise die jeweiligen Schichtbereiche gleichzeitig schmilzt.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung nach der Erfindung werden nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine beigefügte Zeichnung beschrieben, die einen Querschnitt von zwei miteinander zu verbindenden Bauelementen zeigt, und zwar vor dem die Verbindung bewirkenden Erhitzen.
  • Unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur sei ausgeführt, daß die miteinander zu verbindenden Bauelemente ein Gehäuse 1 aus einem Tonerde- oder Aluminiumoxidwerkstoff (Alumina) und eine über das Gehäuse 1 zu plazierende Abdeckung 3 sind, die das beispielsweise elektronische Bauelemente aufnehmende Gehäuse hermetisch abdichten soll. Die Abdeckung 3 besteht aus einem Metall, beispielsweise einer Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung wie Kovar (eingetragene Warenmarke), mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der dicht bei demjenigen des Aluminiumoxidwerkstoffs liegt.
  • Die Abdeckung 3 ist mit einer Schicht 5 aus einem Material plattiert, das bei einer niedrigeren Temperatur als das Material der Abdeckung 3 schmilzt und damit bei der Wiederverfestigung oder Wiedererstarrung eine metallurgische Verbindung bildet. Auf der freiliegenden Oberfläche der Schicht 5 befindet sich ein Oxidüberzug 11, der auf natürliche Weise bei Aussetzung an Luft entstanden ist. Ein geeignetes Material für die Schicht 5 ist stromloses Nickel (stromloses Vernickeln), eine Nickel-Phosphor-Legierung. Eine Goldschicht 9 ist auf der mit der Abdeckung 3 zu verbindenden Oberfläche des Gehäuses 1 ausgebildet. Ein Vorformling 7 aus Lötmittel, beispielsweise Zinn/Blei-Lötmittel, mit einem Schmelzpunkt unterhalb von demjenigen des Materials der Schicht 5 und einem Siedepunkt, der höher als der Schmelzpunkt des Schichtmaterials ist, wird eingelegt zwischen die Goldschicht 9 und die Schicht 5 auf der Abdeckung 3.
  • Um das Gehäuse 1 und die Abdeckung 3 miteinander zu verbinden, wird ein defokussierter Strahl von Licht eines gepulsten Nd/YAG-Lasers auf einen Bereich 13 der Schicht 5 auf der Oberfläche der Abdeckung 3 gerichtet, der den miteinander zu verbindenden Oberflächen direkt gegenüberliegt. Die Energie im Laserstrahl reicht aus, um im Bereich 13, auf den das Laserlicht gerichtet ist, die Schicht 5 zu schmelzen. Somit wird im Bereich 13 die Schicht geschmolzen, ohne daß dabei das Material der Abdeckung 3 geschmolzen wird. Weiterhin wandert die erzeugte Wärme durch die Abdeckung 3 zu einem Bereich 15 der Schicht 5 direkt entgegengesetzt des Bereiches 13. Der Bereich 15 der Schicht 5 schmilzt ebenfalls und bildet eine metallurgische Verbindung mit der Abdeckung 3 im Anschluß an das Wiedererstarren. Wegen der Wärmeabsorption durch die Abdeckung 3 ist der direkt erhitzte Bereich 13 größer als der durch Wärmeleitung erhitzte Bereich 15. Die in der Figur eingezeichneten gestrichelten Linien, die die Abdeckung 3 durchqueren, zeigen den Wärmeübertragungsweg zum Bereich 15.
  • Die zum Bereich 15 geleitete Wärme veranlaßt dann auch ein Schmelzen des Lötmittelvorformlings 7, und das geschmolzene Lötmittel bildet dann beim Wiedererstarren eine metallurgische Verbindung mit der Goldschicht 9 und der Schicht 5 im Bereich 15, wo die Oxidschicht 11 aufbricht, wenn die Schicht 5 schmilzt. Rund um den Bereich 15, wo die Schicht 5 nicht schmilzt, bleibt der Oxidüberzug 11 intakt und bildet eine Barriere, die verhindert, daß geschmolzenes Lötmittel die Schicht 5 benetzt und mit ihr eine metallurgische Verbindung eingeht.
  • Es sei bemerkt, daß die Goldschicht 9 vom geschmolzenen Lötmittel 7 leicht benetzt wird, da sie keine Oxidschicht hat, die sonst eine Barriere bilden und eine Benetzung durch das Lötmittel verhindern würde.
