DE69315409T2

DE69315409T2 - Laserverbindungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69315409T2
Application number: DE69315409T
Authority: DE
Inventors: Ernest Eisenhardt Bergmann
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2013-09-23
Also published as: EP0590873B1; EP0590873A1; JPH06218567A; EP0771607A3; DE69315409D1; EP0771607A2; US5276303A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Anordnungen zum Laserbonden.
Bei einer Reihe von Anwendungsgebieten wird Laserbonden erfolgreich eingesetzt, um Teile miteinander zu verbinden. Bezüglich näherer Einzelheiten sei auf das amerikanische Patent 4,990,741 mit dem Titel "Method of Laser Welding" verwiesen, das am 5. Februar 1991 für R.J. Moores et al. ausgegeben wurde. Wie dort offenbart wird, können erste und zweite Metallkomponenten entlang eines Schweißpfades miteinander verbunden werden, wobei der Strahl entlang eines Teils des Pfades mittels einer schwach turbulenten Strömung eines inerten Abschirmungsgases fokussiert wird. Für die meisten Anwendungen ist das zur Bildung der Teile verwendete Material (Kunststoff, Metall oder dergleichen) für die optische Strahlung undurchlässig, so daß die Strahlung von der Seite auf das Material auftreffen muß, auf der sich der Kontaktpunkt befindet. Diese Beschränkung führt zu einer zusätzlichen Verkomplizierung und Verteuerung von Laserschweißsystemen.
Im Stand der Technik besteht daher ein Bedarf an einer stärkeren Anwendung von Laserquellen bei zahlreichen Bondanwendungen.
Das amerikanische Patent 4,320,281 offenbart ein Laserbondverfahren, bei dem leitende (metallische) Leitungen 12 an die vorverzinnten Enden eines Dünnfilmkondensators 10 gebondet werden. In den Zuleitungen 12 ist eine Vertiefung 20 ausgebildet, so daß eine Einbuchtung 21 und eine Ausbuchtung 22 entsteht. Letztere steht in Kontakt mit einem Ende 11, wobei in die Einbuchtung 28 ein gepulster Laserstrahl gerichtet wird. Der Strahl wird von dem opaken Material absorbiert, wodurch Wärme erzeugt wird, die durch Wärmeleitung zu einem Aufschmelzen des verzinnten Endes in der Nähe der Ausbuchtung 22 und zur Bildung einer Bondverbindung zwischen dem verzinnten Ende und der Ausbuchtung 22 führt.
Die JP-A-57160590 offenbart eine Laserbondanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Die vorliegende Erfindung, die ein Laserbondverfahren betrifft und insbesondere ein Verfahren zur Verbesserung der Effektivität des Laserbondens, erfüllt den im Stand der Technik bestehenden Bedarf.
Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teil so ausgebildet, daß es vorbestimmte Einrichtungen umfaßt, durch die die optische Strahlung in Richtung auf die miteinander zu verbindenden vorbestimmten Stellen konzentriert wird.
Ein Vorteil der Konzentrierungseinrichtung besteht darin, daß das Teil selbst aus einem Material bestehen kann, das für die Wellenlänge der optischen Strahlung durchlässig ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein erstes Teil aus einem transparenten Material bestehen und eine Konzentrierungseinrichtung, wie z.B. eine einstückig mit dem Material ausgebildeten Linse, umfassen, durch die die Strahlung an der vorbestimmten Stelle konzentriert wird.
Bei einer Ausführungsform, bei der beide Teile transparent sind, kann man an der Grenzfläche zwischen den Teilen ein absorbierendes Material (wie z.B. ein Epoxidharz) verwenden, das die Strahlung absorbiert und zu einer Erwärmung führt.
Alternativ hierzu kann das erste Teil so ausgebildet sein, daß es eine Beugungseinrichtung umfaßt, durch die die Strahlung in der Nähe der Stelle konzentriert wird, an der die Teile miteinander zu verbinden sind.
Andere Ausführungsformen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Bezug zu den zugehörigen Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen, in denen gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Anordnung zum Bonden mittels eines konzentrierten Laserstrahls;
Fig. 2 eine alternative Anordnung zum Bonden mittels eines konzentrierten Laserstrahls;
Fig. 3 und 4 verwendbare alternative Gestaltungen der Öffnungen;
Fig. 5 bis 7 alternative erfindungsgemäße Ausführungsformen mit zumindest einem transparenten Teil und einer alternativen Konzentrierungseinrichtung;
Fig. 8 eine Ausführungsform mit einer Gestaltung der Öffnung, mit der sich innerhalb der Öffnungen jeweils mehrere Laserbondverbindungen anbringen lassen;
Fig. 9 eine erfindungsgemäße Ausführungsform; und
Fig. 10 ein beispielhaftes Teil mit einer Anzahl von unterschiedlich gestalteten Öffnungen, die zum Anbringen von Bondverbindungen geeignet sind.
