Aufbau einer rechnergesteuerten Laserschweißanlage und deren Qualifizierung für den hermetischen Gehäuseverschluß

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Hermetischer Gehäuseverschluß
2.1.1 Fehlermechanismen aufgrund von Feuchte
2.1.2 Gehäuseformen
2.1.3 Verschlußtechniken für hermetische Gehäuse
2.1.4 Prozeßführung beim Gehäuseverschluß
2.1.5 Prüfung hermetischer Gehäuse
2.1.6 Ablaufschema
2.2 Schweißen mit Lasern
2.2.1 Einflußgrößen
2.2.2 Schweißeignung

3 Aufgabenstellung
3.1 Anforderungen an die Laserschweißanlage
3.2 Aufbau der geplanten Laserschweißanlage
3.2.1 Der Laser
3.2.2 Die Handschuhbox
3.2.3 Der Handarbeitsplatz

4 Installation und Inbetriebnahme der Laseranlage
4.1 Installation
4.1.1 Die CNC-Laser Schnittstelle
4.1.2 Modifikation der Energiefreigabefunktion
4.2 Inbetriebnahme

5 Entwicklung einer CNC-Steuerung
5.1 Motivation
5.1.1 Schwächen von PAL-PC
5.2 Anforderungen an die CNC-Steuerung
5.2.1 Auswahl der Datenformate
5.3 Design
5.3.1 Funktionales Modell
5.3.2 Objektmodell
5.4 Implementierung
5.5 Ausblick

6 Durchgeführte Schweißversuche
6.1 Verwendete Testgehäuse
6.1.1 Standardgehäuse
6.1.2 Hybridgehäuse
6.2 Konstruktion von Gehäusehalterungen
6.3 Bestimmung der Prozeßparameter
6.4 Durchführung
6.5 Qualifizierung der Schweißergebnisse
6.5.1 Hermetizitätsprüfung der Testgehäuse
6.5.2 Metallographische Untersuchung der Schweißergebnisse .
6.6 Gehäusebeschriftung
6.7 Diskussion der Ergebnisse

7 Ausblick
A Handbuch CNCLaser 1.0
A.1 Systemanforderungen
A.2 Installation
A.3 Konfiguration
A.3.1 CNC-Optionen
A.3.2 Serielle Schnittstelle
A.4 Arbeiten mit CNCLaser 1.0
A.4.1 Die Symbolleiste
A.4.2 Manuelle NC-Programmierung
A.4.3 HPGL-Import
A.4.4 Verfahrweg optimieren
A.4.5 Daten senden
A.4.6 Der Prozeßmonitor
A.4.7 Das Handbedienelement
A.4.8 Parameter Berechnung
A.5 Referenz
A.5.1 Fehlermeldungen
A.5.2 Implementierte HPGL-Befehle
A.5.3 Implementierte PAL-Befehle .

B Tabellen

C Diagramme

Diplomarbeit

Thema:

Aufbau einer rechnergesteuerten Laserschweißanlage und deren Qualifizierung für den hermetischen Gehäuseverschluß

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Laserschweißanlage aufgebaut und in Betrieb genommen, mit deren Hilfe Metallgehäuse mikroelektronischer Schaltungen in definierten Atmosphären hermetisch verschlossen werden können.

Die Anlage besteht aus einem gepulsten 40 W Nd:YAG Festk örperlaser, einer Handschuhbox mit integrierter 5-Achsen-Bewegungseinrichtung und einem externen Handarbeitsplatz mit 3- Achsen-Bewegungseinrichtung. Im Zuge der Installation wurden alle Komponenten zu einer Gesamtanlage integriert. Des weiteren wurde für den Handarbeitsplatz eine Steuerungssoftwa- re entwickelt, die eine weitgehend automatisierte Erstellung von NC-Programmen aus externen HPGL-Daten ermöglicht.

Nach der Installation wurde der Prozeß des hermetischen Gehäuseverschlusses durch Schweißversuche erarbeitet und qualifiziert.

Verfasser: Dirk Schrödter

Datum der Abgabe: 29.04.98

Danksagung

Ich danke hiermit allen Mitarbeitern des Fraunhofer Instituts für Siliziumtechnologie für ihre Unterstützung.

