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Bauteilschonende Verbindungstechnik auf Metallisierungen durch moduliertes Laserstrahlschweißen

Joining of thermally-sensitive components with metallization by modulated laser beam welding
 
: Britten, S.

:
Volltext ()

Aachen: Apprimus, 2017, VIII, 143 S.
Zugl.: Aachen, TH, Diss., 2017
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer ILT ()

Abstract
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.

 

Due to the high demand in e-mobility and other high voltage applications, power electronic components are a key element in the focus of research and development. However, the increasing requirements of power electronic components represent a challenge for conventional interconnection processes due to the required high temperature stability and high reliability of the joint. Conventional soldering processes cannot be used for high temperature applications due to the low melting point of the solder and wire bonding processes are limited in the cross-section of the wire and in the material combination.Conventional laser welding is capable of a high control of energy deposition, but is not suitable for the welding of thick copper interconnectors to thin metallization, due to the resulting high overall energy input into the substrate. Ideally, an interconnection technology is required, which prevents temperature damage to the thermally sensitive substrate, ensures a sufficient mechanical strength and minimizes the electrical resistance of the joint.In order to weld thick copper interconnectors to thermally sensitive substrates, the novel approach “Laser Impulse Metal Bonding” (LIMBO) is investigated in this work. The LIMBO approach enables the welding of a copper interconnector over a gap to the metallization, which separates theprocess stages melting of the interconnector and joining to the metallization. The process is driven by the acceleration of the melt over the gap, which is achieved by temporal modulation of the laser beam.In the fundamental investigation of the LIMBO process, an analytical model of the melt deflectionis created, which is supported by thermal simulation and experimental studies regarding the vapor velocity. In the experimental part, three different modulation techniques are compared regarding the melt deflection and the energy deposition in the substrate.The LIMBO approach achieves an aspect ratio between the welding depth and the joining diameter of up to 1:45 and a process time below 100 ms. The thermal input into the substrate is minimized by a deflection and joining time below 5 ms. With these resulting characteristics of the LIMBO process, a novel packaging solution for e.g. printed-circuit boards, ceramic substrates (DCBs, DABs) and hybrid components (MIDs) is presented.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-519710.html