Bei einem Verfahren zur Erzeugung einer Laserschweißverbindung zwischen einer flexiblen Metallfolie (4) und einem metallischen Kontaktpartner (6) wird eine Verbindungsfläche (7) des metallischen Kontaktpartners in Anlage an eine Seite der Metallfolie (4) gebracht. Auf die gegenüberliegende Seite der Metallfolie wird mittels eines Niederhalters (8) eine Druckkraft ausgeübt, so daß die Verbindungsfläche spaltfrei an der Metallfolie (4) anliegt. Zur Bildung der Schweißverbindung wird im Anlagebereich Laserlicht auf die Metallfolie gerichtet.
Beschreibung[de]
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Erzeugung einer Laserschweißverbindung zwischen einer
flexiblen Metallfolie, insbesondere Cu-Folie, und einem
metallischen Kontaktpartner.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind in besonderem Maße
für die Technik der Bestückung flexibler Leiterplatten mit
elektrischen Bauelementen von Bedeutung. Bekannte und für
derartige Zwecke erprobte Verfahren sind das Nieten, Löten und
Drahtbonden. Ferner sind Laserschweiß- und Laserlötverfahren
bekannt, bei denen die für die Erzeugung einer elektrischen
Kontaktverbindung erforderliche Energie in Form von
Laserstrahlung in die Fügepartner eingebracht wird.
Laserbestrahlungsverfahren weisen eine Reihe von
prinzipbedingten Vorteilen (hohe Prozeßvariabilität, Wegfall von
mechanischen Werkzeugen, hohe Verschleißfreiheit usw.)
gegenüber den genannten, mechanischen Kontaktierungsverfahren auf.
Nachteilig bei den Laserbestrahlungsverfahren ist jedoch, daß
die Qualität der erzielten Verbindungen häufig variiert und
in bezug auf ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften
nicht selten zu wünschen übrig läßt.
In der den nächstliegenden Stand der Technik
repräsentierenden Patentschrift US 5,676,865 ist ein Verfahren zur
Realisierung einer Schweißverbindung zwischen einer flexiblen
Leiterplatte und einem metallischen Leiter beschrieben. Bei
diesem Verfahren werden zunächst gegenüberliegende Öffnungen in
die boden- und deckenseitigen Isolationsschichten der
flexiblen Leiterplatte eingebracht, so daß eine dazwischen
verlaufende Leiterbahn in den Öffnungsbereichen beidseitig
freiliegt. Die freiliegende Leiterbahn wird dann mit einem Zentralloch
versehen. Nachfolgend wird der Lochrand der
Leiterbahn so umgeformt, daß er mit einer Endfläche des
elektrischen Leiters in Kontakt gelangt. Zuletzt wird die Leiterbahn
mittels eines durch die rückwärtige Öffnung gerichteten
Laserstrahls im Lochbereich an den Leiter angeschweißt.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß aufgrund des
Zentrallochs relativ wenig Leiterbahnmaterial für den
Schweißprozeß zur Verfügung steht und ferner ein definiertes
Herunterbiegen des Lochrands auf den Leiter technische Probleme
bereitet. Aus diesen Gründen kann auch dieses Verfahren die
praktischen Anforderungen in bezug auf die Reproduzierbarkeit
der Herstellung qualitativ guter Kontakte nicht garantieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur reproduzierbaren Herstellung einer
dauerhaften und niederohmigen Schweißverbindung zwischen einer
Metallfolie, insbesondere Cu-Folie, und einem metallischen
Kontaktpartner zu schaffen.
Die Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine
entscheidende Voraussetzung für die Erzeugung von Schweißverbindungen
mit einwandfreien, elektromechanischen Kontakteigenschaften
eine definierte und spaltfreie Anlage der Metallfolie an der
Verbindungsfläche des Kontaktpartners ist. Nur unter dieser
Voraussetzung gelingt die Herstellung reproduzierbarer,
qualitativ hochwertiger, schmelzmetallurgischer Verbindungen
durch Laserschweißen. Das Anpressen der Metallfolie an die
Verbindungsfläche des Kontaktpartners wird erfindungsgemäß
durch eine spezielle Niederhaltetechnik gewährleistet.
