WO2009156505A1

WO2009156505A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von bauteilen mittels laserstrahlung

Info

Publication number: WO2009156505A1
Application number: PCT/EP2009/058037
Authority: WO
Inventors: Günter Neumann; Lars-Sören Ott; Matthias Miessen; Ansgar SCHÄFER
Original assignee: Reis Robotics Gmbh & Co. Maschinenfabrik
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2009-12-30
Also published as: DE102008002910A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten von metallischen Bauteilen mittels Laserstrahlung (16), wobei die zu verbindenden Bauteile durch von der Laserstrahlung erzeugte Wärmeenergie verbunden werden. Um bei hoher Automatisierbarkeit und kurzen Prozesszeiten die Qualität der Lötverbindungen zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Wärmeenergie des Laserstrahls auf zumindest einen Bereich der zu verbindenden Bauteile indirekt eingebracht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen mittels Laserstrahlung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Stoff schlüssigen Verbinden von Bauteilen, wie metallischen Leitern, mittels Laserstrahlung, wobei die zu verbindenden Bauteile gegebenenfalls unter Zufuhr und/oder Vorhandensein von Lot und/oder Flussmittel durch von der Laserstrahlung erzeugte Wärmeenergie verbunden werden und wobei die Wärmeenergie der Laserstrahlung durch zumindest ein der Laserstrahlung ausgesetztes Übertragungselement vollständig oder teilweise absorbiert und durch dieses auf die zu verbindenden Bauteile übertragen wird. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Vorrichtung zum Stoff schlüssigen Verbinden, wie Löten, von Bauteilen, wie metallischen Leitern, mittels Laser Strahlung, umfassend eine die Laserstrahlung auf die zu verbindenden Teile richtende Führungseinrichtung, die zumindest ein von der Laserstrahlung erwärmbares Übertragungselement aufweist, über das Wärmeenergie der Laserstrahlung auf die zu verbindenden Bauteile übertragbar ist.

Nach der DE-T-692 11 850 (EP-B-O 584 356) wird Laserstrahlung über einen Lichtleiter zu dessen Spitze geleitet, mit der gelötet wird. Dabei besteht auch die Möglichkeit, das Laserlicht in Infrarot- Strahlung umzuwandeln. Damit das Laserlicht auf das stumpfe Ende des Leichtleiters auftrifft, ist eine Optik vorgesehen.

Der DE-T-689 04 640 ist eine laserunterstützte Heizstange zum Mehrfachverbinden von Leitern zu entnehmen. Die Heizstange ist als Miniaturheizgerät ausgebildet, das eine Hohlstruktur aufweist und aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. In den Hohlraum wird Laserstrahlung eingekoppelt, die an den Innenflächen des Hohlraums mehrfach reflektiert. Dabei wird die Laserstrahlung schrittweise absorbiert, so dass eine gleichmäßige Erwärmung des Miniaturheizgerätes erfolgt. Die US-A-5, 948,286 bezieht sich auf eine Löteinrichtung, bei der eine Laserstrahlung über einen optischen Leiter in einen Hohlraum eingeführt wird, der sich zur Spitze verjüngt und ein geschlossenes Ende aufweist.

Eine Lötvorrichtung ist der US-A,4,970,365 zu entnehmen, wobei in ein Übertragungselement über einen Lichtleiter Laserstrahlung eingekoppelt wird. Das Übertragungselement weist eine Bohrung auf, über die unmittelbar Laserstrahlung auf eine Lötstelle auftrifft. Ein Teil der Laserstrahlung wird durch das Übertragungselement absorbiert. Zum Löten wird zusätzlich Ultraschallenergie benutzt.

Über einen optischen Leiter wird nach der US-A-5,904,868 in eine Hülse Laserstrahlung eingekoppelt, die innerhalb des Hohlkörpers mehrfach reflektiert wird, um Energie auf einen Stift zu übertragen, der entweder mit einer Unterlage zu verlöten oder von dieser zu lösen ist.

Eine Laserschweißeinrichtung nach der US-A-4,906,812 sieht ein Werkzeug vor, in das über einen Lichtleiter Laserstrahlung eingeleitet wird. Ein Hohlraum, in den die Laserstrahlung eingekoppelt wird, ist von einem Schutzfenster verschlossen. Ferner besteht die Möglichkeit, die Temperatur im Lötbereich zu messen.

Ein Verfahren zum Verschweißen mittels Laserstrahlung wird in der JP-A-58065592 beschrieben. Dabei kann durch Aufspaltung des Laserstrahls gleichzeitig an zwei Stellen eine Stoff schlüssige Verbindung hergestellt werden.

Zum Laserlöten werden nach der DE-A-32 47 338 belotete Anschlüsse von flexiblen Verdrahtungen von einem Laserstrahl beaufschlagt.

Zu fügende Bauteile werden nach der DE-B-10 2004 018 unmittelbar mit einem Laserstrahl beaufschlagt.

In der DE-C- 198 02 305 ist ein Laserkopf zum Fügen von vorzugsweise dreidimensionalen metallischen Bauteilen beschrieben, wobei zu verschweißende Werkstoffe zu- sammen mit einem Schweißzusatzdraht durch unmittelbare Einwirkung eines Laserstrahls verbunden werden.