Es sei bemerkt, daß die in den Fig. 1 4, 8 und 10 dargestellten Ausführungsformen nicht in den durch die zugehörigen Ansprüche bestimmten Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung 10 zur Erzeugung einer Verbindung mittels eines konzentrierten Laserstrahls. (Das Verfahren wird nachstehend als "Laserschweißen" bezeichnet; es kann jedoch auch Laserheftschweißen und Laserbonden umfassen).
Die Anordnung 10 umfaßt ein erstes Teil 12 und ein zweites Teil 14, die jeweils ein Material umfassen, das für optische Strahlung undurchlässig ist. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um Kunststoff oder um rostfreien Stahl handeln. Es sei angenommen, daß die Teile an den Stellen A und B in Fig. 1 aneinander befestigt werden sollen.
Das Teil 14 umfaßt zwei konzentrierende Öffnungen 16 und 18. Wie zu erkennen ist, trifft konzentrierte optische Strahlung auf das Teil 14 auf, wo sie in die Öffnungen 16 und 18 eintritt. Die Strahlung trifft insbesondere in Form mehrerer kollimierter Lichtstrahlen auf, die in die Öffnungen 16 und 18 eintreten (die Gestaltung, die Anzahl und die Anordnung der Öffnungen ist beliebig und wird nachstehend noch ausführlicher diskutiert; das Befestigen erfolgt an einer beliebigen vorgegebenen Anzahl von Stellen).
Die in die Öffnungen 16 und 18 eintretende Strahlung wird in Richtung auf die Enden 20 und 22 der Öffnungen 16 und 18 kontinuierlich konzentriert. Solange die Seitenwände der Öffnungen 16 und 18 nach innen geneigt sind, wird ein ausreichend großer Teil der auf die Seitenwände auftreffenden Strahlung im allgemeinen wieder in die Öffnungen zurückreflektiert, so daß er sich weiter in Richtung auf die Enden 20, 22 ausbreitet. Es sei bemerkt, daß die Enden 20, 22 nicht notwendigerweise mit der Endfläche 24 des Teils 14 zusammenfallen müssen. Solange sich die Enden 20, 22 im wesentlichen in der Nähe der Oberfläche 24 befinden, tritt eine ausreichende Erwärmung auf, so daß an den Stellen A und B ein Laserschweißen erfolgt.
Fig. 2 veranschaulicht eine alternative Anordndung 20 zum Laserschweißen. Wie zu erkennen ist, ist ein erstes Teil 32 an der mit dem Bezugszeichen 36 versehenen Stelle mit einem zweiten Teil 34 verbunden. In der Seitenwand des zweiten Teils 34 ist eine Öffnung 38 ausgebildet, deren Seitenwand 39 so geneigt ist, daß die Strahlung nach oben gerichtet ist. Das erste Teil 32 kann auch eine unter einem gewissen Winkel geneigte Seitenwand aufweisen (obgleich dies nicht dargestellt ist).
Es sind auch zahlreiche andere Gestaltungen der Öffnung möglich, so wie dies beispielsweise in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt ein Teil 40 mit einer konzentrierenden Öffnung 42 zur Durchführung des Laserschweißens.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, umfaßt die Öffnung 42 nach innen gekrümmte Seitenwände 44, 46, durch die die Laserstrahlung zu einem Schweißpunkt 48 geleitet wird. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel endet die Öffnung 42 innerhalb des Teils 40 an einer Stelle, die zu dem Schweißpunkt 48 beabstandet ist. Wie oben bereits erklärt wurde, wird durch die Konzentrierung der Laserstrahlung an den Enden eine ausreichend starke Erwärmung erzeugt (die durch unterbrochen dargestellte Linien angedeutet ist) um an der Stelle 48 ein Verschweißen zu bewirken. Das zur Bildung der Öffnungen tatsächlich verwendete Verfahren muß somit nicht genau gesteuert werden, da es üblicherweise ausreicht, die Öffnungen zumindest benachbart zu der Tiefe der Schweißpunkte auszubilden. Fig. 4 veranschaulicht ein anderes Teil, das eine Öffnung umfaßt, die an einer Stelle endet, die zu dem Schweißpunkt beabstandet angeordnet ist.
Ein Teil 50 umfaßt insbesondere eine konzentrierende Öffnung 52, die in dem vorliegenden Fall konkav gekrümmte Seitenwände 54, 56 umfaßt. Ein Schweißpunkt 58 ist in Fig. 4 zu dem Endpunkt der Öffnung 52 beabstandet angeordnet. Es sei bemerkt, daß zur Durchführung eines konzentrierten Laserschweißens auch andere Öffnungen erfolgreich eingesetzt werden können. Im allgemeinen kann nahezu jede Gestaltung verwendet werden, mit der sich Energie zu gewünschten Stellen hin übertragen läßt.
Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform 60, bei der der Verlauf der optischen Strahlung durch Brechung verändert wird. Ein erstes Teil 62 ist hierbei an der mit dem Bezugszeichen 66 versehenen Stelle an einem zweiten Teil 64 anzubringen. In diesem Fall muß das zweite Teil 64 ausreichend durchlässig für die Wellenlänge der einfallenden Strahlung sein. Das zweite Teil 64 umfaßt eine als Linse ausgebildete Oberfläche 68, durch die der kollimierte Lichtstrahl in Richtung auf den Schweißpunkt 66 hin konzentriert wird. Wenn das zweite Teil 64 ein Kunststoffmaterial umfaßt, kann die Linse 68 beim Formgebungsverfahren ausgebildet werden. Wenn das zweite Teil 64 alternativ hierzu ein Siliciumsubstrat umfaßt, kann die Linse 68 geätzt werden. Die Form der Oberfläche 68 stellt jedenfalls keinen kritischen Punkt dar, solange eine ausreichende Menge an Strahlung relativ dicht bei dem gewünschten Schweißpunkt 66 konzentriert wird.