Eine vorteilhafte Verfahrensvariante kennzeichnet sich
dadurch, daß das Laserlicht durch eine Durchtrittsöffnung des
Niederhalters auf die Metallfolie gelangt. Auf diese Weise
wird sichergestellt, daß die Andruckzone den
Beleuchtungsbereich allseitig umgibt. Dabei kann ein vollständiger
Formschluß oder Nullspalt im Anlagebereich zwischen der
flexiblen Metallfolie und der Verbindungsfläche des metallischen
Kontaktpartners sicher gewährleistet werden.
Darüber hinaus wird die Qualität der erhaltenen
Schweißverbindung auch durch die Materialwahl der Fügepartner
beeinflußt. Bei Verwendung einer Cu-Metallfolie hat sich
gezeigt, daß hochwertige Verbindungen mit einem aus einer
Bronze-Legierung bestehenden, metallischen Kontaktpartner im
wesentlichen nur bis zu einem Zinnanteil von maximal 14%
möglich sind.
Ferner hat sich gezeigt, daß der Nickel- und Zinkgehalt einer
solchen Bronze-Legierung jeweils nicht über 0,1% liegen
sollte, da bei höheren Anteilen der genannten Metalle sich die
Reproduzierbarkeit der erzielten Schweißverbindungen deutlich
verringert. Bezüglich Blei ist ein Anteil von maximal etwa 1%
aktzeptabel.
Ein wichtiger Anwendungsbereich der Erfindung besteht in der
(automatisierten) Bestückung einer flexiblen Leiterplatte
(deren Leiterbahnen die Metallfolie realisieren) mit
elektronischen Bauelementen (deren Kontaktstifte die metallischen
Kontaktpartner darstellen). Die mit der Erfindung erzielten,
elektromechanischen Kontakteigenschaften (hohe mechanische
Festigkeit, niedriger Ohm'scher Übergangswiderstand) sowie die
gute Reproduzierbarkeit der Kontaktherstellung sind gerade
für diesen Anwendungsfall von zentraler Bedeutung.
Eine konstruktiv vorteilhafte Ausführungsvariante des in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer
Laserschweißverbindung eingesetzten Niederhalters kennzeichnet
sich dadurch, daß der Niederhalter von einer Druckfeder
beaufschlagt und in Richtung der Federkraft beweglich an einem
Tragkörper angebracht ist. Dadurch wird erreicht, daß die von
dem Niederhalter auf die Metallfolie (oder flexible
Leiterplatte) ausgeübte Andruckkraft von der Druckfeder erzeugt und
daher gezielt und feinfühlig über die Wahl eines geeigneten
Abstandes zwischen dem Tragkörper und der Metallfolie
(flexible Leiterplatte) einstellbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in
dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung,
bestehend aus drei Niederhaltern, einer flexiblen
Leiterplatte und drei Kontaktpartnern; und
Fig. 2 eine vereinfachte, schematische Schnittdarstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine flexible Leiterplatte 1, die aus zwei
parallel verlaufenden Isolationsschichten 2, 3 und einer
dazwischen liegenden Metallfolie (Leiterbahn) 4 aufgebaut ist.
Derartige flexible Leiterplatten werden in vielfältigen
Ausführungen hergestellt und als elektrische Verbindungselemente
sowie als Träger für Elektronikschaltungen verwendet.
Die untere Isolationsschicht 2 weist drei Öffnungen 5 auf, an
deren Böden die Metallfolie 4 frei liegt.
Jede Öffnung 5 wird von einem Metallstift 6 durchlaufen,
welcher mit seiner der flexiblen Leiterplatte 1 zugewandten
Endfläche 7 ganzflächig an der Metallfolie 4 anliegt.
Die Metallstifte 6 werden in Fig. 1 als ortsfest betrachtet.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 1 befinden
sich Niederhalter 8, die mit einer durch Druckfedern 9
vorgegebenen Andruckkraft F auf die obere Isolationsschicht 3 der
Leiterplatte 1 drücken. Die Lage der Niederhalter 8 ist dabei
so gewählt, daß sie exakt axial ausgerichtet mit den jeweils
gegenüberliegenden angeordneten Metallstiften 6 sind.
Die Niederhalter 8 können in Form eines Hohlzylinders mit
ringförmigen oder rechteckigen Querschnitt ausgebildet sein.
Die Öffnung 10 ermöglicht die Einkopplung von Laserlicht X in
die flexible Leiterplatte 1.
