Bauteilschonende Verbindungstechnik auf Metallisierungen durch moduliertes Laserstrahlschweißen

Britten, Simon; Poprawe, Reinhart (Thesis advisor); Reisgen, Uwe (Thesis advisor)

1st ed.. - Aachen : Apprimus Verlag (2017, 2018)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Lasertechnik
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (VIII, 143 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Die Erhöhung der Arbeitstemperatur und die zunehmende Leitungsquerschnittsfläche im Bereich der Leistungselektronik stellt für die konventionelle Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) eine besondere Herausforderung dar. Konventionelle Verfahren wie das Löten oder Drahtbonden sind entweder über die Betriebstemperatur, den Anbindungsquerschnitt oder die Materialkombinationen begrenzt. Ein konventioneller Laserschweißprozess ermöglicht zwar eine örtliche und zeitliche Steuerbarkeit des Energieeintrages, zum Fügen von dicken Verbindern auf wesentlich dünnere Metallisierungen ist dieser jedoch aufgrund des hohen Gesamtenergieeintrages in das untere Bauteil nicht geeignet. Um Stromverbinder mit großem Querschnitt mit thermisch empfindlichen Bauteilen (z.B. Batterien, Leiterplatten, keramischen Substraten) zu verbinden, wird in dieser Arbeit das neuartige Fügeverfahren „Laser Impuls Schmelzbonden“ (LIMBO) untersucht. Das LIMBO-Verfahren verwendet eine thermische Trennung der Fügepartner mittels eines Spaltes, durch den der für das Aufschmelzen des Verbinders benötigte hohe Energieeintrag eingebracht werden kann, ohne dass das untere Bauteil thermisch vorbelastet wird. Um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern herzustellen, erfolgt eine Auslenkung des Schmelzbades mit Benetzung und Anbindung am unteren Fügepartner, die über einen Verdampfungsprozess an der Schmelzbadoberfläche mittels Laserstrahlmodulation realisiert wird. Neben den prozesstechnischen Grundlagen, die ein analytisches Modell zur Schmelzbadauslenkung, thermischen Simulationen und experimentellen Untersuchungen zur Verdampfungsgeschwindigkeit enthalten, werden im Zuge der Arbeit drei verschiedene Modulationstechniken zur Erzeugung der Schmelzbadauslenkung verglichen. Die mit dem LIMBO-Verfahren erzielte temperaturstabile Verbindung wird innerhalb einer Gesamt-Prozesszeit von<100 ms erreicht und weist ein Aspektverhältnis zwischen Einschweißtiefe und Anbindungsquerschnitt von bis zu 1:45 auf. Die thermische Substratbelastung wird durch eine Energieeintragszeit in der Auslenkungs- und Anbindungsphase von < 5 ms gering gehalten. Durch diese Eigenschaften wird mit dieser Arbeit eine neue Kontaktierungslösung für u.a. Leiterplatten, keramische Substrate mit Metallisierungen (z.B. DCBs, DABs) und Hybridbauteilen (z.B. MIDs) bereitgestellt.

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