KR20180055817A - 레이저 가공 기계 및 dbc 구조의 겹치기 용접 방법 - Google Patents

레이저 가공 기계 및 dbc 구조의 겹치기 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 피공작물(2, 3)의 레이저 용접, 특히 DBC(Direct Bonded Copper) 구조(4)의 겹치기 용접(lap welding)을 위한 레이저 가공 기계(1)로서, 레이저 빔(5)을 생성하기 위한 레이저 빔 생성기(7)와 레이저 빔(5)을 가공면(10)으로 이미징하는 광학 이미징 시스템(9)을 포함하는 레이저 가공 기계에서, 광학 이미징 시스템(9)은, 레이저 빔(5)의 반경방향 출력 밀도 분포(Pr)가 빔 축(16)에 직각인 각각의 평면에서 이미징 깊이(Δd)를 따라 종형이고, 이미징 깊이(Δd)를 따른 종형 출력 밀도 분포의 최대값(Pmax)들이 서로에 대해 10 % 미만, 바람직하게는 5 % 미만으로 변하게 하는 방식으로 적어도 ±2 mm, 바람직하게는 적어도 ±5 mm의 이미징 깊이(Δd)로 가공면(10)에 레이저 빔(5)을 이미징하는 광학 빔 정형 시스템(15; 22)을 포함한다.

Description

레이저 가공 기계 및 DBC 구조의 겹치기 용접 방법
본 발명은 피공작물을 레이저 용접, 특히 DBC 구조를 겹치기 용접(lap welding)하기 위한 레이저 가공 기계로서, 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성기및 레이저 빔의 이미지를 가공면으로 투영하는 광학 이미징 시스템을 포함하는 레이저 가공 기계와, 또한 레이저 빔을 사용하여 가공면에서 피공작물을 레이저 용접, 특히 DBC 구조를 겹치기 용접하기 위한 방법에 관한 것이다.
DE 100 05 593 C1은, 집속 렌즈의 평탄한 원추형 렌즈(“액시콘”으로 알려져 있음)를 포함하는 광학 시스템이, 한편으로는 대형 빔 스폿을 그리고 다른 한편으로는 가공면을 나타내는 집속면에 환형 에너지 분포를 달성하도록 하는 방식으로 레이저 빔을 정형하는 피공작물의 스팟 용접 방법을 개시한다.
DBC(Direct Bonded Copper; 직접 접합 구리) 구조는 고출력 전자기기에서 사용되며, 세라믹 기판과 이 세라막 기판 위에서 연장되는 구리 트랙을 포함하는 다층 시스템으로 이루어진다. 구리는 열과 전류를 전도하며, 세라믹은 열을 전도하고 전류는 절연한다. 구리 트랙은 각각 구리의 터미널 컨택트에 전기 접속되어야만 한다. 이것은 지금까지 초음파 용접에 의해 지금까지 일어났지만, 이는 세라믹 기판에 균열 및 열의 축적을 야기할 수 있고, 따라서 신뢰성 있는 결과를 생성하지 못한다. DBC 구조의 경우, 세라믹의 구리층이 매우 얇기 때문에, 용접 공정은 매우 신뢰성 있게 그리고 정확하게 재현가능한 용접 깊이로 수행되어야만 한다.
따라서, 본 발명은 레이저 용접 공정이 매우 신뢰성 있게 그리고 정확하게 재현가능한 용접 깊이로 수행되도록 초기에 언급된 레이저 가공 기계 및 방법을 개선하는 목적에 주안점을 두고 있다.
이 목적은, 본 발명에 따라, 광학 이미징 시스템이, 레이저 빔의 반경방향 출력 밀도 분포가 빔 축에 직각인 각각의 평면에서 이미징 깊이를 따라 종형이고, 이미징 깊이를 따른 종형 출력 밀도 분포의 최대값들이 서로에 대해 10 % 미만, 바람직하게는 5 % 미만으로 변하게 하는 방식으로 적어도 ±2 mm, 바람직하게는 적어도 ±5 mm의 이미징 깊이로 가공면에 레이저 빔을 이미징하는 광학 빔 정형 시스템을 포함한다는 점에서 달성된다.