Die Isolationsschichten 2, 3 der flexiblen Leiterplatte 1
können beispielsweise aus Polyimid oder einem anderen,
geeigneten Kunststoff oder Lackmaterial bestehen. Die Metallfolie
4 ist vorzugsweise aus Cu. Anstelle der in Fig. 1
dargestellten Leiterplatte 1 mit einseitigem Zugriff (Öffnungen 5) kann
auch eine flexible Leiterplatte mit beidseitigem Zugriff
verwendet werden. Bei einer flexiblen Leiterplatte mit
beidseitigem Zugriff ist auch die obere Isolationsschicht 3 mit
Öffnungen versehen, welche den Öffnungen 5 gegenüberliegen. In
diesem Fall strecken sich die Niederhalter 8 durch diese
Öffnungen hindurch und drücken direkt auf die Metallfolie 4 auf.
Eine mögliche Vorgehensweise zur Erzeugung dieser (in Fig. 1
nicht dargestellten) Zugriffsöffnungen in der oberen
Isolationsschicht 3 besteht darin, daß vor dem Positionieren der
Niederhalter 8 in den dargestellten Positionen zunächst
mittels des Laserlichts X die genannten Zugriffsöffnungen in die
Isolationsschicht 3 gebrannt werden. Der Laser erfüllt in
diesem Fall eine Doppelfunktion, da er sowohl für die
Herstellung der Zugriffsöffnungen (nicht dargestellt) als auch
für die erfindungsgemäße Erzeugung der Schweißverbindungen
eingesetzt wird.
Nachfolgend wird anhand Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Ablauf
zur Erzeugung einer Laserschweißverbindung beschrieben.
Zunächst wird die flexible Leiterplatte 1 mittels einer
geeigneten Handhabungseinrichtung (siehe beispielsweise auch
Fig. 2) in Position gebracht und so auf die lagefesten Metallstifte
6 (z. B. Kontaktbeine von Bauteilen)
niedergebracht, daß die Metallstifte 6 durch die Öffnungen 5
hindurch in Anlage an die Metallfolie 4 gelangen. Ohne die
Ausübung eines Gegendrucks von der gegenüberliegenden Seite
der Leiterplatte 1 kann keine für das erfindungsgemäße
Verfahren ausreichend spaltfreie Anlage der Endflächen 7 der
Metallstifte 6 an die Metallfolie 4 erzielt werden. Die
erforderliche Spaltfreiheit zwischen den Kontaktpartnern wird erst
durch den lokal auf die rückseitige Isolationsschicht 3
drückenden Niederhalter 8 bewirkt. Zu diesem Zweck werden die
Niederhalter 8 in geeigneter Weise und ausgerichtet mit den
Metallstiften 6 auf die Isolationsschicht 3 der Leiterplatte
1 abgesenkt. Die Federn 9 ermöglichen die Einstellung einer
definierten Andruckkraft, die ausreichend für die Erzielung
und Sicherstellung der Spaltfreiheit zu Beginn des
Schweißprozesses ist.
In einem nächsten Schritt erfolgt die Erzeugung der
Schweißverbindungen. Als Laserquelle können ein oder mehrere Nd:YAG-
Laser eingesetzt werden. Der Laserstrahl X trifft von oben
auf die Isolationsschicht 3, durchläuft diese und dringt bis
etwa 1 mm tief in die Fügepartner (Metallfolie 4 und
Metallstift 6) ein. Die dabei entstehende Schmelze verschweißt die
beiden Fügepartner. Anders als beim Laserlöten werden hierfür
keine Zusatzwerkstoffe (Lot) benötigt.
Bei dem Schweißschritt entsteht eine kreisscheibenförmige
Verbindungszone (Schweißpunkt) mit einem Durchmesser von 0,6
bis 019 mm. Der Durchmesser ist abhängig von der Laseroptik
und kann durch Verstellen derselben variiert und optimiert
werden. Die Schweißenergie hängt von dem
Lichtfleckdurchmesser (etwa 0,3 bis 0,6 mmm) des Laserlichts auf der flexiblen
Leiterplatte 1 und der Pulslänge des Laserlichts ab und
beträgt zwischen 8 J und 18 J. Die Pulsspitzenleistung erreicht
bei einer Pulszeit von 3 ms bis 10 ms etwa 2 kW bis 3 kW. Es
kann mit einer mittleren Leistung von 100 bis 200 W des
Nd:YAG-Lasers (Wellenlänge 1,06 µm) gearbeitet werden. Die
genannten Laserparameter sind ferner von der Materialwahl und
der Geometrie der Fügepartner abhängig.
