PL215771B1 - Sposób laserowego spawania punktowego przewodu wielodrutowego z elementem metalowym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób laserowego spawania punktowego przewodu wielodrutowego z elementem metalowym, zwłaszcza z wyprowadzeniem elementu elektronicznego lub ścieżką obwodu drukowanego, stosowanymi w montażu podzespołów aparatury precyzyjnej oraz elektronice.

Powszechnie stosowanym sposobem wytwarzania połączeń nierozłącznych podczas montażu aparatury elektronicznej jest lutowanie. Jest to proces znany od dawna, tani, nie wymagający stosowania skomplikowanego i kosztownego oprzyrządowania. Jednak w przypadkach, gdy wymagane jest zapewnienie szczególnej wytrzymałości mechanicznej, odporności termicznej oraz niezawodności połączeń (w sprzęcie pracującym w warunkach szczególnych zagrożeń mechanicznych i środowiskowych, na przykład stosowanym w technice lotniczej, militarnej, kosmicznej), połączenia te wykonuje się metodą punktowego spawania laserowego.

Znany sposób laserowego spawania punktowego elementów metalowych polega na działaniu na miejsce łączenia spawanych elementów odpowiednio ukształtowaną przestrzennie wiązką laserową w czasie od 1 do kilkudziesięciu milisekund, w wyniku czego następuje stopienie fragmentów łączonych elementów, powstanie jeziorka obu stopionych metali, które krzepnąc doprowadza do powstania trwałej spoiny.

Znany sposób laserowego spawania punktowego, zastosowany do spawania przewodów jednodrutowych z elementami metalowymi, w którym na miejsce łączenia działa się wiązką laserową prostopadłą do osi przewodu, prowadzi do powstania połączeń o dobrej geometrii, a zatem o dobrych parametrach elektrycznych i wytrzymałościowych.

Natomiast zastosowanie spawania laserowego do łączenia wielodrutowych przewodów z elementami metalowymi napotyka na znaczne trudności. Przed spawaniem, z odcinka przewodu wielodrutowego, sąsiadującego z punktem spawania, musi być usunięta izolacja, ostateczny kształt i wymiary spoiny, uzależnione od liczby drutów, ich średnicy i materiału, są na ogół przypadkowe i niezadowalające. Nadto spoina nie obejmuje wszystkich drutów przewodu i część drutów przewodu, zakończonych stopioną mikrokulką pozostaje poza obszarem spoiny. Powyższe trudności potęgują się w przypadku łączenia giętkich przewodów wielodrutowych, na przykład z wyprowadzeniami układów scalonych w systemach sensorowych lub kriogenicznych systemach pomiarowych. Dodatkowym problemem w tych przypadkach jest konieczność stosowania przewodów wielodrutowych z materiałów o dużej rezystywności w celu połączenia ich z wyprowadzeniami z miedzi lub jej stopów o małej rezystywności.

Dotychczas znane są tylko nieliczne przypadki laserowego spawania znanym sposobem przewodów złożonych z co najwyżej kilku drutów z określonego materiału, z elementami układu elektronicznego.

Sposób laserowego spawania punktowego przewodu wielodrutowego z elementem metalowym, zwłaszcza z wyprowadzeniem elementu elektronicznego lub ścieżką obwodu drukowanego, według wynalazku polega na tym, że spawanie prowadzi się dwuetapowo, przy czym w pierwszym etapie na koniec przewodu wielodrutowego przeznaczonego do przyspawania, bez uprzedniego usuwania z niego izolacji polimerowej, działa się wiązką laserową równoległą do osi tego przewodu w czasie potrzebnym do stopienia końców wszystkich drutów przewodu, zaś w drugim etapie kulkę ze stopionych końców drutów przewodu, powstałą w pierwszym etapie spawania, styka się z elementem metalowym i na obszar styku działa się wiązką laserową prostopadłą do osi przewodu w czasie potrzebnym do stopienia tej kulki z elementem metalowym. W pierwszym etapie spawania stosuje się wiązkę laserową zogniskowaną sferycznie do plamki o średnicy równej 1,1 - 1,5 x średnica splecionych drutów przewodu, zaś w drugim etapie spawania stosuje się wiązkę laserową zogniskowaną sferycznie do plamki o średnicy równej 1,1 - 1,5 x średnica kulki utworzonej w pierwszym etapie spawania.