Besonderer Dank gilt meinem Betreuer Herrn Dipl. Ing. W. Reinert, der diese Arbeit im Fraunhofer Institut ermöglichte. In Diskussionen verdeutlichte er die Aufgabenstellung und half mit Ermutigungen und vielen Tips.

Ebenso danke ich Herrn Damian Prochota für die Anfertigung der verwendeten Querschliffe.

Bei Herrn Prof. Dr. Ing. P. Marczinowski bedanke ich mich für seine Betreuung seitens der Fachhochschule Lübeck und die Durchsicht der Arbeit.

Des weiteren bedanke ich mich bei Dierk Früchtenicht, Antje Holthusen, Volker Schrödter und Alexander Weber für konstruktive Kritik, Korrekturlesen und geduldiges Zuhören. Zum Schluß möchte ich auch Sabine Fischer und Dr. Harald Fischer für ihre finanzielle Un- terstützung danken.

Abbildungsverzeichnis

2.1 Phasendiagramm des Wassers

2.2 Ausgewählte Typen von Metallgehäusen für den hermetischen Gehäuseverschluß

2.3 Ablaufschema des hermetischen Gehäuseverschluß

2.4 Zusammenhang der Strahlparameter

2.5 Strahlengang der Laseroptik mitübersicht der wichtigsten Einflußgrößen

3.1 Aufbau der geplanten Laseranlage

3.2 Anordnung der Achsen in der Handschuhbox

3.3 Anordnung der Achsen am Handarbeitsplatz

4.1 Vernetzung der Laseranlage

4.2 Beispiel Auswahl Parametersatz 5

4.3 Anpaßschaltung zwischen Laser und ISEL-Schnittstelle

4.4 Darstellung der Handschuhbox und deren Systeme

4.5 Darstellung des Handarbeitsplatzes und dessen Systeme

4.6 Darstellung des Materialbearbeitungslasers

5.1 Aufbau des ISEL-Bewegungssystems

5.2 Ein- und Ausgabeformate der CNC-Steuerung

5.3 Funktionales Modell zur Generierung von NC-Programmen aus HPGL-Daten

5.4 Funktionales Modell zur manuellen Erstellung von NC-Programmen

5.5 Objektmodell der CNC-Steuerung

5.6 Benutzeroberfläche der CNC-Steuerung

6.1 Gehäuseform und Schweißnahtgeometrien bei TO 5-Gehäusen

6.2 Gehäuseform und Schweißnahtgeometrie bei tiefgezogenen Gehäusen

6.3 Aufnahme für TO-Gehäuse

6.4 Aufnahme für Hybridgehäuse

6.5 Schweißnahtbildung durch Fokusüberlagerung

6.6 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgehäuse

6.7 Querschliff Kovarsockel/Nickelkappe

6.8 Querschliff Stahl/Nickelkappe

6.9 Querschliff Hybridgehäuse

6.10 Querschliff Hybridgehäuse

6.11 Beispiel Gehäusebeschriftung

6.12 Gehäusedeckel mit Stufe

A.1 Vorgabe der Mechanikparameter

A.2 Konfiguration der Seriellen Schnittstelle

A.3 Texteditor für NC-Programme

A.4 Darstellungsfenster für HPGL-Daten

A.5 Zuordnung der Prozeßparameter

A.6 Positionierungsarten

A.7 Positionseinstellung für den Bearbeitungsprozeß

A.8 Der Prozeßmonitor

A.9 Handbedienelement für manuelles Verfahren der Achsen

A.10 Modul zur Berechnung geometrieabhängiger Prozeßparameter

A.11 Konfiguration des Berechnungsmoduls

C.1 Eichkurve des Probenmotors

C.2 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgehäuse 1.1r

C.3 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgehäuse 1.3r

C.4 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgehäuse 2.1r

C.5 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgehäuse 2.2r

C.6 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgehäuse 3.3r

C.7 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgehäuse 3.5r

C.8 Druckverlauf im Rezipienten mit Testleck

Kapitel 1 Einleitung

Im Bereich der Materialbearbeitung werden heute neben herkömmlichen Verfahren in zunehmendem Maße auch Lasersysteme eingesetzt. So werden Laser u.a. zum Trennen, Schweißen, Bohren, Ritzen und Beschriften verschiedenster Materialien verwendet. Das Anwendungsspektrum reicht dabei von der Feinbearbeitung kleinster Bauelemente bis zur Grobbearbeitung zentimeterdicker Metallplatten. Die zunehmende Verbreitung des Lasers in allen Bereichen der Technik ist neben den besonderen Eigenschaften dieses Werkzeuges auf dessen sinkende Kosten bei stetig steigender Ausgangsleistung zurückzuführen.

