WO2008098680A1 - Verfahren zum fügen beschichteter bauelemente oder drähte mit laserpulsen - Google Patents

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joining
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solder
soldering
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Reinhard Cordes
Kai Noack
Gregor Hemken
Mario Wagner
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Definitions

  • the invention relates to a method for laser joining coated components or wires with a pulsed solid-state laser by stripping the coating and joining joints in one process step.
  • microsystem components and electronic components in addition to uncoated and coated, in particular painted wires are used.
  • the problem is to remove the interfering coating before contacting. If this is not done, residues remain in the joint zone, which leads to a deterioration of the compound.
  • the common methods include the chemical or mechanical removal of insulation or paint layers.
  • One of the simplest mechanical stripping methods is widespread cockroaches.
  • the advantage of this method lies in the relatively clean surface and the low investment costs.
  • a disadvantage is the limitation to the one-sided stripping in laminated foil-insulated flat conductors. For double-sided stripping, a second ultrasonic-assisted blade is required, with the opposite side being marked by heavy residues on the surface.
  • Both face milling and roll milling produce very clean surfaces. Due to the strong conductor damage, the strength of the usually only 70 to 100 microns thick conductor in the joining area is additionally reduced and leads to a limitation to the one-sided stripping. Grinding allows double-sided stripping and, in the case of accessible surfaces, similar to laser stripping with an Nd: YAG solid-state laser, requires post-treatment.
  • thermal stripping with process gas has not been able to prevail on the market due to the strong combustion residues in the contact area.
  • Another thermal stripping process was implemented with the laser types CO2 and Nd: YAG.
  • stripping with CO 2 lasers is widespread.
  • residues consisting of combustion products of the insulation and of the adhesive on the joint surface, which, with a correspondingly large joint surface, a suitable extraction of the combustion products or cleaning of the joint surface, continue to achieve sufficient current carrying capacities despite fluctuating mechanical strengths.
  • the laser soldering allows an exact focusing and thus the soldering of the smallest solder joints.
  • the special advantages of this method are in particular the non-contact heat transfer, the exact focusing, the high power density and the high quality of the solder joints with high process reliability.
  • laser beam soldering is a process in which the components are selectively machined. After a solder paste is applied with a flux to the contact points, the irradiation of the joints takes place. By heating the solder paste as a result of the laser radiation, the flux is activated and with increasing temperature melt the metal components of the solder paste. Only after a further increase in the temperature due to thermal heat conduction the solder paste wets both the components and the solder pad.
  • a laser reflow soldering process under
  • Inert gas atmosphere is soldered a copper enamel wire with pre-tinned terminal lugs.
  • the paint is melted and partially floats on the solder and partly remains in the soldering zone.
  • the laser beam is moved over the terminal lug. With the laser power held constant, this results in a time dependence of the laser power acting on the soldering point, which is dependent on the forward speed and the intensity distribution in the focal spot.
  • the deterioration of the joint is to be prevented by coating residues.
  • the object is achieved with the method with the features of claim 1 according to the invention by directing a laser pulse on the joint during the joining process, which is varied by power shaping in such a way that at the beginning of the joining process adapted for the removal of the coating lower power and then a higher power suitable for joining is set.
  • the stripping and joining thus takes place in one process step and succeeds in that the laser power is not kept constant as before, but during the irradiation of a point to be joined varies so that initially sufficient for evaporation of the coating energy is introduced to the joint and immediately then in the same laser pulse, after the coating is completely removed, the energy for the joining process is increased. This prevents the energy introduced to remove the coating from affecting the device and the solder. Rather, the energy is increased to a sufficient power for joining, in particular for melting solder only after the coating removal.
  • the application of an additional coating to improve the adsorption of the laser power is not required in this type of use of a solid-state laser.
  • the joining is preferably carried out by soldering, wherein, for example, before the laser brazing a coating of the solder joints of the components to be soldered can be done with solder. This coating then only has to be heated for the joining process.