Fig. 6 veranschaulicht eine andere Ausführungsform mit einem transparenten Konzentrierungsteil. Wie zu erkennen ist, umfaßt die Anordnung 70 ein erstes Teil 72 und ein zweites Teil 74, wobei das zweite Teil 74 ausreichend durchlässig für die Wellenlänge der einfallenden Strahlung ist. Das zweite Teil 74 umfaßt einen konzentrierenden Bereich 76, der so geformt ist, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist und der dazu dient, die Strahlung auf einen Schweißpunkt 78 zu richten. Der konzentrierende Bereich 76 ist insbesondere so ausgebildet, daß die Strahlung reflektiert wird, da ein Luftspalc den Bereich 76 umgibt.
Fig. 7 veranschaulicht eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem transparenten Konzentrierungsteil. Eine Anordnung 80 umfaßt insbesondere ein erstes Teil 82 und ein zweites Teil 84, wobei das zweite Teil 84 ausreichend durchlässig für die Wellenlänge der einfallenden Strahlung ist. Das zweite Teil 84 umfaßt ein Beugungsgitter 86, das auf der Oberfläche des zweiten Teils 84 ausgebildet ist. Als Ausführungsbeispiel kann das Beugungsgitter eine Zonenplatte umfassen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann das Beugungsgitter so ausgebildet werden, daß die einfallende Strahlung an einer gewünschten Stelle, wie z.B. an einem vorbestimmten Schweißpunkt 88, konzentriert wird.
Wie oben bereits erwähnt wurde, kann eine konzentrierende Öffnung so ausgebildet werden, daß sie eine parabelförmige Öffnung umfaßt, wobei innerhalb einer Öffnung gleichzeitig zwei Laserschweißpunkte gebildet werden. Fig. 8 veranschaulicht in einer dreidimensionalen Ansicht eine beispielhafte Anordnung 90, bei der ein erstes Teil 92 mit einem zweiten Teil 94 zu verbinden ist. Das zweite Teil 94 umfaßt eine Öffnung 96 mit zwei parabelförmigen Seitenwänden 98 und 100 in der Öffnung. Wenn ein einfallender kollimierter Lichtstrahl auf die parabelförmige Öffnung 96 gerichtet wird, erhält man bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die mit dem Bezugszeichen 102 und 104 versehenen Brennpunktlinien. Innerhalb einer einzigen Öffnung erhält man somit zwei linear verlaufende Laserverschweißungen.
Fig. 9 veranschaulicht eine Ausführungsform 120 zur Schaffung linear verlaufender Laserschweißstellen. Pei dieser Anordnung ist ein erstes Teil 122 mittels eines Lasers an einem zweiten Teil 124 zu verschweißen, wobei das zweite Teil 124 ausreichend durchlässig für die wellenlänge der zur Durchführung des Schweißens verwendeten optischen Strahlung ist. Die Seitenwände 126 des Teils 124 sind so ausgebildet, daß sie, so wie dies dargestellt ist, parabelförmig gestaltete Bereiche umfassen, durch die die einfallende kollimierte Strahlung entlang der Linien 130 und 132 fokusiert wird.
Wie oben bereits erwähnt wurde, sind zur Durchführung des Laserbondens unterschiedlich gestaltete Öffnungen geeignet, solange durch diese Öffnungen ein in der Nähe der Bondstelle ausreichend hohe Konzentration an Strahlung erzeugt wird. Fig. 10 veranschaulicht ein beispielhaftes Teil 140, das mehrere unterschiedliche Öffnungen umfaßt, die auf die oben beschriebene Art und Weise eingesetzt werden. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Ausführungsformen enden die dargestellten Öffnungen des Teils 140 nicht in einem Punkt oder in einer geraden Linie. Eine Gruppe von vier Öffnungen 142 endet insbesondere, so wie dies dargestellt ist als Kreisbogen, so daß das Bonden beispielsweise entlang der Peripherie eines kreisförmigen Teils erfolgen kann. Die Öffnungen sind, so wie dies auch bei den oben beschriebenen Anordnungen der Fall war, so ausgebildet, daß sie Seitenwände umfassen, durch die die Laserstrahlung entlang des Scheitelpunktes oder der Spitze konzentriert wird. Die Öffnung 144 endet in einem kreuzförmigen Scheitelpunkt. Dies stellt eine andere geeignete Form dar. Im allgemeinen können zur Erreichung der gewünschten Resultate beliebige Gestaltungen verwendet werden.
Es sei bemerkt, daß es auch andere Anordnungen gibt, die zum erfindungsgemäßen Befestigen mittels eines konzentrierten Laserstrahls geeignet sind. Die oben diskutierten unterschiedlichen Ausführungsformen dienen lediglich als Beispiel. Sie sind lediglich beispielhaft und stellen keinerlei Beschränkung dar. Wie oben bereits erwähnt wurde, können die konzentrierenden Einrichtungen in Verbindung mit zahlreichen Arten von auf Lasern basierenden Bondverfahren verwendet werden&sub1; die auch das Schweißen, Löten und Anheften oder Laserheftschweißen umfassen, wobei sie jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt sind.