출력 측정이 보여줬다시피, 본 발명에 따른 광학 빔 정형 시스템은 이미징 깊이 영역에서
- 빔 방향(z 방향)으로 수 밀리미터에 걸쳐 큰 출력 항상성, 및
- 빔 방향에 대해 반경방향으로 종형 출력 밀도 분포 - 재현가능한 용접 깊이를 초래함 - 를 형성한다.
재현가능한 용접 깊이로 인해, 온도에 민감한 하부 구조를 갖는 구성요소를 레이저 용접하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 용접 깊이가 너무 깊기 때문에 레이저 용접 중에 발생할 수 있는 도전 컨택트의 하부 구조(예를 들어, 세라믹 기판)에 대한 손상을 피할 수 있다. 본 발명은 세라믹 기판 상의 구리층이 매우 얇은 DBC 구조의 경우에 세라믹 기판을 파괴하지 않으면서 정확히 재현가능한 용접 깊이로 매우 신뢰성 있는 용접 프로세스가 이루어지게 하고, 종형 출력 밀도 분포로 인해, 예컨대 환형 출력 밀도 분포에 의해 발생하는, 용접 대상 구리 구성요소들 사이에 열의 축적도 또한 방지한다.
본 발명의 제1 바람직한 실시예에서, 광학 빔 정형 시스템은 볼록 또는 오목 액시콘으로서 형성되며, 상기 가공면은 볼록 액시콘의 경우에는 광학 이미징 시스템의 집속면 전방에 있는 과집속(overfocusing) 영역에 놓이고, 오목 액시콘의 경우에는 상기 집속면 후방의 부족 집속(underfocusing) 영역에 놓인다. 액시콘은 레이저 빔 광선의 발산 또는 평행 경로에 배치될 수 있으며, 후자의 경우 액시콘은 여러 기존의 광학 시스템에 쉽게 포함될 수 있다.
본 발명의 제2 바람직한 실시예에서, 광학 빔 정형 시스템은 이중 초점 대물 렌즈에 의해 형성되며, 가공면은 이중 초점 대물 렌즈의 두 초점 사이에 놓인다. 바람직하게는 광학 균질화 시스템이 이중 초점 대물 렌즈 전방에 배치되며, 이 광학 균질화 시스템은 레이저 빔의 반경방향 출력 밀도 분포를 혼합하거나 균질화한다. 광학 균질화 시스템은, 예컨대 광 안내부(예컨대, 레이저 광케이블)를 포함할 수 있으며, 레이저 빔이 광 안내부의 축선에 대해 편심하게 광 안내부 내로 진입한다.
다른 양태에서, 본 발명은 또한 레이저 빔을 이용하여 가공면에서 피공작물을 레이저 용접, 특히 DBC 구조를 겹치기 용접하는 방법에 관한 것으로, 레이저 빔의 반경방향 출력 밀도 분포가 빔 축에 직각인 각각의 평면에서 이미징 깊이를 따라 종형이고, 본 발명에 따르면, 이미징 깊이를 따른 종형 출력 밀도 분포의 최대값들이 서로에 대해 10 % 미만, 바람직하게는 5 % 미만으로 변하게 하는 방식으로 적어도 ±2 mm, 바람직하게는 적어도 ±5 mm의 이미징 깊이로 가공면에서 레이저 빔이 이미징된다.
구리 피공작물은 바람직하게는 펄스형 그린 레이저 빔(예컨대, 515 nm 또는 532 nm의 파장) 또는 펄스형 IR 레이저 빔을 이용하여 서로 용접된다.