  • solder wire, solder paste or solder preforms during the soldering process.
  • the joining process can also be carried out using adhesive.
  • a suitable adhesive is, for example, hot melt adhesive.
  • the laser power is then adjusted to the melting of the adhesive. It has been found that by the varying laser power registered for stripping lower energy does not affect the adhesive, but is absorbed by the insulating varnish. The energy introduced by the solid-state laser or pulse power is sufficiently low to prevent heating of the component and excessive heating of the adhesive.
  • the method can be used particularly advantageously for joining components arranged on substrates, in particular glass substrates. Due to the varying laser power during the stripping and joining process at a joint with the resulting evaporation of the coating, contamination of the substrate, in particular a glass pane, is prevented. It is therefore possible to fix electronic components on a substrate, such as a glass pane, in one step without mechanical pretreatment of the coating and contamination of the substrate.
  • Figure 1 Diagram of an exemplary pulse profile for driving a solid-state laser for stripping and soldering a
  • FIG. 1 shows a diagram of an exemplary pulse course over the time of a stripping and soldering process step for a soldering point.
  • a soldering process has the duration of, for example, 12 ms.
  • Fast pulse power control with a real-time power supply unit enables maximum reproducibility of the laser pulse.
  • the solid-state laser operates in a so-called "low-power" mode in which the shaped pulse can be controlled down to almost 0 W.
  • the exemplary pulse shown has a duration of 12 ms (100% on the abscissa), the first third of the time stripped the wire, then with a
  • Pulse peak power of the laser must be to make the solder to flow.
  • the measured pulse parameters are here:
  • the low-amplitude solid-state laser pulse of approximately 25% is formed, in order to achieve vaporization of a coating of components and / or wires to be joined.
  • the laser power of the solid-state laser applied to the coating is formed by increasing the pulse amplitude to 100% in such a way that an optimal joining process takes place.
  • the method can not only be used in conjunction with a solder coating or a solder wire, a solder paste or a solder preform simultaneously supplied during soldering, but also for the attachment by means of adhesive, in particular hot melt adhesive, are fixed with the components on a substrate.
  • the method is optimally applicable to attach electronic components, such as diodes or SMD LEDs on glass substrates.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte mit einem gepulsten Festkörperlaser durch Abisolieren der Beschichtung und Fügen von Fügestellen in einem Prozessschritt beschrieben, bei dem ein Laserpuls auf die Fügestelle während des Fügevorgangs gerichtet wird, der durch Pulsformung in der Leistung variiert wird derart, dass zu Beginn des Fügevorgangs eine zur Entfernung der Beschichtung angepasste niedrigere Leistung und anschließend eine zum Fügen geeignete höhere Leistung eingestellt wird.

Description

VERFAHREN ZUM FÜGEN BESCHICHTETER BAUELEMENTE ODER
DRÄHTE MIT LASERPULSEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte mit einem gepulsten Festkörperlaser durch Abisolieren der Beschichtung und Fügen von Fügestellen in einem Prozessschritt.
Bei der Kontaktierung von Mikrosystemen, Mikrosystembauelementen und Elektronikkomponenten werden neben unbeschichteten auch beschichtete, insbesondere lackierte Drähte eingesetzt. Hierbei besteht die Problematik, vor dem Kontaktieren die störende Beschichtung zu entfernen. Erfolgt dies nicht, bleiben Reste in der Fügezone, die zu einer Verschlechterung der Verbindung führen.
Adrian, J.: Automatisiertes, stoffschlüssiges Fügen folienisolierter Flachleiter mit Oberflächenkontamination. Diss. Universität Stuttgart 2005, beschreibt verschiedene Methoden zum Entlacken von Drähten für die elektrische
Kontaktierung. Die gebräuchlichen Verfahren umfassen die chemische oder mechanische Entfernung von Isolierungen oder Lackschichten. Zu den einfachsten mechanischen Abisolierverfahren zählt das weit verbreitete Schaben. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der relativ reinen Oberfläche und den geringen Investitionskosten. Nachteilig ist die Beschränkung auf die einseitige Abisolierung bei laminierten folienisolierten Flachleitern. Für eine beidseitige Abisolierung ist eine zweite ultraschallunterstützte Klinge erforderlich, bei der die Gegenseite durch starke Rückstände auf der Oberfläche geprägt ist.