Vorteile der Laserbearbeitung gegenüber anderen Verfahren sind u.a. die geringe thermische Belastung der Bauteile aufgrund kleiner Wärmeeinflußzonen, sowie ein berührungsfreies Arbeiten. Zudem lassen sich Lasersysteme gut in automatisierte Prozesse integrieren.

Diese Eigenschaften machen den Laser zu einem idealen Werkzeug für den Einsatz in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Eine wichtige Anwendung in diesem Bereich ist das gasdichte Verschweißen von Metallgehäusen mikroelektronischer Schaltungen. In hermetischen Gehäusen werden die empfindlichen Bauteile effektiv vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt. Hermetische Metallgehäuse werden besonders in der Luftfahrt, Medizintechnik, Sensorik und Militärtechnik eingesetzt, da hier eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer der elektronischen Schaltungen gefordert ist. So werden z.B. die Gehäuse von Herzschrittmachernüberwiegend mit dem Laser hermetisch verschlossen.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll für das Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie eine La- serschweißanlage für den hermetischen Gehäuseverschluß aufgebaut und in Betrieb genommen werden.

Kapitel 2 Grundlagen

Dieser Abschnitt beschreibt die Grundlagen des hermetischen Gehäuseverschlusses und des Laserschweißens. Auf eine detaillierte Darstellung der Funktionsweise von Festkörperlasern wird jedoch verzichtet, hierfür sei auf[1]verwiesen.

2.1 Hermetischer Gehäuseverschluß

Die Aufgabe von Gehäusen in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik besteht darin, elek- tronische Bauteile voräußeren Umwelteinflüssen zu schützen. Für ihre Herstellung werden heu- teüberwiegend Kunststoffe verwendet, da sie preisgünstig und gut zu verarbeiten sind. In der Regel bieten diese Gehäuse ausreichenden Schutz vor Zerst örung der in ihnen gekapselten Bau- elemente. Für den Einsatz in aggressiven Umgebungen sind sie jedoch nicht geeignet, da Kunst- stoffe durchlässig für Feuchtigkeit und Gase sind. Für solche Anwendungen werden gasdich- te Gehäuse benötigt. Da es aufgrund von Permeations- und Diffusionsprozessen durch die Ge- häusewände, z.B. Wasserstoffdiffusion im Metall, physikalisch nicht möglich ist, absolut dichte Kapselungen zu erreichen, läßt man kleine Undichtigkeiten zu, bei denen die Gehäuse noch als hermetisch gelten. Der Amerikanische Militärstandard MIL-883D definiert daher ein hermeti- sches Gehäuse anhand einer zulässigen Heliumleckrate. Auf den MIL-883D Standard wird in Kap.2.1.5 noch näher eingegangen.

2.1.1 Fehlermechanismen aufgrund von Feuchte

Die Hauptursache für den Ausfall mikroelektronischer Bauelemente ist elektrochemische Korrosion durch eingedrungene Feuchtigkeit in den Gehäusen. Folgende Fehlermechanismen sind dafür verantwortlich[7]:

Gold- und Silberelektromigration zwischen den Leiterbahnen

Dies geschieht grundsätzlich, wenn genügend Feuchte sowie ionische Salze einen Elektro- lyten zwischen zwei Leiterbahnen ausreichender Potentialdifferenz bilden. An der Anode kommt es zur sogenannten ”anodischenMetallauflösung“undanderKathodezurRe- duzierung der Metallionen. Hierdurch wachsen Metallkristalle und bedingen einen Kurz- schluß.