본 발명의 보호대상의 다른 장점 및 유익한 개선점은 설명, 청구범위 및 첨부도면으로부터 파악된다. 이와 마찬가지로, 전술한 피쳐(feature) 및 아래에서 설명할 피쳐는 각각, 그 자체로 또는 임의의 바람직한 조합으로 함께 이용될 수 있다. 도시하고 설명한 실시예는 총망라하는 리스트로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 특징이다.
도 1은 반경방향과 z 방향으로의 레이저 빔의 관련 출력 밀도 분포와 함께 액시콘 형태의 광학 빔 전형 시스템을 지닌 본 발명에 따른 제1 레이저 가공 기계를 보여주는 도면이고,
도 2은 반경방향과 z 방향으로의 레이저 빔의 관련 출력 밀도 분포와 함께 광 안내부 및 이중 초점 대물 렌즈 형태의 광학 빔 정형 시스템을 지닌 본 발명에 따른 제2 레이저 가공 기계를 보여주는 도면이다.
후속하는 도면에 관한 설명에서, 동일한 참조부호는 동일하거나 기능적으로 동일한 구성요소에 대해 사용된다.
도 1에 도시한 레이저 가공 기계(1)는, 예컨대 펄스형 레이저 빔(5)을 이용한 구리 터미널 컨택트(2)와 DBC(직접 접합 구리) 구조(4)의 겹치기 용접을 위한 것이다. DBC 구조(4)는, 구리 트랙(3)이 성막되는 세라믹 기판을 갖는다. 세라믹 기판(6) 상의 구리 트랙(3)이 매우 얇기 때문에, 레이저 용접 공정은 매우 신뢰성 있게 그리고 정확하게 재현가능한 용접 깊이로 수행되어야만 한다.
레이저 가공 기계(1)는 레이저 빔(5)을 생성하는 레이저 빔 생성기(7), 레이저 빔(5)이 내부에 진입하는 레이저 광케이블(8)(LLC), 및 또한 LLC(8)로부터 나온 레이저 빔(5)을 이미징면(10)으로 이미징하는 광학 이미징 시스템(9)을 포함한다.
광학 이미징 시스템(9)은 LLC(8)로부터 발산식으로 나오는 레이저 빔(5)을 시준하는 시준 렌즈(11)와, 시준된 레이저 빔(5)을 집속면(13)으로 집속하는 집속 렌즈(12)를 갖는다. 집속 레이저 빔(5)에 배치되는 보호 유리(14)는 집속 렌즈(12)가 손상되는 것을 방지한다. 발산형 레이저 빔(5)에서, 즉 LLC(8)와 시준 렌즈(11) 사이에, 예컨대 0.1°의 플랭크 각도(β)를 지닌 편평한 원추형 렌즈(“액시콘”으로 알려짐)(15) 형태의 광학 빔 정형 시스템이 광축(16)에 대해 동축으로 배치되고, 이때 원추형측이 LLC(8)를 향한다. 액시콘(15)은 입사 발산형 레이저 빔(5)을 환형 레이저 빔(5)으로 변형시키고, 그 외측 가장자리 광선(5a)은 시준식으로 그리고 그 내측 가장자리 광선(5b)은 발산식으로 집속 렌즈(12)에 충돌한다. 외측 가장자리 광선(5a)은 집속 렌즈(12)에 의해 초점(F)에 특정되도록 집속면(13)으로 집속되는 한편, 내측 가장자리 광선(5b)은 집속 렌즈(12)에 의해 영향을 받지 않는다. 가공면(10)은 집속면(13) 전방의 과집속 영역에, 예컨대 집속면(13)의 전방 20 mm에 놓인다.