Aus der US -A-2005/0109746 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ohne Flussmittel Elemente verschweißt werden, indem diese unmittelbar mit einem Laserstrahl beaufschlagt werden. Die Steuerung des Lasers erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur, die im Fügebereich herrscht. Zusätzlich ist es zwingend erforderlich, dass eine Halterung, die die Bauteile aufnimmt, während des Verschweißens in mechanische Schwingung versetzt wird.

Bei bekannten Verfahren wird das Lot bzw. die Fügezone direkt mit Laserstrahlung beaufschlagt. Bedingt durch die unterschiedlichen Oxidationszustände verzinnter oder unverzinnter Verbindungsdrähte oder -bändchen, führt die für das Weichlöten notwendige niedrige Prozesstemperatur und die daraus wegen der hohen Prozessgeschwindigkeit notwendige Anwendung eines Einfarben-Pyrometers zu großen Variationen in Bezug sowohl auf Absorption der Laserstrahlung als auch auf den Emissionsgrad der zu messenden Temperaturstrahlung. Dies birgt die Gefahr, dass ungeachtet geregelter Laserleistung das Lot verdampft und in der Folge die Verbindungsdrähte und/oder - bändchen beschädigt werden.

Beim Aufbau von Solarzellen werden einzelne Solarzellen zu Strängen oder Strings verbunden und diese wiederum zu einer Matrix gefügt. Zum Schutz vor Umwelt- und Witterungseinflüssen werden die derart zusammengeschalteten Module in einer Folie eingeschweißt und auf der photovoltaisch aktiven Seite mit einer Glasscheibe bedeckt. Der Fertigungsablauf erfolgt dabei im Wesentlichen wie folgt:

Zunächst werden einzelne Solarzellen zu Strings verschaltet. Dazu werden Leiterbänd- chen wie verzinnte Kupferbändchen an die einzelnen Zellen angelötet und mit den folgenden Zellen kontaktiert. In einem dazu parallelen Schritt wird ein Glasträger mit einer Ethylenvinylacetat (EVA)-Folie belegt. Diese Folie hat nicht nur eine hohe Wärme-, sondern auch eine sehr gute Alterungsbeständigkeit. Auf der Folie werden Querverbinder, ebenfalls verzinnte Kupferbändchen, vorpositioniert. Mehrere der durch Leiterbah- nen (Lötbändchen) verbundenen Solarzellen-Strings werden auf der EVA-Folie und auf den Querverbindern zu einer Matrix angeordnet. Im nächsten Arbeits schritt werden die einzelnen Strings an den Kontaktstellen der Querverbinder mit den String- Verbindern durch einen Weichlötprozess miteinander und mit externen Modulanschlüssen verbunden. Anschließend werden die verschalteten Solarzellen mit einer weiteren EVA-Folie und einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie wie z. B. Polyvinylfluorid oder Polyester überzogen. Im nächsten Fertigungs schritt wird das derart aufgeschichtete Modul bei Unterdruck und Temperaturen von ca. 150 ⁰C laminiert. Aus der vormals milchigen EVA-Folie bildet sich hierbei eine klare, dreidimensional vernetzte und nicht mehr aufschmelzbare Kunststoff Schicht. Sowohl die Glasscheibe als auch die Rückwandfolie sind fest mit dem eingebetteten Modul verbunden.

Für das Verlöten der Querverbinder mit dem Verbinder der einzelnen Solarzellen- Strings kann ein Laserlötverfahren eingesetzt werden. Dieses bietet insbesondere aufgrund der guten Überwachbarkeit und Kontrollierbarkeit Vorteile gegenüber konventionellen Methoden.

In Applikationen, wie der oben beschriebenen mit flächig übereinander liegenden Fügepartnern ist zudem die Prozessqualität vom gleichmäßigen Wärmeübergang vom mit der Laserstrahlung beaufschlagten Element auf das nur teilweise direkt oder sogar gänzlich nur durch die Wärmeleitung passiv erwärmte Element in hohem Maße abhängig. Ein gleichmäßiger Wärmeübergang erfordert im Allgemeinen einen Andruck, der wegen der Zugänglichkeit für den Laserstrahl nicht vollflächig möglich ist. Dadurch ergeben sich u. U. Schwankungen im Andruck über die Fläche und somit auch im Lötergebnis. Des Weiteren sollte der Andruck über eine geringe Fläche erfolgen, um einen übermäßigen Wärmeverlust über die Andruckvorrichtung zu vermeiden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei hoher Automatisier- barkeit und kurzen Prozesszeiten die Qualität der Stoff schlüssigen Verbindungen verbessert wird. Die Aufgabe wird verfahrensmäßig im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Laserstrahlung über zumindest ein Strahlumformungselement unmittelbar auf das Übertragungselement mit einem geometrieangepassten Fokus fokussiert wird.