-Leckströme
Ionenleitung in einem Elektrolyten
- Korrosion von Drahtbonds, Bondpads und Metallisierungen

Viele Verbindungen sind in der Lage Aluminium anzugreifen. So kann z.B. Phosphor aus IC-Glas-Passivierungen gel öst werden, und Phosphorsäure bilden, was einen korrosiven Angriff des Aluminiums bewirkt.

Lokale galvanische Elemente wie z.B. Golddraht auf Al-Bondpad korrodieren auch ohne Betriebsspannung.

Ziel muß es daher sein, den Feuchtigkeitsgehalt im Gehäuse auf einen Wert zu reduzieren, bei dem die o.g.Prozesse nicht mehr auftreten.Bei einem Partialdruck des Wasserdampfes im Gehäuse unterhalb des Tripelpunktes (Ttr = 0 C; Ptr = 6;1 10[2]bar) ist sichergestellt, daß die Feuchte entweder gasförmig in der Gehäuseatmosphäre vorliegt oder sich auf der Schaltung in Form von Eiskristallen niederschlägt (siehe Abb. 2.1). Die hinsichtlich der korrosiven Wirkung schädliche flüssige Phase wird somit vermieden. Bei einem Gehäusedruck von einem Bar entspricht dies dem Feuchtigkeitsgehalt von 6100 ppm¹.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1:Phasendiagramm des Wassers

Da es in der Realität zu einer Gefrierpunkterniedrigung kommen kann, wurde der maximal zulässige Feuchtigkeitsgehalt auf 5000 ppm festgelegt.

2.1.2 Gehäuseformen

Um die erforderliche Gasdichtigkeit zu erreichen, werden hermetische Gehäuse aus dichten Ma- terialien wie Glas, Keramik und Metall gefertigt. Metallgehäuse bestehen in der Regel aus einem

Sockel und einem Deckel, wobei die elektrischen Leitungen durch gasdichte Glasdurchführungen in das Innere des Gehäuses gelangen (siehe Abb.2.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Ausgewählte Typen von Metallgehäusen für den hermetischen Gehäusever- schluß

2.1.3 Verschlußtechniken für hermetische Gehäuse

Verschlossen werden diese Gehäuse, indem der Deckel mit dem Sockel hermetisch verschweißt oder verlötet wird. Ein Verkleben oder Vergießen der Gehäuse ist nicht möglich, da der dabei verwendete Kunststoff durchlässig für Feuchtigkeit und Gase ist.

Für den Verschluß hermetischer Gehäuse sind eine Reihe von Techniken gebräuchlich, die sich grob in die Bereiche Löten, Widerstandsschweißen und Strahlschweißen unterteilen lassen.

Widerstandsschweißen

Als bedeutendste Vertreter dieser Technik sind das Rollnaht- und das Impulsschweißen zu nen- nen. Beim Impulsschweißen werden Gehäuseboden und Deckel durch zwei passende Elektroden aufeinander gepreßt und durch einen Strompuls auf dem gesamten Umfang verschweißt. Das Rollnahtschweißen unterscheidet sich vom Impulsschweißen nur durch die Form der Schweiß- elektrode, die als Kegel ausgeführtüber den Rand des Gehäuses abrollt. Dieser Prozeß erfordert Materialien mit großem elektrischen Widerstand, so daß Stoffe wie Aluminium und Kupfer nicht verwendet werden können.

Da sich die Fügepartner im Nahtbereichüberlappen müssen, sind nur einfache Nahtgeometrien möglich.

Strahlschweißen

Elektronenstrahl- und insbesondere Laserschweißen stellen Verfahren mit herausragenden Ei- genschaften für den hermetischen Gehäuseverschluß dar. Da sich die Strahlenergie auf einen eng begrenzten Bereich konzentrieren läßt, können sehr schmale Schweißnähte bei minimalem Wärmeeintrag ins Material erzeugt werden. Nachteilig beim Elektronenstrahlschweißen ist, daß dieser Prozeß nur im Vakuum durchgeführt werden kann. Ein Befüllen des Gehäuses mit einem Inertgas ist daher nur nach dem Schweißen und unter Verwendung eines weiteren Verschluß- verfahrens möglich. Hinzu kommt, daß die bei diesem Prozeß entstehende Röntgenstrahlung abgeschirmt werden muß.