출력 측정이 보여주다시피, 다른 액시콘(15)은, 레이저 빔(5)의 반경방향 출력 밀도 분포(Pr)가 빔 축에 직각인 각각 평면에서의 이미징 깊이(Δd)를 따라 종형이며, 이미징 깊이(Δd)를 따른 광축 방향(z 방향)(18)으로의 이 종형 출력 밀도 분포(Pr)의 최대값(Pmax)들이 서로에 대해 5 % 미만으로 변하도록 하는 방식으로 레이저 빔(5)이 적어도 ±2 mm의 이미징 깊이로 가공면(10)에 이미징된다. 따라서, 최대값(Pmax) 전부는 변화(17)의 5 % 대역 내에 놓인다.
이미징 깊이(Δd) 영역에서, 레이저 빔(5)은 결과적으로 그 광축(16)을 따라 수 밀리미터에 걸쳐 큰 출력 균일성과 각 경우에 종형 반경방향 출력 밀도 분포(Pr)를 갖는다. 이는 매우 정확한 용접 깊이 및 결과적으로 재현가능한 용접 깊이에 있어서, 가공면(10)에서의 파라메터의 큰 허용 오차를 유도하며, 종형 출력 밀도 분포(Pr)로 인해 용접되는 구리 구성요소(2, 3) 사이의 열 축적을 방지한다.
대안으로서, 액시콘(15)은 레이저 빔(5) 광선의 평행 경로, 즉 시준 렌즈 (11)와 집속 렌즈(12) 사이에도 또한 배치될 수 있다.
도 1에서, 액시콘(15)은 볼록 액시콘으로서 형성되므로, 가공면(10)은 광학 이미징 시스템(9)의 집속면(13) 전방에 있는 과집속 영역에 놓인다. 대안으로서, 액시콘은 또한 오목한 액시콘으로서 형성될 수도 있으므로, 가공면(10)은 집속면(13) 후방, 예컨대 집속면(13)에서 20 mm 후방에 있는 부족 집속 영역에 놓인다.
도 2에 도시한 레이저 가공 기계(1)는, 광학 빔 정형 시스템이 레이저 광 케이블(LLC)(21)과, 하류의 이중 집속 대물 렌즈(22)(내측 영역에서의 초점 거리 f1, 외측 영역에서의 초점 거리 f2, f1>f2)로서 형성되는 선택적 광학 균질화 시스템에 의해 형성되고, 가공면(10)이 이중 집속 대물 렌즈(22)의 2개의 초점(F1, F2) 사이에 놓인다는 점에서 도 1과 상이하다. 반경방향 출력 밀도 분포를 혼합 또는 균질화하기 위해, 레이저 빔(5)은 LLC(21)의 축(23)에 대해 편심하게 LLC(21) 내로 출사된다. LLC(21)로부터 발산하는 레이저 빔(5)은 그 내부 영역에 충돌하는 레이저 빔(5)의 내부 광선속(24a)을 초점(F1)으로 집속하고, 그 외측 영역에 충돌하는 레이저 빔(5)의 환형 번들(24b)을 초점(F2)으로 집속하는 이중 초점 렌즈(22)에 충돌한다.
출력 측정치가 여기에 제시되었기 때문에, LLC(21)와 이중 초점 대물 렌즈(22)는, 레이저 빔(5)의 반경방향 출력 밀도 분포(Pr)가 빔 축에 직각인 각각의 평면에서의 이미징 깊이(Δd)를 따라 종형이며, 이미징 깊이(Δd)를 따른 광축 방향(z 방향)(18)으로의 이 종형 출력 밀도 분포(Pr)의 최대값(Pmax)들이 서로에 대해 5 % 미만으로 변하도록 하는 방식으로 레이저 빔(5)이 적어도 ±2 mm의 이미징 깊이(Δd)로 가공면(10)에 이미징되는 효과를 가져온다. 따라서, 최대값(Pmax) 전부는 변화(17)의 5 % 대역 내에 놓인다.