Bevorzugterweise wird in dem gesamten Bereich, in dem die Bauteile verbunden werden sollen, die Wärmeenergie des Laserstrahls indirekt eingebracht.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass räumlich neben dem überlappenden Bereich der Bauteile, in den die Wärmeenergie indirekt eingebracht wird, eine direkte Beaufschlagung mit dem Laserstrahl erfolgt, ohne dass die Erfindung verlassen wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass auf die Fügepartner während des Energieeintrags mittels des Übertragungselementes eine Andruck- kraft aufgebracht wird. Dadurch ist ein gleichmäßiger Wärmeübergang gewährleistet, so dass Schwankungen im Andruck über die Fläche und somit im Lötergebnis weitgehend ausgeschlossen werden. Durch das Übertragungselement kann der Andruck über eine geringe Fläche erfolgen, so dass ein übermäßiger Wärmeverlust, wie er von Andruckvorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt ist, vermieden wird.

Insbesondere ist vorgesehen, dass zur gezielten Krafteinleitung das Übertragungselement federvorgespannt gegenüber einen Hohlkörper abgestützt ist, entlang dessen Längsachse die Laserstrahlung fokussiert geführt wird. Hierzu weist der Hohlkörper eine erste optische Einrichtung wie Fokussierlinse oder -Spiegel auf, mittels der die Laserstrahlung auf das Übertragungselement fokussiert wird. Dabei kann mittels der optischen Einrichtung der Laserstrahl derart beeinflusst werden, dass Durchmesser bzw. Form des Fokuspunktes auf die zu fügenden Bauteile bzw. den Fügebereich ausgelegt wird. Es kann somit gezielt der Bereich mit der erforderlichen Wärmeenergie beaufschlagt werden, in dem die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen hergestellt werden soll. Verformungen von Werkstoffen, beispielsweise in Form von Kupferbändchen können kompensiert werden, indem weiche Kupferbändchen durch erhöhten Anpressdruck vor Lötbeginn verformt werden.

Auch besteht die Möglichkeit, dass das Übertragungselement vorgewärmt wird, wodurch der Vorteil erreicht wird, dass die Prozesszeit weiter gesenkt werden kann. Zusätzlich kann auch die Lebensdauer der Laserstrahlquelle durch die für die Vorwärmung notwendige Grundlast verlängert werden.

Vorzugsweise wird die von dem Übertragungselement abgestrahlte Wärmestrahlung von einem Pyrometer erfasst, um z. B. die Leistung des Laserstrahls zu regeln und/oder Rückschlüsse über die Güte der Lötverbindung zu gewinnen.

Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass die von dem Übertragungselement bzw. einer Fügestelle abgestrahlte Wärmestrahlung über z. B. einen dichroitischen Spiegel aus dem Strahlengang des Lasers ausgekoppelt und von einem Temperatursensor wie Pyrometer erfasst wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Wärmestrahlung über ein optisches Umlenkelement wie den dichroitischen Spiegel zwischen dem ersten optischen Element und einem diesem vorgeordneten zweiten optischen Element aus dem Strahlengang der Laserstrahlung abgelenkt wird. Das zweite optische Element bewirkt, dass die aus einem Lichtleiter austretende Laserstrahlung auf das erste optische Element gebündelt wird.

Alternativ kann der Laserstrahl durch ein Umlenkelement abgelenkt und die Wärmestrahlung hindurchgelassen werden. Somit wird die Temperatur transmittiv und nicht reflektiv gemessen.

Unabhängig hiervon kann der Laserstrahl durch optische Elemente in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden, um mehrere Foki auf dem Übertragungselement abzubilden, um eine bessere Ausleuchtung und damit gleichmäßige Erwärmung zu erzielen. Das Übertragungselement selbst kann eine Beschichtung aufweisen, die die Absorption der Laserstrahlung erhöht. Dabei besteht die Möglichkeit, dass das Übertragungselement die Wärmeenergie des Laserstrahls mehr als 60 %, insbesondere mehr als 90 %, vorzugsweise mehr als 99,9 % absorbiert.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird vorrichtungsmäßig im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zumindest ein Strahlumformungselement aufweist, über das die Laserstrahlung unmittelbar auf das Übertragungselement fokus- sierbar ist.

Das Übertragungselement bietet nach einmaligem Erwärmen ein nahezu konstantes Absorptionsverhalten für die Laserstrahlung und einen nahezu konstanten Emissionskoeffizienten für die z. B. von einem Pyrometer zu messende Wärmestrahlung. Damit wird die Stabilität der Prozessregelung und Qualitätsauswertung verbessert. Das Lot dagegen weist, abhängig von seinem Oxidationszustand und Verschmutzungsgrad an der Oberfläche, unterschiedliche Absorptions- und Emissionsgrade auf, die sich beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand nochmals ändern. Zusätzlich werden schädliche Rückreflexe von der Oberfläche zurück zum Laser, wie sie beim direkten Laserlöten möglich sind, minimiert.

Vorzugsweise ist das Übertragungselement als Andruckvorrichtung ausgebildet. Das Übertragungselement ersetzt dabei die aus dem Stand der Technik bekannte offene Andruckvorrichtung in Form einer Laserdüse durch eine in Laserstrahlrichtung zumindest wahlweise geschlossene Form in Form eines Düsenverschlusses.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Führungseinrichtung ein Düsenkörper ist, der federvorgespannt mit einem vorzugsweise konusförmigen Hohlkörper verbunden und entgegen der Federvorspannung in Längsrichtung des Hohlkörpers verstellbar ist.