Löten

Die Löttechniken für hermetische Gehäuse sind die Kolben-, Rollnaht-, Stempel- und Ofenl ötung. Bei der Kolbenl ötung besteht die Gefahr der Korrosion durch Flußmittelreste. Es sollte daher auf Flußmittel gänzlich verzichtet werden. Dies erfordert jedoch saubere, mit Gold beschichtete Oberflächen der Fügepartner.Große Gehäuse müssen vor dem Löten erhitzt werden,um eine gu- te Benetzung durch das Lot zu erreichen. Bei der Rollnaht- und Stempellötung wird das Lotähn- lich dem Rollnaht- und Impulsschweißen erhitzt. Bei der Ofenl ötung wird das gesamte Gehäuse in einem Ofen erhitzt, um das Lot zu schmelzen. Die thermische Belastung der Schaltung ist dabei jedoch sehr groß.

2.1.4 Prozeßführung beim Gehäuseverschluß

Um zu vermeiden, daß die beim Verschluß an den Gehäusen haftende Feuchtigkeit eingeschlos- sen wird, müssen diese zuvor im Vakuum ausgeheizt werden. Dauer und Temperatur dieses Prozesses bestimmen dabei den minimal erreichbaren Feuchtigkeitsgehalt im Gehäuse (siehe Ta- belle 2.1).

Tabelle 2.1: Restfeuchtigkeit in Abhängigkeit der Auslagerungszeit und Temperatur[15]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach der Trocknung im Vakuum oder in extrem trockener Inertgasatmosphäre dürfen die Gehäuse nicht mehr der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt werden,da dies zur sofortigen Re-Absorption von Feuchtigkeit führen würde. Die beheizbare Vakuumschleuse sollte daher direkt an die Ge- häuseverschlußkammer angeflanscht sein. Die Gehäuse können dann direkt in eine trockene Schutzgasatmosphäre transferiert und dort einzeln verschlossen werden. In der Regel besteht diese Schutzgasatmosphäre aus einem getrockneten Inertgas wie Stickstoff oder Argon. Für eine anschließende massenspektrometrische Dichtigkeitsprüfung kann dem Schutzgas 10% Helium als Tracergas zugesetzt werden.

2.1.5 Prüfung hermetischer Gehäuse

Unabhängig von der verwendeten Verschlußtechnik müssen Gehäuse nach dem Verschluß hin- sichtlich ihrer Durchlässigkeit für Feuchtigkeit und Gase geprüft werden. Während des Einrich- tungsbetriebes sollte zunächst noch jedes Gehäuse getestet werden. In der laufenden Produkti- on erfolgt die Kontrolle dann in der Regel stichprobenartig. Alle im Rahmen dieser Diplomar- beit verschlossenen Gehäuse sollten nach dem MIL-883D Standard qualifiziert werden. In die- sem sind die Testbedingungen und Anforderungen an ein hermetisches Gehäuse festgelegt. Der MIL-883D Standard definiert ein hermetisches Gehäuse anhand einer zulässigen He-Leckrate nach einerüberdruckauslagerung in Helium. Nach der Auslagerung wird die Heliumemmis- sion der Gehäuse im Vakuum massenspektrometrisch bestimmt. Da Gehäuse mit großem Leck dabei praktisch mit evakuiert werden, und somit als dicht erscheinen, muß anschließend ein Groblecktest durchgeführt werden. Die Prüfung hermetischer Gehäuse besteht daher neben ei- ner einfachen Sichtprüfung aus einem Grob- und einem Feinlecktest.

Feinlecktest

Für den Feinlecktest wird das Gehäuse zunächst einer Heliumüberdruckauslagerung ausgesetzt. Die Dauer der Auslagerung und die maximal zulässige He-Leckrate hängt dabei vom Innen- volumen des Gehäuses ab (siehe Tabelle 2.2). Nach der He-Auslagerung wird das Gehäuse in eine Vakuumanlage mit angeschlossenem Massenspektrometer transferiert und die Heliumem- mission gemessen. Die Messung muß innerhalb einer Stunde nach Beendigung der Auslagerung vorgenommen werden.