Sowohl das Stirn- als auch das Walzenfräsen erzeugen sehr reine Oberflächen. Durch die starke Leiterschädigung wird die Festigkeit der meistens nur 70 bis 100 μm dicken Leiter im Fügebereich zusätzlich herabgesetzt und führt zu einer Beschränkung auf die einseitige Abisolation. Das Schleifen ermöglicht eine beidseitige Abisolierung und erfordert bei den erreichbaren Oberflächen, ähnlich wie das Laserabisolieren mit einem Nd:YAG- Festkörperlaser eine Nachbehandlung.
Die sogenannte Fenstertechnik arbeitet vollständig rückstandsfrei, was Klebstoff- und Isolationsreste angeht. Der Bezug von abgelängten, abisolierten und gereinigten folienisolierten Flachleitern ist möglich, aber aus wirtschaftlichen Gründen nur bei einem geringen Typen- und Variantenspektrum und hohen Stückzahlen sinnvoll. Bei einem hohen Typen- und Variantenspektrum bildet sich bei abisolierten Flachleitern, bedingt durch lange Lagerzeiten, Oberflächenoxidation, die sich negativ auf die Kontakteigenschaften auswirkt.
Die thermische Abisolierung mit Prozessgas hat sich durch die starken Verbrennungsrückstände im Kontaktbereich am Markt nicht durchsetzen können. Ein weiteres thermisches Abisolierverfahren wurde mit den Lasertypen CO2 und Nd:YAG umgesetzt. Das Ziel des Nd:YAG-Lasers mit einem Laser sowohl die Abisolierung als auch das Fügen durchzuführen, lässt durch die mit starken Rückständen versehene Abisolierung keine reproduzierbaren Kontakteigeπschaften zu. Hingegen ist die Abisolierung mit Cθ2-Lasem weit verbreitet. Auch hier treten Rückstände, bestehend aus Verbrennungsprodukten der Isolation und des Klebstoffes auf der Fügefläche auf, die bei entsprechend großer Fügefläche, einer geeigneten Absaugung der Verbrennungsprodukte oder bei Reinigung der Fügefläche weiterhin ausreichende Stromtragfähigkeiten trotz schwankender mechanischer Festigkeiten erreicht.
DE 44 26 718 C2 beschreibt ein Verfahren zum Abisolieren von belackten Drähten mittels Laserstrahlung. Es ist eine zusätzliche Schicht zwischen Draht und Lack vorgesehen, die die Laserwellenlänge absorbiert und dadurch die Lackschicht nach dem Aufheizen entfernt. Nach dem Entfernen der Isolierung wird die Leitung in ein Lötbad gelegt, um den Fügeprozess durchzuführen. Meyer, F. G.: Laserlöten unter besonderer Berücksichtigung der SM- Technologie und des Lötens an schwer zugänglichen Stellen. DVS-Berichte. Band 122, 1989, S. 70 bis 71 beschreibt die Vorteile des Laserlötens mit CO2- und Nd:YAG-Lasem. Eine Automatisierung von Einzelpunktlötungen ermöglicht nicht nur eine kostengünstige Serienfertigung, sie ist auch eine Forderung zur Errichtung einer gleich bleibenden hohen Qualität. Daher kann in der heutigen, modernen Elektronik-Fertigung auf das automatisierte Einzelpunktlöten nicht verzichtet werden.
Das Laserlöten ermöglicht eine exakte Fokussierung und damit das Löten von kleinsten Lötstellen. Die besonderen Vorteile dieses Verfahrens sind insbesondere die berührungslose Wärmeübertragung, die exakte Fokussierung, die hohe Leistungsdichte und die hohe Qualität der Lötstellen bei hoher Prozesssicherheit.