Durch diese Maßnahme ist auf einfache Weise ein federndes Abstützen des Übertragungselementes auf den Fügebereich gewährleistet, so dass empfindliche Bauteile me- chanisch nicht beschädigt werden. Gleichzeitig kann jedoch gezielt ein Anpressdruck eingeleitet werden, durch den das Stoff schlüssige Verbinden reproduzierbar erfolgt.

Vorzugsweise ist das Übertragungselement plattförmig oder stegförmig ausgebildet und ist z. B. eine Platte oder ein Blech mit einer Dicke im Bereich von 0,05 mm < d < 0,5 mm, vorzugsweise d ~ 0,1 mm ausgebildet. Die Platte oder das Blech wird durch die Laserstrahlung erwärmt und drückt die Fügepartner aufeinander. Dabei dient die Platte gleichzeitig dem vollflächigem Andruck. Somit kann ein gleichmäßiger Andruck eingestellt werden, wodurch die Lötqualität insbesondere im Randbereich der Lötung verbessert wird.

Insbesondere können weiche Kupferbändchen durch erhöhten Anpressdruck vor Lötbeginn geformt werden, d. h., Verformungen des Bändchens können kompensiert werden. Für das Lötverfahren selbst hat sich ein geringer Andruck als günstiger erwiesen.

Zudem ermöglicht die plattenförmige Geometrie eine gleichmäßigere Wärmeverteilung auf den angedrückten Fügepartner, auch ohne aufwendige Strahlformung. Verbessern lässt sich die Wärmeverteilung zusätzlich dadurch, dass das Übertragungselement eine Wölbung zum Laserstrahl hin aufweist. Damit lässt sich das Risiko einer lokalen Überhitzung des Lotes minimieren.

Insgesamt werden eine hohe Prozessgeschwindigkeit und eine sehr gute Regelbarkeit aufgrund der geringen Dicke und guten Wärmeleitfähigkeit des Übertragungselementes und damit geringer zusätzlicher Trägheit erreicht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Laserstrahlvorrichtung ist diese frontseitig vollständig verschlossen, d. h., als vollständiger Verschluss der Düse ausgebildet. Dadurch lässt sich der darüber liegende Optikteil optimal vor Prozessdämpfen und -staub schützen.

Über das Übertragungselement werden die Fügepartner indirekt, aber wegen der geringen Dicke des Übertragungselementes dennoch sehr schnell erwärmt. Vorzugsweise besteht das Übertragungselement aus Wolfram oder Titan. Beide Metalle haben hohe Verschleißfestigkeit, hohe Festigkeit und bieten insbesondere keine Anhaftung des weichen Lotes.

Unabhängig hiervon kann das Übertragungselement einen der Lötgeometrie angepasste Form aufweisen.

Ferner soll das Übertragungselement aus einem Material bestehen, das eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 1 W/(m*K) aufweist.

Bevorzugterweise sollte das Übertragungselement des Weiteren eine lotabweisende Oberfläche aufweisen.

Um energetisch günstig zu arbeiten, sieht die Erfindung des Weiteren vor, dass das Übertragungselement besondere in seinem von der Laserstrahlung beaufschlagten Bereich bzw. in dem Kontaktbereich zur Fügestelle mit einer eine Laserstrahlung gut absorbierenden Beschichtung versehen ist.

Unabhängig hiervon sollte das Übertragungselement die Wärmeenergie des Laserstrahls zu mehr als 1 %, vorzugsweise zu mehr als 60 %, besonders vorzugsweise mehr als 90 %, insbesondere mehr als 99,9 % absorbieren.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass der gesamte Strahlengang des Laserstrahls bis zum Übertragungselement einschließlich eines eventuellen zur Wärmemessung benutzten Strahlengangs geschlossen ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination - , sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Laserlöteinrichtung in Form einer Laserlotdüse in offener Form,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Laserlöteinrichtung nach Fig. 1 im Betrieb,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Laserstrahllöteinrichtung der Fig. 2,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Laserlöteinrichtung in Form einer Laserlötdüse in geschlossener Form,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Laserlöteinrichtung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine bevorzugte Ausführungsform einer Laserlöteinrichtung im Schnitt,

Fig. 7 einen TemperaturVLeistungsverlauf beim Laserlöten bei einer ordnungsgemäßen stoffschlüssigen Verbindung zwischen zwei Elementen,

Fig. 8 einen Temperatur-/Leistungsverlauf beim Laserlöten einer fehlerhaften stoffschlüssigen Verbindung zwischen zwei Bauelementen und

Fig. 9 eine Prinzipdarstellung einer Laserlötvorrichtung.

Den Figuren, in denen grundsätzlich für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden, sind Laserlöteinrichtungen zu entnehmen, mit denen ein stoffschlüssiges Verbinden von Bauteilen wie metallischen Leitern erfolgt. Dabei wird abweichend von bekannten Laserlöteinrichtungen der Laserstrahl unmittelbar auf ein Übertragungs- element fokussiert, das mit den zu verbindenden Bauteilen kontaktiert und somit durch den hierdurch erfolgenden Wärmeübertrag das Stoff schlüssige Verbinden ermöglicht.