이미징 깊이(Δd) 영역에서, 레이저 빔(5)은 결과적으로 그 광축(16)을 따라 수 밀리미터에 걸쳐 큰 출력 균일성과 각 경우에 종형 반경방향 출력 밀도 분포(Pr)를 갖는다. 이는 매우 정확한 용접 깊이 및 결과적으로 재현가능한 용접 깊이에 있어서, 가공면(10)에서의 파라메터의 큰 허용 오차를 유도하며, 종형 출력 밀도 분포(Pr)로 인해 용접되는 구리 구성요소(2, 3) 사이의 열 축적을 방지한다.

Claims (11)

  1. 피공작물(2, 3)의 레이저 용접, 특히 DBC(Direct Bonded Copper) 구조(4)의 겹치기 용접(lap welding)을 위한 레이저 가공 기계(1)로서, 레이저 빔(5)을 생성하기 위한 레이저 빔 생성기(7)와 레이저 빔(5)을 가공면(10)으로 이미징하는 광학 이미징 시스템(9)을 포함하는 레이저 가공 기계에 있어서.
    광학 이미징 시스템(9)은, 레이저 빔(5)의 반경방향 출력 밀도 분포(Pr)가 빔 축(16)에 직각인 각각의 평면에서 이미징 깊이(Δd)를 따라 종형이고, 이미징 깊이(Δd)를 따른 종형 출력 밀도 분포의 최대값(Pmax)들이 서로에 대해 10 % 미만, 바람직하게는 5 % 미만으로 변하게 하는 방식으로 적어도 ±2 mm, 바람직하게는 적어도 ±5 mm의 이미징 깊이(Δd)로 가공면(10)에 레이저 빔(5)을 이미징하는 광학 빔 정형 시스템(15; 22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  2. 제1항에 있어서, 광학 빔 정형 시스템은 액시콘(axicon)(15)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  3. 제2항에 있어서, 액시콘(15)은 볼록하게 형성되고, 가공면(10)은 광학 이미징 시스템(9)의 집속면(13) 전방에 있는 과집속(overfocusing) 영역에 놓이는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  4. 제2항에 있어서, 액시콘(15)은 오목하게 형성되고, 가공면(10)은 광학 이미징 시스템(9)의 집속면(13) 후방에 있는 부족 집속(underfocusing) 영역에 놓이는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 액시콘(15)은 레이저 빔(5) 광선의 평행 또는 발산 경로에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  6. 제1항에 있어서, 광학 빔 정형 시스템은 이중 초점 대물 렌즈(22)에 의해 형성되고, 상기 가공면(10)은 이중 초점 대물 렌즈(22)의 두 초점(F1, F2) 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  7. 제6항에 있어서, 레이저 빔(5)의 반경방향 밀도 분포를 균질화하는 광학 균질화 시스템(21)이 이중 초점 대물 렌즈(22) 전방에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  8. 제7항에 있어서, 광학 균질화 시스템은 광 안내부(21)에 의해 형성되고, 이 광 안내부 내로 레이저 빔(5)이 광 안내부의 축(23)에 대해 편심하게 출사되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔(5)은 그린 펄스형 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 기계.
  10. 레이저 빔(5)을 이용하여 가공면(10)에서 피공작물(2, 3)을 레이저 용접, 특히 DBC 구조를 겹치기 용접하는 레이저 용접 방법에 있어서,
    레이저 빔(5)의 반경방향 출력 밀도 분포(Pr)가 빔 축(16)에 직각인 각각의 평면에서 이미징 깊이(Δd)를 따라 종형이고, 이미징 깊이(Δd)를 따른 종형 출력 밀도 분포의 최대값(Pmax)들이 서로에 대해 10 % 미만, 바람직하게는 5 % 미만으로 변하게 하는 방식으로, 레이저 빔(5)이 적어도 ±2 mm, 바람직하게는 적어도 ±5 mm의 이미징 깊이(Δd)로 가공면(10)으로 이미징되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
  11. 제10항에 있어서, 레이저 빔(5)은 그린 펄스형 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
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