  • Anstelle des Schmelzens eines Teils der Schicht 5 und des Lötmittelvorformlings 7 durch Wärmeleitung durch die Abdeckung 3, kann man einen Teil der Schicht 5 und des Vorformlings 7 dadurch schmelzen, daß ein Laser direkt auf einen Teil der freiliegenden Ränder der Schicht 5 und des Vorformlings 7 gerichtet wird, wie es durch einen Pfeil 17 in der Figur angedeutet ist.
  • Geringfügige betriebliche Schwankungen beim Laserlöten können Anlaß zu lokalisierten Temperaturzunahmen eines erhitzten Bauelements geben. Aus diesem Grunde ist es notwendig, daß der Schmelzpunkt der Schicht 5 hinreichend tiefer als der Schmelzpunkt der Abdeckung 3 ist, d.h. wenigstens 50 ºC und vorzugsweise mehr als 200 ºC unterhalb desjenigen der Abdeckung 3, um die Gefahr eines Schmelzens der Abdeckung 3 zu vermeiden. Falls das Lötmitel 7 und die Schicht 5 bei im wesentlichen gleichen bzw. ähnlichen Temperaturen schmelzen, kommt es zu einem Schmelzen von Bereichen der Schicht 5, die über den vom Laser erhitzten Bereich 15 hinausgehen, und zwar bevor das gesamte vorgesehene Lötmittel 7 geschmolzen ist, mit dem Ergebnis, daß der Überzug 11 über im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Abdeckung 3 aufbricht. Wenn nicht nur ein Teil der Abdeckung 11 aufbricht, benetzt das Lötmittel 7 einen großen Anteil der Schicht 5, wodurch die gebildete Verbindung geschwächt wird, weil das Lötmittel über einen größeren Bereich verteilt wird. Es ist daher notwendig, daß der Schmelzpunkt der Schicht 5 beträchtlich höher als derjenige des Lötmittels ist. Die tatsächlich benötigte Differenz hängt augenscheinlich von den Abmessungen der Abdeckung 3 und des damit zu verbindenden Gehäuses 1 ab, als auch von den Abmessungen des Lötmittels 7 und des Überzugs 11 sowie von den spezifischen Wärmekapazitäten der verwendeten Materialien. Der Schmelzpunkt der Schicht 5 ist aber normalerweise nicht um weniger als 100 ºC höher als derjenige des Lötmittels 7 und ist vorteilhafterweise um wenigstens 200 ºC höher.
  • Der Schichtschmelzpunkt muß aber geringer als der Siedepunkt des Lötmittels 7 sein. Falls der Schichtschmelzpunkt zu hoch ist, bleibt die Schicht 5 im Anschluß an das Schmelzen nur für eine kurze Zeitdauer im geschmolzenen Zustand, und zwar wegen ihrer geringen thermischen Masse. Da die Ausbildung der metallurgischen Verbindung Zeit benötigt, ist es erwünscht, die Zeitdauer zu optimieren, während der die Schicht 5 im geschmolzenen Zustand bleibt. Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel, bei dem die Abdeckung 3 aus Kovar ist, wählt man die Schicht 5 vorzugsweise derart aus, daß sie einen Schmelzpunkt von weniger als 1200 ºC hat, und somit in geeigneter Weise aus stromlosem Nickel besteht, das in Abhängigkeit vom Phosphorgehalt einen Schmelzpunkt von 1000 ºC bis 1200 ºC hat.
  • Ein weiterer Vorteil des Auswählens eines relativ niedrigen Schichtschmelzpunktes besteht darin, daß vom Laser weniger Energie benötigt wird, um die Schicht 5 zu schmelzen. Da es schwierig sein kann, in einem ausreichenden Maße Energie vom Laser zur Schicht 5 zu koppeln, ist bei einem niedrigeren Schichtschmelzpunkt die Wahrscheinlichkeit größer, daß die vom Laser gekoppelte Energie zum Schmelzen der Schicht ausreicht.
  • Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel erzeugt die Schicht auf ihrer freiliegenden Oberfläche in natürlicher Weise einen Oxidüberzug, der in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre reagiert. Einen Sulfidüberzug könnte man auch in einer schwefelhaltigen Atmosphäre auf natürliche Weise durch geeignete Schichtmaterialien herstellen, die denselben Zweck wie der Oxidüberzug erfüllen. Alternativ könnte man einen geeigneten Materialüberzug auf der freiliegenden Oberfläche der Schicht durch Ablagern, Niederschlagen oder andere Aufbringungsverfahren ausbilden.
  • Ein geeigneter Überzug muß allerdings hinreichend dünn sein, damit er beim Schmelzen vom benachbarten Schichtmaterial aufgebrochen wird, und das ausgewählte Überzugsmaterial muß von einer solchen Art sein, daß es vom geschmolzenen Lötmittel nicht benetzt wird.
  • Obgleich bei dem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das hier beispielshalber beschrieben ist, eine herkömmliche metallurgische Lötmittel-Gold-Verbindung verwendet wird, um eine Verbindung zwischen dem Lötmittel und dem Gehäuse 1 herzustellen, können bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung andere Lötmittelverbindungstechniken eingesetzt werden, um die Verbindung zwischen dem Lötmittel und dem anderen Bauelement herzustellen. Darüber hinaus kann die Verbindung zwischen dem Lötmittel und dem anderen Bauelement bei geeigneten Umständen auch durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt werden, das hier zum Herstellen der Verbindung zwischen dem Lötmittel und dem einen Bauelement beschrieben ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verbinden von zwei Bauelementen (1, 3) durch Löten unter Anwendung von Wärme, die durch einen Laserstrahl erzeugt wird, enthaltend: Ausbilden auf einer Oberfläche von einem Bauelement (3) eine Schicht (5) aus einem Material, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material des einen Bauelements (3) hat und das beim Wiedererstarren im Anschluß an das Schmelzen eine metallurgische Verbindung mit der Oberfläche bildet; Einlegen eines Lötmittels (7), das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der Schicht (5) hat, zwischen die Schicht (5) und eine Oberfläche des anderen Bauelements (1), welches Lötmittel (7) beim Wiedererstarren nach dem Schmelzen in Berührung mit dem Schichtmaterial (5) und der Oberfläche des anderen Bauelements (1) metallurgische Verbindungen mit dem Schichtmaterial (5) und mit der Oberfläche des anderen Bauelements (1) bildet; Vorsehen auf der Oberfläche der Schicht (5) angrenzend an das Lötmittel (7) eines Überzugs (11) aus einem Material, das aufbricht oder anderweitig dispergiert, wenn das angrenzende Schichtmaterial (5) schmilzt, und das von dem geschmolzenen Lötmittel (7) nicht benetzt wird; und Anwenden von Wärme auf einen Bereich (15) der Schicht (5) unter Verwendung eines Laserstrahls, um dadurch die Schicht (5) in dem Bereich (15) und das angrenzende Lötmittel (7) zu schmelzen und auf diese Weise beim Wiedererstarren des Lötmittels (7) und des geschmolzenen Schichtmaterials (5) metallurgische Verbindungen zwischen dem Lötmittel (7) und der Oberfläche des anderen Bauelements (1), zwischen dem Lötmittel (7) und dem Bereich (15) der Schicht (5) und zwischen dem Bereich (15) der Schicht (5) und der Oberfläche des einen Bauelements (3) auszubilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schichtmaterial (5) einen Schmelzpunkt hat, der um mehr als 200 ºC niedriger als derjenige des Materials des einen Bauelements (3) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Schichtmaterial (5) einen Schmelzpunkt hat, der um nicht weniger als 200 ºC höher als der Schmelzpunkt des Lötmittels (7) ist.
4. Verfahren nach irgendeinem vorangegangenen Anspruch, bei dem der Überzug (11) durch Reaktion der freiliegenden Oberfläche der Schicht (5) mit einem Reaktionsmittel ausgebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Überzug (11) einen Oxidüberzug enthält und das Reaktionsmittel in der Atmosphäre enthaltener Sauerstoff ist.
6. Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Schicht (5) aus stromlosem Nickel besteht.
7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Überzug (11) durch Aufbringen eines Materials auf die freiliegende Oberfläche der Schicht (5) vorgesehen wird.
8. Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Lötmittel (7) ein Zinn/Blei-Lot ist.
9. Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das eine Bauelement (3) aus einem Nickel- Kobalt-Eisen-Legierungsmaterial besteht.
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