Die Fig. 1 zeigt eine Laserlötdüse 10 umfassend einen Düsenkörper 12 mit einem Kanal 14, entlang dessen Längsachse 15 über eine Optik 110 eine fokussierte Laserstrahlung 16 mit geometrieangepas stem Fokus verläuft.

Bei der Optik 110 handelt es sich um ein Strahlumformungselement, über das die Laserstrahlung auf das Übertragungselement 26 mit einem geometrieangepas sten Fokus fokussiert wird. Geometrieangepasster Fokus bedeutet dabei, dass der Fokus eine gewünschte Geometrie wie Linie, Kreuz, Quadrat oder Kreis bzw. Punkt aufweisen kann, um nur einige Beispiele zu nennen. Die Geometrieanpassung eröffnet die Möglichkeit, das Übertragungselement 26 im gewünschten Umfang bzw. in vorgegebenen Bereichen mit der Laserstrahlung zu beaufschlagen und somit gezielt einen Wärmeübertrag in gewünschte Bereiche zu ermöglichen.

Unabhängig hievon kann die Optik 110 mit einem dielektrischen Material beschichtet sein, um die optischen Verluste zu reduzieren.

Der Düsenkörper 12 weist im Ausführungsbeispiel einen flanschartigen Anschlussbereich 18 auf, der z. B. an einen Hohlkonus 100 mit der Optik 110 als Strahlumformungselement befestigbar ist. Auf den flanschartigen Anschlussbereich 18 folgt ein zylinderförmiger Abschnitt 20, welcher in einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 22 übergeht, der seinerseits eine Düsenspitze bildet. Die Düsenspitze begrenzt seitliche Öffnungen 24, die in den Kanal 14 übergehen.

Der Düsenkörper 12 weist endseitig ein Übertragungselement 26 auf, welches im Verlauf des Laserstrahls 16 angeordnet ist und mit dem Wärmeenergie des Laserstrahls 16 an zu verbindende Bauteile übertragbar ist. Das Übertragungselement 26 erstreckt sich diagonal in der Düsenöffnung 24 und ist beispielhaft plattenförmig ausgebildet, vorzugsweise von rechteckförmiger Grundfläche, welche sich in einer Ebene erstreckt, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 15 des Kanals 14 verläuft und in einem Abstand von der durch die Öffnung 24 gebildeten Ebene angeordnet ist. Das Übertragungselement 26 ist über Stege 28, 30 mit dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 24 verbunden.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 stegartig ausgebildete Übertragungselement 26 eine Geometrie aufweist, die der Fläche einer herzustellenden Lötverbindung entspricht.

Der Hohlkonus 100 umgibt vollumfanglich den Laserstrahl, so dass eine Gefährdung von Personen ausgeschlossen ist. Einzig und allein im Bereich des Übertragungselements 26 können - wie die Ausführungsbeispiele 1 und 6 verdeutlichen - Öffnungen vorhanden sein. Über diese könnte sodann die Wärmestrahlung zur Temperaturmessung ermittelt werden.

Der Hohlkonus 100 ist seinerseits mit einer Laservorrichtung verbunden. Dabei weist die Laservorrichtung eine weitere optische Einrichtung wie Kollimatorlinse auf, über die die aus einem Lichtleiter austretende Laserstrahlung auf die Optik 110 wie Fokus- sierlinse gebündelt wird.

Die Fig. 2 und 3 verdeutlichen, dass der Düsenkörper 12 mit seinem Übertragungselement 26 auf den Überlappungs- oder Kreuzungsbereich 32 von Leiterbahnen 34, 36 aufgesetzt ist, die miteinander Stoff schlüssig verbunden werden sollen. Bei den Leiterbahnen 34, 36 kann es sich z. B. um verzinnte Kupferbändchen handelt, die als Verbinder für Solarzellen zum Einsatz gelangen. Mit anderen Worten können die Leiter 34, 36 an Solarzellen angeschlossen sein.

Man erkennt, dass das Übertragungselement 26 die Fügestelle überdeckt, also den Überlappungsbereich 32 zwischen den Leiterbahnen 34, 36.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt ein indirektes Laserlöten. Hierbei wird der direkte Eintrag in die Fügestelle 32 und somit in die Leiter 34, 36 durch eine Wärmeübertragung durch das Übertragungselement 26 ersetzt, welches grundsätzlich direkt mit der Laserstrahlung 14 beaufschlagt wird. Der Düsenkörper 12 und somit das Übertragungselement 26 bilden gleichzeitig eine Andruckvorrichtung, mittels der der Leiter 36 auf den unter diesem sich erstreckenden Leiter 34 im gewünschten Umfang angedrückt wird.