Im Unterschied zu Reflow-Löten ist das Laserstrahllöten ein Verfahren, bei dem die Bauteile selektiv bearbeitet werden. Nachdem eine Lötpaste mit einem Flussmittel auf die Kontaktstellen aufgebracht wird, erfolgt die Bestrahlung der Fügestellen. Durch Erhitzung der Lötpaste infolge der Laserstrahlung wird das Flussmittel aktiviert und bei steigender Temperatur schmelzen die Metallanteile der Lötpaste. Erst nach einer weiteren Erhöhung der Temperatur durch thermische Wärmeleitung benetzt die Lötpaste sowohl die Komponenten als auch das Lötpad.
Durch Einsatz des selektiven Laserstrahllötens wird eine Schädigung des thermisch empfindlichen Substrats weitgehend vermieden, da die lokale Temperatur am Lötpunkt wesentlich niedriger ist als der Schmelzpunkt der einzelnen Komponenten. Außerdem können durch dieses Verfahren produktionsbedingte Fügespalten kompensiert werden, die sich zwischen den Anschlussflächen und dem Substrat bilden. Ein wesentlicher Vorteil des Laserstrahllötens ist die geringe Wärmeeinflusszone in der Lötverbindung. Aufgrund der berührungslosen Bearbeitung entfällt außerdem die Notwendigkeit für eine aufwändige Spannvorrichtung. Dadurch erhöhen sich die Flexibilität und das Automatisierungspotenzial des Verfahrens. Darüber hinaus sind keine hohen Investitionskosten notwendig, da die Bestrahlung der Fügezone in der Umgebungsluft ohne Schutzgaszufuhr stattfindet.
Hornev, P., Treusch, H. -G.; Beyer, E.; Herziger, G.; Knödler, D.; Möller, W.: Temperaturgeregeltes Lasermikrolöten. DVS-Berichte, Band 129, 1990, S. 62 bis 65, beschreibt ein temperaturgeregeltes Lasermikrolöten mit Nd:YAG-
Lasem im cw-Betrieb. Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund des inhomogenen Verhaltens von Lotpaste eine Temperaturregelung empfehlenswert ist. Mit Hilfe der Temperaturregelung können Schwankungen bei der Lötstellenvorbereitung in Grenzen kompensiert werden.
Allavi, M.: Laserlöten im Fein- und Mikrotechnischen Bereich. Jahrbuch der deutschen Gesellschaft für Chronometrie, Band 39, 1998, S. 155-158, offenbart ein Laserlöten im Fein- und Mikrotechnischen Bereich. Mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser wurden bei einer Pulsenergie im Bereich von 0,7 bis 7 Ws und einer Pulsdauer von 2,5 bis 14 ms Lötversuche mit SMD-Bauelementen, Cu- Feindrähten und Kontaktbuchsen durchgeführt. Die Lötverbindungen wurden jeweils mit einem Laserpuls hergestellt. Durch Variation der Strahlparameter (Pulsenergie, Strahldurchmesser) wurde festgestellt, dass mit relativ stark fokussiertem Laserstrahl und niedrigen Pulsenergien optimale Ergebnisse erzielt werden können.