Claims

1. Laserverbindungsanordnung mit folgenden Merkmalen:

ein erstes Stück oder Teil (z.B. 62, 72, 82) und

ein zweites Stück oder Teil (z.B. 64, 74, 84);

das erste Stück oder Teil soll an das zweite Stück oder Teil an mindestens einer vorbestimmten Befestigungsstelle (z.B. 66, 78, 88) mit Laser gebondet werden;

mindestens ein Stück oder Teil umfaßt ein Strukturmerkmal (z.B. 68, 76, 86) zur Konzentrierung der Strahlung von dem Laser zu der mindestens einen Befestigungsstelle, wobei das strukturelle Merkmal einen transparenten Weg umfaßt, der die konzentrierte Strahlung dazu bringt, an der Befestigungssstelle aufzutreffen;

dadurch gekennzeichnet, daß das strukturelle Merkmal des transparenten Weges entweder eine gestaltete Oberfläche (z.B. 68) von mindestens einem transparenten Stück oder Teil an einer Stelle umfaßt, bei der die Konzentration der Laserstrahlung an der mindestens einen Befestigungsstelle bewirkt werden kann, oder eine Region (z.B. 76) innerhalb des transparenten Stücks oder Teils umfaßt, die sich verjüngt, um so eine interne Reflexion zu schaffen, die ausreicht, die Laserstrahlung zu der mindestens einen Befestigungsstelle hin zu konzentrieren, oder ein Diffraktionsgitter (z.B. 86) umfaßt, das an der Oberfläche von mindestens einem transparenten Stück oder Teil geformt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei dem das Merkmal eine Linse umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, worin das Diffraktionsgitter eine Zonenplatte umfaßt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, worin die mindestens eine Befestigungstelle entweder im wesentlichen einen Punkt, oder ein Liniensegment umfaßt oder einen Bogen aufweist oder eine vorbestimmte Geometrie bildet.