Durch die offene Ausbildung der Spitze besteht die Möglichkeit, dass Laserstrahlung unmittelbar auf die von dem Übertragungselement 26 nicht abgedeckten Bereiche auf die Leiter 34, 36 oder sonstige Stoff schlüssig zu verbindender Bauteile fällt. Dies kann gegebenenfalls zu einer Verbesserung der Verbindung führen. Umgekehrt kann die Temperaturstrahlung von Leiter 34 oder 36 wegen der fehlenden Abdeckung direkt py- rometrisch erfasst werden. Über die Öffnung kann des Weiteren die Temperatur vom Übertragungselement erfasst werden.

Allerdings ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Düsenspitze eine Öffnung aufweist, wie dies anhand der Fig. 5 ersichtlich wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist ein Düsenkörper 104, der eine Geometrie wie der Düsenkörper 12 aufweisen kann, eine Düsenspitze 106 auf, die geschlossen ist.

Aus den Fig. 4 und 5 ergibt sich des Weiteren, dass in dem sich an den Düsenkörper 104 anschließenden Konus 108 die den Laserstrahl beeinflussende Optik 110 angeordnet sein kann. Selbstverständlich kann eine entsprechende Optik auch zum Konus 108 beabstandet sein.

Das Übertragungselement des Düsenkörpers 106 kann eine Form bzw. Geometrie aufweisen, die dem Übertragungselement 26 der Fig. 1 bis 3 entspricht.

Unabhängig hiervon besteht die Möglichkeit, dass das Übertragungselement eine der Fügestelle bzw. dessen Verlauf angepasste Form bzw. Geometrie aufweist.

Auch sollte das Übertragungselement eine Dicke d im Bereich 0,05 mm und 0,5 mm, vorzugsweise von etwa 0,1 mm aufweisen. Ferner besteht die Möglichkeit, das Übertragungselement mit einer die Laserstrahlung absorbierenden Beschichtung zu versehen, um möglichst viel Wärmeenergie der Laserstrahlung zu absorbieren. Insbesondere sollte eine Absorption von mehr als 60 %, vorzugsweise mehr als 90 %, besonders bevorzugt mehr als 99,9 % erfolgen.

Der Fig. 6 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserlötvorrichtung zu entnehmen, wobei entsprechend der Fig. 1 für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Düsenkörper 12 gegenüber dem Hohlkonus 100 über ein Federelement 112 abgestützt, das einen zylindrischen Abschnitt 114 des Düsenkörpers 12 umgibt und sich zum einen an dem Flansch 18 und zum anderen am unteren Stirnrand 116 des konusförmigen Hohlkörpers 100 abstützt. Der Düsenkörper 12 kann z. B. in Art einer Renkverbindung in den Hohlkörper 100 eingesetzt werden, damit ungeachtet der über das Federelement 112 einwirkenden Kraft ein unkontrolliertes Herausgleiten aus dem Konuskörper 100 ausgeschlossen ist.

Aufgrund des Federelementes 112 wie Schraubenfeder kann mit definierter Kraft beim Absenken der Laserlötdüse 10 der Düsenkörper 12 mit seinem Übertragungselement 26 auf den Bereich aufgesetzt werden, in dem die Bauteile 34, 36 miteinander stoffschlüssig verbunden werden sollen.

Der Laserstrahl 16 wird mittels der Optik 110 auf das Übertragungselement 26 fokus- siert. Dabei kann Durchmesser und Form des Fokuspunkts mittels der Optik 110 derart eingestellt werden, dass gezielt in dem Bereich des Übertragungselements 26 die Laserenergie absorbiert wird, in dem die Bauelemente 34, 36 gefügt werden sollen.

Des Weiteren ergibt sich aus der Fig. 6 rein prinzipiell, dass die von dem Übertragungselement 26 emittierte Wärmestrahlung aus dem Laserstrahlengang über ein Umlenkelement wie dichroitischen Spiegel 118 abgelenkt wird, um von einem Temperatursensor wie Pyrometer 120 gemessen zu werden. Über den Temperaturverlauf während des Fügens können sodann Rückschlüsse auf die Güte der Schweißverbindung abgeleitet werden. Dies wird anhand der Fig. 7 und 8 erläutert. Dabei wird am Beispiel von zu verbindenden streifenförmigen Leitern verdeutlicht, dass die Laserleistung derart einzustellen ist, dass zunächst das obere streifenförmige Bauteil 36 aufgeheizt wird, das im Ausführungsbeispiel ein geringeres Volumen als das untere Bauteil 34 aufweist und somit eine geringere Wärmeableitung besitzt. Anstelle der beschriebenen reflektiven Strahlenführung kann auch eine transmittive gewählt werden. In diesem Fall würde die Laserstrahlung umgelenkt werden.