Nicolics, J.: Einsatz eines Lasers zum Feinstdrahtlöten. DVS-Berichte, Band 129, 1990, S. 190 bis 193, beschreibt den Einsatz eines Lasers zum Feinstdrahtlöten. In einem Laser-Reflow-Lötprozess unter
Schutzgasatmosphäre wird ein Kupferlackdraht mit vorverzinnten Anschlussfahnen verlötet. Beim Löten wird der Lack geschmolzen und schwimmt teilweise auf dem Lotzinn auf und verbleibt teilweise in der Lötzone. Während des Laserlötvorgangs wird der Laserstrahl über die Anschlussfahne bewegt. Bei der konstant gehaltenen Laserleistung ergibt sich hierdurch ein von der Vorgeschwindigkeit und der Intensitätsverteilung im Brennfleck abhängiger zeitlicher Verlauf der auf die Lötstelle einwirkenden Laserleistung.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte mit einem gepulsten Festkörperlaser zu schaffen, bei dem in einem Prozessschritt die Beschichtung entfernt und die freigelegte Fügestelle gefügt wird. Dabei soll insbesondere die Beeinträchtigung der Fügestelle durch Beschichtungsrückstände verhindert werden.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst durch Richten eines Laserpulses auf die Fügestelle während des Fügevorgangs, der durch Pulsformung in der Leistung variiert wird derart, dass zu Beginn des Fügevorgangs eine zur Entfernung der Beschichtung angepasste niedrigere Leistung und anschließend eine zum Fügen geeignete höhere Leistung eingestellt wird.
Das Abisolieren und Fügen erfolgt damit in einem Prozessschritt und gelingt dadurch, dass die Laserleistung nicht wie bislang konstant gehalten wird, sondern während der Bestrahlung eines zu fügenden Punktes so variiert, dass auf die Fügestelle zunächst eine zum Verdampfen der Beschichtung ausreichende Energie eingebracht wird und sofort anschließend im selben Laserpuls, nachdem die Beschichtung vollständig entfernt ist, die Energie für den Fügevorgang erhöht wird. Dadurch wird verhindert, dass die zur Entfernung der Beschichtung eingetragene Energie das Bauelement und das Lötmittel beeinträchtigt. Vielmehr wird erst nach der Beschichtungsentfernung die Energie auf eine zum Fügen, insbesondere zum Aufschmelzen von Lot ausreichende Leistung erhöht. Das Aufbringen einer zusätzlichen Beschichtung zur Verbesserung der Adsorption der Laserleistung ist bei dieser Art der Nutzung eines Festkörperlasers nicht erforderlich.
Das Fügen erfolgt vorzugsweise durch Löten, wobei beispielsweise vor dem Laserlöten ein Beschichten der Lötstellen der zu verlötenden Bauelemente mit Lot erfolgen kann. Diese Beschichtung muss dann für den Fügeprozess nur noch erwärmt werden.
Denkbar ist allerdings auch eine Zufuhr von Lötdraht, Lötpaste oder Lotformteilen beim Lötvorgang.
Der Fügevorgang kann auch unter Verwendung von Klebstoff durchgeführt werden. Ein geeigneter Klebstoff ist beispielsweise Schmelzklebstoff. Die Laserleistung wird dann auf das Aufschmelzen des Klebstoffs eingestellt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass durch die variierende Laserleistung die zum Abisolieren eingetragene niedrigere Energie den Klebstoff nicht beeinträchtigt, sondern vom Isolierlack aufgenommen wird. Die vom Festkörperlaser eingebrachte Energie bzw. Pulsleistung ist dabei ausreichend gering, um eine Erwärmung des Bauteils und eine übermäßige Erwärmung des Klebstoffs zu verhindern.
Das Verfahren kann besonders vorteilhaft zum Fügen von auf Substraten, insbesondere Glassubstraten, angeordneten Bauelementen genutzt werden. Durch die variierende Laserleistung während des Abisolier- und Fügeprozesses an einer Fügestelle mit der daraus resultierenden Verdampfung der Beschichtung wird eine Kontamination des Substrates, insbesondere einer Glasscheibe, verhindert. Es ist daher möglich, in einem Schritt ohne mechanische Vorbehandlung der Beschichtung und Kontamination des Substrats elektronische Bauteile auf einem Substrat, wie bspw. einer Glasscheibe zu fixieren. Die Erfindung wird nachfolgenden mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 - Diagramm eines beispielhaften Pulsverlaufs zur Ansteuerung eines Festkörperlasers zum Abisolieren und Löten einer
Lötstelle in einem Prozessschritt.