W pierwszym etapie spawania na końcu przewodu wielodrutowego, w wyniku współdziałania sił napięcia powierzchniowego stopionego metalu wszystkich drutów oraz przebiegającego z opóźnieniem topienia się izolacji, zostaje wytworzona kulka stopionego materiału drutów, o średnicy większej od średnicy przewodu, obejmująca wszystkie druty przewodu (linki). W drugim etapie kulka ta zostaje przyspawana do elementu, z którym łączony jest przewód.

Sposób według wynalazku umożliwia spawanie przewodów wielodrutowych niezależnie od liczby drutów i rodzaju izolacji na przewodzie wielodrutowym. Sposób według wynalazku zapewnia powtarzalne spawanie przewodu z łączonym z nim elementem dzięki temu, iż w drugim etapie spawa się

PL 215 771 B1 elementy o porównywalnej masie i pojemności cieplnej. Połączenie uzyskane tym sposobem cechuje bardzo dobra jakość, zarówno pod względem geometrii jak i cech metalurgicznych spoiny.

Sposób według wynalazku ilustruje poniższy przykład z powołaniem się na rysunek, na którym fig. 1 przedstawia pierwszy etap spawania, na rysunku schematycznym, fig. 2 przedstawia zdjęcie mikroskopowe przewodu wielodrutowego, po pierwszym etapie spawania, fig. 3 ilustruje drugi etap spawania, na rysunku schematycznym, fig. 4 stanowi schematyczny rysunek spoiny wytworzonej w drugim etapie spawania, zaś fig. 5 przedstawia zdjęcie mikroskopowe połączenia spawanego wykonanego sposobem według wynalazku (u góry) i połączenia spawanego wykonanego tradycyjnie (u dołu).

P r z y k ł a d.

W celu przyspawania przewodu 1 zawierającego 550 drutów ze stopu o składzie: 70,26% Fe,

19,95% Cr, 7,95% Ni, 1,12% Si, 0,72% Cu, o średnicy 15 μm w izolacji 2 z PCV do wyprowadzenia 3 układu scalonego ze stopu o składzie: 97% Cu, 2% Fe i 1% Zn, w pierwszym etapie na koniec przewodu 1 działano, równolegle do jego osi, wiązką laserową 4 o długości fali 1,064 μm zogniskowaną sferycznie do plamki o średnicy 800 μm w czasie 4 ms. Powstała w tym etapie, na końcu przewodu 1 kulka 5 obejmowała wszystkie druty przewodu 1. W drugim etapie na obszar styku kulki 5 z wyprowadzeniem 3 układu scalonego działano, prostopadle do osi przewodu 1, wiązką laserową 4 o długości fali 1,064 μm zogniskowaną sferycznie do plamki o średnicy 600 μm w czasie 4 ms.

Spoina 6 wytworzona w drugim etapie spawania charakteryzowała się bardzo dobrą jakością. Spoina 6 obejmowała wszystkie druty przewodu 1 i miała regularny kształt. Przekrój spoiny 6 był większy od przekroju każdego z łączonych elementów, co zapewniało dużą wytrzymałość mechaniczną. Nadto spoina 6 wykazywała bardzo dobre cechy metalurgiczne - nie zawierała defektów i wtrąceń, a jej struktura była homogeniczna.

Claims (2)

1. Sposób laserowego spawania punktowego przewodu wielodrutowego z elementem metalowym, zwłaszcza z wyprowadzeniem elementu elektronicznego lub ścieżką obwodu drukowanego, znamienny tym, że spawanie prowadzi się dwuetapowo, przy czym w pierwszym etapie na koniec przewodu wielodrutowego przeznaczonego do przyspawania, bez uprzedniego usuwania z niego izolacji polimerowej, działa się wiązką laserową równoległą do osi tego przewodu w czasie potrzebnym do stopienia końców wszystkich drutów przewodu, zaś w drugim etapie kulkę ze stopionych końców drutów przewodu, powstałą w pierwszym etapie spawania, styka się z elementem metalowym i na obszar styku działa się wiązką laserową prostopadłą do osi przewodu w czasie potrzebnym do stopienia tej kulki z elementem metalowym.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie spawania stosuje się wiązkę laserową zogniskowaną sferycznie do plamki o średnicy równej 1,1 - 1,5 x średnica splecionych drutów przewodu, zaś w drugim etapie spawania stosuje się wiązkę laserową zogniskowaną sferycznie do plamki o średnicy równej 1,1 - 1,5 x średnica kulki utworzonej w pierwszym etapie spa-