Die Leistung der Laserstrahlung ist nun derart zu begrenzen, dass zunächst der Leiter 36 aufgeheizt und sodann ein Wärmeübergang auf den unteren Leiter 34 erfolgt. Wird dementsprechend die Leistung eingestellt, ohne dass der obere Leiter 36 oder das Übertragungselement 26 aufgrund des von dem Übertragungselement 26 übertragenen Wärmeenergie eine thermische Beschädigung erfährt, so wird nach dem Erwärmen des oberen Leiters 36 - verdeutlicht durch den Bereich 122 - während der Zeit tl und t2 die von dem Sensor 120 ermittelte Temperatur abfallen (Bereich 124) (Fig. 7). Durch das Aufheizen des unteren Bauteils 34 wird bei weiterer im Wesentlichen konstanter Laserstrahlungsleistung bis zu einer Zeit t3 ein Temperaturanstieg gemessen (Bereich 126), bis die Löttemperatur erreicht ist, also die Solltemperatur. Sodann erfolgt das stoffschlüssige Verbinden während der Zeit t3 bis t4. Hierbei handelt es sich im eigentlichen Sinne um eine Temperaturhaltephase (Bereich 128) mit geregelter Temperatur, bei der bei Vorhandensein von Lot dieses fließt und die stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird. Nach der Zeit t4 kann sodann ein kontrolliertes oder unkontrolliertes Abkühlen erfolgen (Bereich 130).

Die Maximalleistung des Lasers muss infolgedessen derart eingestellt und gleichzeitig beschränkt werden, dass zum einen eine Beschädigung des oberen Leiters unterbleibt und zum anderen der erforderliche Wärmeübergang von dem oberen Bauteil 36 auf das untere Bauteil 34 sichergestellt ist, damit dieses die Temperatur annimmt, die zum stoffschlüssigen Verbinden erforderlich ist.

In Fig. 8 ist ein fehlerhafter Laserlötprozess dargestellt. Ein fehlerhafter Prozess ist dann gegeben, wenn einzig und allein ein schnelles Aufheizen erfolgt, wobei sodann die Temperaturkurve der Sollkurve folgt. Die Laserleistung und damit die Energie ist geringer als beim ordnungsgemäßen Lötprozess. Zwar folgt die Solltemperatur der Isttemperatur, ohne dass jedoch sichergestellt ist, dass das untere Bauteil 34 im erforderlichen Umfang aufgeheizt ist; denn es wird ausschließlich die von dem Übertragungselement 26 emittierte Wärmestrahlung gemessen. Ein Durchwärmen der Leiter 34, 36 ist jedoch nur dann gegeben, wenn nach dem Aufheizen ein relativ starker Temperaturabfall messbar ist, wie dies die Fig. 7 verdeutlicht (s. Bereich zwischen tl und t2). Die abfallende Temperatur zeigt, dass das untere Bauteil 34 im erforderlichen Umfang erwärmt wird.

Somit können aus dem Temperaturverlauf Rückschlüsse über die Güte der stoffschlüssigen Verbindung gewonnen werden. Folglich ist die Möglichkeit für eine Qualitätssicherung gegeben.

Die Fig. 7 und 8 sind Messkurven, die beim Verbinden von Busbars und Querverbindern auf Solarzellen ermittelt worden sind.

Der Fig. 9 ist eine Prinzipdarstellung einer Laserlötvorrichtung mit den zuvor beschriebenen Komponenten dargestellt. Dabei werden für die zuvor erläuterten Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet. Auch wird auf die entsprechenden zuvor erfolgten Ausführungen verwiesen.

Die Anordnung umfasst einen Laser 122, der Strahlung im NIR (Nahen Infrarot) - Bereich emittiert. Es kann sich z. B. um einen Diodenlaser oder YAG-Laser handeln. Die Strahlung 16 fällt sodann auf eine optische Einrichtung, vorzugsweise in Form einer Kollimatorlinse 124. Der Laserstrahl 16 durchsetzt ein Umlenkelement wie den dichroitischen Spiegel 118, um sodann auf die Fokus sierlinse 110 zu fallen, mittels der der Laserstrahl 16 fokussiert und der Fokus auf das Übertragungselement 26 abgebildet wird. Die Fokussierlinse 110 ist ein Strahlumformungselement, mittels dessen die Laserstrahlung 16 mit einem geometrieangepassten Fokus auf dem Übertragungselement 26 abgebildet wird. Geometrieangepassst bedeutet dabei, dass eine gewünschte Fokusgeometrie erzeugbar ist. Das Strahlumformungselement bzw. die Linse 110 ist in dem Hohlkonus 100 angeordnet, entlang dessen Längsachse 15 die optische Achse der Laserstrahlung 16 verläuft.

Um die Temperatur des Übertragungselementes 26 zu ermitteln, wird die von dem Übertragungselement 26 in Richtung des Laserstrahls 16 emittierte Strahlung über den Spiegel 118 umgelenkt, um sodann reflektiv mittels eines Temperatursensors wie Pyrometers 120 gemessen zu werden.