Figur 1 lässt ein Diagramm eines beispielhaften Pulsverlaufs über die Zeit eines Abisolier- und Lötprozessschritts für einen Lötpunkt erkennen. Ein solcher Lötprozess hat die Dauer von beispielsweise 12 ms. Durch eine schnelle Pulsleistungsregelung mit einem echtzeitfähigen Leistungsversorgungsteil wird eine maximale Reproduzierbarkeit des Laserpulses ermöglicht.
Der Festkörperlaser arbeitet in einem sogenannten „Low-Power"-Modus, bei dem der geformte Puls auf nahezu 0 Watt herunterregelbar ist. Der dargestellte beispielhafte Puls hat eine Zeitdauer von 12 ms (100% auf der Abszisse), der im ersten Drittel der Zeit den Draht entlackt, um dann mit einer
Pulsspitzenleistung von 100%, (85 Watt), die nicht der maximalen
Pulsspitzenleistung des Lasers entsprechen muss, das Lot zum Fließen zu bringen. Die gemessenen Pulsparameter sind hier:
PPuis = 42,50 Watt Pulsenergie = 0,510 J.
Aus Figur 1 ist erkennbar, dass in einem ersten Teil des Prozessschritts zum Abisolieren der Beschichtung, wie z.B. Isolierlack, der Festkörperlaserpuls geringer Amplitude von etwa 25% geformt wird, um ein Verdampfen einer Beschichtung von zu fügenden Bauelementen und/oder Drähten zu erreichen. Nach dem Verdampfen wird die auf die Beschichtung aufgebrachte Laserleistung des Festkörperlasers durch Erhöhung der Pulsamplitude auf 100% so geformt, dass ein optimaler Fügevorgang erfolgt. Mit Hilfe eines für einen Prozessschritt geformten Laserpulses kann somit ein Abisolieren und Löten in einem Prozessschritt erfolgen, ohne dass der Fügeprozess durch das vorherige Abisolieren beeinträchtigt wird.
Das Verfahren kann nicht nur in Verbindung mit einer Lotbeschichtung oder eines während des Lötens gleichzeitig zugeführten Lötdrahtes, einer Lotpaste oder eines Lotformteils genutzt werden, sondern auch für die Befestigung mittels Klebstoffes, insbesondere Schmelzklebstoffes, mit dem Bauelemente auf einem Substrat fixiert werden. In diesem Zusammenhang ist das Verfahren optimal einsetzbar, um elektronische Bauelemente, wie beispielsweise Dioden oder SMD-LEDs auf Glassubstraten zu befestigen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserfügen beschichteter Bauelemente oder Drähte mit einem gepulsten Festkörperlaser durch Abisolieren der Beschichtung und Fügen von Fügestellen in einem Prozessschritt, gekennzeichnet durch Richten eines Laserpulses auf die Fügestelle während des Fügevorgangs, der durch Pulsformung in der Leistung variiert wird derart, dass zu Beginn des Fügevorgangs eine zur Entfernung der Beschichtung angepasste niedrigere Leistung und anschließend eine zum Fügen geeignete höhere Leistung eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fügeverfahren um einen Lötprozess handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch vorheriges Beschichten von Fügestellen der zu fügenden Bauelemente mit Lot, Lotpaste oder Lotformteilen.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch Zufuhr von Lötdraht, Lotpaste oder Lotformteilen während des Fügevorgangs.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Laserfügen von mittels Klebstoff auf einem Substrat zu befestigenden Bauelementen, wobei die Laserleistung zum
Aufschmelzen des Klebstoffs eingerichtet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Laserlöten von auf Substraten, insbesondere auf Glassubstraten angeordneten Bauelementen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein elektronisches Bauelement ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch vorherige Befestigung eines Bauelementes und anschließendes Laserfügen mit einer die Befestigung nicht beeinflussenden Pulsformung.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch direkte Einkoppelung der Laserleistung in das Bauelement oder die Fügestelle.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Isolierbeschichtung, beispielsweise ein Isolierlack ist.
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