Gute Schweißergebnisse wurden mit Metallstiften 6 aus CuSnX-
Legierungen erhalten, wobei X den Zinnanteil der Legierung
bezeichnet. Die durchgeführten Versuche deuten darauf hin,
daß sämtliche CuSnX-Legierungen mit einem Zinnanteil von bis
zu X = 14% geschweißt werden können. Problematisch sind Anteile
von Blei, Nickel oder Zink. Bei Anteilen von Blei über 1% und
Anteilen von Nickel oder Zink über etwa 0,1% können aufgrund
eines zu erruptiven Werkstoffverhahltens keine
reproduzierbaren Schweißergebnisse erzielt werden.
Geeignete Bronze-Legierungen sind beispielsweise CuSn5,
CuSn5-Ag, CuSn6, CuSn6-Ag, CuSn14Pb, CuSn14Pb-Ag und
CuSn5Pb1-Ag.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Dieselben
oder vergleichbare Teile wie in der Fig. 1 sind mit denselben
Bezugszeichen versehen. Die flexible Leiterplatte 1 ist auf
einer Halterung 11 mechanisch fixiert. Die Halterung weist in
einem zentralen Bereich eine Montageöffnung 12 auf. Unterhalb
der Montageöffnung 12 befindet sich ein Tragkörper 13, der in
Normalrichtung (Doppelpfeil N) zu der durch den Träger 11
definierten Ebene längsverschieblich angebracht ist. In dem
Tragkörper 13 sind zwei ebenfalls in Normalrichtung
orientierte Aufnahmevertiefungen oder Buchsen 14 vorhanden, in
welche die Niederhalter 8 gleitend verschiebbar und jeweils
über die Federn 9 abgestützt eingesetzt sind.
Ein elektronisches Bauelement 15 wird über Manipulatorarme 16
oberhalb der flexiblen Leiterplatte 1 gehalten und in der
Weise auf die Leiterplatte 1 (in Normalrichtung N) abgesenkt,
daß die Kontaktbeine 6 des Bauelements 15 in die Öffnungen 5
der Isolationsschicht 2 eintreten und die Metallfolie 4
berühren. Der für die erfindungsgemäße Erzeugung der Schweißverbindung
erforderliche Gegenanlagedruck wird dann durch
eine kontrollierte Verschiebung des Tragkörpers 13 in Richtung
zu dem Träger 11 hin aufgebaut. Durch eine Steuerung des
Verfahrwegs (Abstand zwischen dem Träger 11 und einem
Referenzpunkt des Tragkörpers 13) kann unter Berücksichtigung der
Federkonstante der Druckfedern 9 eine gewünschte
Gegendruckkraft eingestellt werden. Genausogut kann, wie bereits im
Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, auch das Bauelement 15
lagefest und der Träger 11 verschiebbar ausgeführt sein.
Aus Fig. 2 ist ferner ersichtlich, daß das von einem Laser 17
erzeugte Laserlicht X über eine optische Faser 18 einem
Laserkopf 19 zugeführt wird. Der Laserkopf 19 weist ein
Laserlicht-Umlenksystem (Scannerspiegel) 20 und ein Planfeld-
Objektiv (telezentrische Optik) 21 auf. Das Laserlicht-
Umlenksystem 20 positioniert den Laserstrahl nacheinander auf
die gewünschten Schweißstellen, während das Planfeld-Objektiv
21 dafür sorgt, daß die Laserstrahlen hinter dem Laserkopf 19
stets parallel und senkrecht zum Träger 11 verlaufen und eine
identische Fokusebene aufweisen.
Ein wesentlicher Effekt der Erfindung besteht darin, daß
durch das erfindungsgemäße Verfahren besonders niederohmige
Übergangswiderstände erzeugt werden können. In Tabelle 1 sind
die Übergangswiderstände (in mΩ) angegeben, die bei
Messungen als Minimalwert, Maximalwert und Durchschnittswert für
drei verschiedene Werkstoffe des Metallstiftes 6 erhalten
wurden. Die Werte beziehen sich auf eine flexible
Leiterplatte 1 mit einseitigem Zugriff. Der Tabelle 1 ist zu entnehmen,
daß die Durchschnittswerte der gemessenen
Übergangswiderstände in allen Fällen zwischen 0,56 und 0,64 mΩ liegen. Eine
Versilberung einer CuSn6-Legierung bewirkt eine leichte
Erhöhung des gemessenen Übergangswiderstandswerts.