Die erfindungsgemäße Lehre wird jedoch auch dann nicht verlassen, wenn die Laserstrahlung umgelenkt und die Wärmestrahlung transmittiv gemessen wird. In diesem Fall würde der Laser 122 an die Stelle des Pyrometers 120 gesetzt und zwischen dem so angeordneten Laser und dem Spiegel 118 die Optik 124 positioniert werden. Anstelle des Lasers 122 würde sodann der Temperatursensor 120 angeordnet sein.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen mittels Laserstrahlung

1. Verfahren zum Stoff schlüssigen Verbinden von Bauteilen (34, 36), wie metallischen Leitern, mittels Laserstrahlung (16), wobei die zu verbindenden Bauteile gegebenenfalls unter Zufuhr und/oder Vorhandensein von Lot und/oder Flussmittel durch von der Laserstrahlung erzeugte Wärmeenergie verbunden werden und wobei die Wärmeenergie der Laserstrahlung durch zumindest ein der Laserstrahlung ausgesetztes Übertragungselement (26) vollständig oder teilweise absorbiert und durch dieses auf die zu verbindenden Bauteile übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (16) über zumindest ein Strahlumformungselement (110) unmittelbar auf das Übertragungselement (26) mit einem geometrieangepassten Fokus fokussiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) eine Laserstrahlung absorbierende Beschich- tung aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zu verbindenden Bauteile (34, 36) während des Energieeintrags mittels des Übertragungselementes (26) eine Andruckkraft aufgebracht wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Übertragungselement (26) bzw. einer Fügestelle abgestrahlte Wärmestrahlung von einem Temperatursensor (120) wie Pyrometer erfasst wird, wobei die Wärmestrahlung transmittiv oder reflektiv dem Temperatursensor zugeführt wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) von einem Düsenkörper (12) ausgeht, der federkraftbeaufschlagt zur Erzielung einer gewünschten Andruckkraft in Laserstrahlachsenrichtung verstellt wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Stoff schlüssigen Verbinden von zwei vorzugsweise streifenförmigen Bauteilen (34, 36) die Laserleistung derart gesteuert wird, dass sich ein Temperaturverlauf des Übertragungselements derart ergibt, dass nach einem Temperaturanstieg ein merklicher Temperaturabfall und sodann ein erneuter Temperaturanstieg erfolgt, der in ein für das Stoff schlüssige Verbinden charakteristischen im Wesentlichen konstanten Temperaturbereich übergeht.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Übertragungselement (26) bzw. einer Fügestelle abgestrahlte Wärmestrahlung über einen dichroitischen Spiegel aus dem Strahlengang des Lasers ausgekoppelt und von einem Temperatursensor wie Pyrometer erfasst wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bauteile (34, 36) durch Anpressdruck vor Lötbeginn verformt werden.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) vorgewärmt wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl durch optische Elemente in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird, um das Übertragungselement (26) in mehreren Bereichen zu beaufschlagen.

11. Vorrichtung (10) zum Stoff schlüssigen Verbinden, wie Löten, von Bauteilen (34, 36), wie metallischen Leitern, mittels Laserstrahlung, umfassend eine die Laserstrahlung (16) auf die zu verbindenden Teile richtende Führungseinrichtung, die zumindest ein von der Laserstrahlung erwärmbares Übertragungselement (26) aufweist, über das Wärmeenergie der Laserstrahlung auf die zu verbindenden Bauteile übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zumindest ein Strahlumformungselement (110) aufweist, über das die Laserstrahlung unmittelbar auf das Übertragungselement (26) fokussierbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (12) ein Düsenkörper ist, der federvorgespannt mit einem vorzugsweise konusförmigen Hohlkörper (100) verbunden und entgegen der Federvorspannung in Längsachsenrichtung (15) des Hohlkörpers (100) verstellbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlumformungselement (110) eine erste optische Einrichtung wie Fo- kussierlinse umfasst, die vorzugsweise von dem Hohlkörper (100) ausgeht.

14. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten optischen Einrichtung (110) wie Fokussierlinse eine in dem Strahlengang der Laserstrahlung angeordnete zweite optische Einrichtung wie Kollimatorlinse vorgeordnet ist.

15. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (12) endseitig eine Düsenöffnung (28) aufweist, über die sich ein vorzugsweise streifenförmiges Element als das Übertragungselement (26) erstreckt.

16. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) eine der Lötgeometrie bzw. Fügestelle ange- passte Form aufweist.

17. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) platten- bzw. stegförmig oder als eine Platte wie Blech ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement eine Dicke d mit 0,05 mm < d < 0,5 mm, vorzugsweise d ~ 0,1 mm aufweist.

19. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) aus einem Material besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/(m*K) aufweist.

20. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) eine lotabweisende Oberfläche aufweist.

21. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) aus Wolfram oder Titan besteht oder dieses Material enthält.

22. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) eine zum Laserstrahl (16) hin gerichtete Wölbung aufweist.

23. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdüse (12) frontseitig vollständig verschlossen ist, wobei frontseitiger Verschluss das Übertragungselement (26) bildet.

24. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) die Wärmeenergie des Laserstrahls (16) zu mehr als 1 %, vorzugsweise mehr als 60 %, insbesondere mehr als 90 %, besonders bevorzugt mehr als 99,9 % absorbiert.

25. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (26) integraler Bestandteil der Laserdüse (12) ist.

26. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Übertragungselement (26) emittierte Wärmestrahlung umlenkendes Element, wie der dichroitische Spiegel (118), zwischen dem ersten optischen Element (110) wie der Kollimatorlinse und dem zweiten optischen Element wie der Fokussierlinse angeordnet ist.

27. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) einen von dem Übertragungselement (26) emittierte Wärmestrahlung messenden Temperatursensor (120) wie Pyrometer aufweist, dem die Wärmestrahlung transmittiv oder reflektiv zuführbar ist.