Tabelle 1
Zum Vergleich sind in Tabelle 2 die Übergangswiderstände (in
mΩ) angegeben, die bei anderen Verbindungstechnologien
erreicht werden. Die gemessenen Übergangswiderstände betragen
für diese bekannten Technologien 2,5 bis 7 mΩ und sind damit
um ein Vielfaches höher als beim erfindungsgemäßen
Laserschweißen.
Tabelle 2
Bei einem Durchmesser der Schweißzone von etwa 0,6 bis 0,9 mm
kann ohne weiteres eine Zugscherfestigkeit von etwa 25 bis 35 N
erreicht werden.
Anspruch[de]
1. Verfahren zur Erzeugung einer Laserschweißverbindung
zwischen einer flexiblen Metallfolie (4), insbesondere Cu-Folie,
und einem metallischen Kontaktpartner (6), bei welchem:
eine Verbindungsfläche (7) des metallischen Kontaktpartners
(6) in Anlage zu einem freiliegenden Bereich auf einer
Seite der Metallfolie (4) gebracht wird,
auf die gegenüberliegende Seite der Metallfolie (4)
Laserlicht (X) gerichtet wird, derart, daß eine
Schweißverbindung zwischen der Metallfolie (4) und dem Kontaktpartner
(6) gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels einer von einem Niederhalter (8) auf die
gegenüberliegende Seite der Metallfolie (4) ausgeübten
Druckkraft eine spaltfreie Anlage der Metallfolie (4) an die
Verbindungsfläche (7) des Kontaktpartners (6)
sichergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Laserlicht (X) durch eine Durchtrittsöffnung (10)
des Niederhalters (8) auf die Metallfolie (4) gelangt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der metallische Kontaktpartner (6) aus einer Bronze-
Legierung mit einem Zinnanteil von maximal 14% besteht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der metallische Kontaktpartner (6) aus eine Bronze-
Legierung mit einem Bleigehalt von maximal 1% besteht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der metallische Kontaktpartner (6) aus einer Bronze-
Legierung mit einem Nickel- oder Zinkgehalt von maximal
0,1% besteht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchmesser eines von dem Laser (17) auf der
Metallfolie (4) erzeugten Lichtflecks zwischen 0,3 und 0,6 mm
eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung der Schweißverbindung eine Schweißenergie
von 8 bis 18 J eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Pulszeit von 3 ms bis 10 ms eine Puls-
Spitzenleistung von 2 bis 3 kW des Lasers (17) eingesetzt
wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Metallfolie (4) um eine Leiterbahn
einer flexiblen Leiterplatte (1) handelt.
10. Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserschweißverbindung
zwischen einer Metallfolie (4), insbesondere Cu-Metallfolie,
und einem metallischen Kontaktpartner (6), mit:
einer Halterung (11), insbesondere Träger, für die
Metallfolie (4),
einem Manipulator (16), mittels welchem eine
Verbindungsfläche (7) des metallischen Kontaktpartners (6) und ein
freiliegender Bereich der Metallfolie (4) in Anlage
zueinander bringbar sind,
einem von der gegenüberliegenden Seite der Metallfolie (4)
auf die Leiterplatte (1) aufdrückbaren Niederhalter (8) zur
Sicherstellung einer spaltfreien Anlage zwischen der
Verbindungsfläche (7) des Kontaktpartners (6) und der
Metallfolie (4), und
einem Laser (17) zum Bestrahlen der Metallfolie (4) zur
Bildung der Schweißverbindung im spaltfreien Anlagebereich.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Niederhalter (8) eine Durchtrittsöffnung (10) zur
Transmission des Laserlichts (X) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Niederhalter (8) von einer Druckfeder (9)
beaufschlagt und in Richtung der Federkraft beweglich an einem
Tragkörper (13) angebracht ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser ein Nd:YAG-Laser ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Laser (17) eine optische Einrichtung (19)
nachgeschaltet ist, die ein Licht-Umlenksystem (20) und ein
Planfeld-Objektiv (21) umfaßt.