Tabelle 2.2: Testbedingungen für den Feinlecktest nach MIL-883D

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vor der Messung muß der Meßaufbau anhand eines Diffusions-Standardlecktestes für eine Emp- findlichkeit < 100 10[6]Pacm[3]=s kalibriert werden. Dafür wird die Heliumemission eines Be- hälters (Testleck) mit bekannter Heliumleckrate gemessen. Anhand dieser Messung kann anschließend die Heliumleckrate des Prüfgehäuses berechnet werden. Es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Groblecktest

Für den Groblecktest wird das zu untersuchende Gehäuse zunächst in eine Vakuumkammer eingebracht und dort für die Dauer von 30 Minuten einem Druck von 5 mbar ausgesetzt. An- schließend wird die Kammer mit einer niedrigsiedenden Detektorflüssigkeit (Siedepunkt 50-95

C) gefüllt und der Druck gem. Tabelle 2.3 erhöht. Nach Ablauf der vorgeschriebenen Auslagerungszeit wird das Gehäuse entnommen, getrocknet und in eine hochsiedende Indikatorflüssigkeit (Siedepunkt 140-200 C) gegeben. Grobe Undichtigkeiten des Gehäuses zeigen sich als kontinuierlich aufsteigende Blasen, die von einem Leck in der Naht herrühren.

Tabelle 2.3: Bedingungen des Groblecktestes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.6 Ablaufschema

Zusammenfassend läßt sich folgendes Ablaufschema für den hermetischen Verschluß von Gehäusen in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik angeben:

Um eine eventuelle Verschmutzung des massenspektrometrischen Testaufbaus durch die Detektorflüssigkeit zu vermeiden, erfolgt der Feinlecktest vor dem Groblecktest.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3:Ablaufschema des hermetischen Gehäuseverschluß

2.2 Schweißen mit Lasern

Laser² eignen sich aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften für eine Reihe von Anwendungen in der Materialbearbeitung. Das Laserlicht zeichnet sich gegenüber der Emission anderer Strah- lungsquellen durch eine geringe Divergenz aus. Diese ermöglicht es, den Laserstrahl auf kleinste Strahldurchmesser zu fokussieren, so daß extrem hohe Leistungsdichten auf der Werkstückobe- rfläche erreicht werden. Die vom Material absorbierte Laserenergie wird dabei lokal in Wärme umgesetzt. Damit ist es u.a. möglich, Metalle bis zum Schmelz- oder Verdampfungspunkt zu erhitzen.

Das Schweißen mit dem Laser hat gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren folgende Vor- teile[5]:

- berührungslose Bearbeitung
- hohes Tiefen-/Breitenverhältnis der Schweißnaht
- geringe Wärmeeinbringung und damit kleine Wärmeeinflußzone, d.h. niedrige thermische Belastung und damit geringer Verzug des Bauteils
- qualitativ hochwertige Schweißnähte
- präzise Positionierung, auch an schwer zugänglichen Stellen
- hohe Schweißgeschwindigkeit
- keine Nachbearbeitung

Man unterscheidet beim Laserschweißen zwischen Schmelz-und Tiefschweißen.Beim Tiefschweißen werden die Prozeßparameter so gewählt, daß der Laserstrahl einen Dampfkanal im Material erzeugt. Im weiteren Prozeßverlaufkoppelt das Laserlicht in den Materialdampfein und erzeugt auf diese Weise ein laserinduziertes Plasma. Absorption und Einschweißtiefe erhöhen sich hierdurch beträchtlich. Bei geeigneter Parameterwahl bleibt dieser Dampfkanal auch während einer Vorschubbewegung bestehen, so daß die Schmelze hinter dem Strahl zu einer schmalen Schweißnaht mit homogenem Gefüge erstarrt.Dieser Prozeß erfordert jedoch große Laserleistungen,weshalb hierfürüberwiegend CO2-Laser zum Einsatz kommen.

Beim Schmelzschweißen hingegen wird das Material gerade soweit erhitzt, daß es flüssig wird, d.h. es wird kein oder nur wenig Material verdampft. Da die Laserlichtabsorption hier nur an der Werkstückoberfläche stattfindet, wird die Wärme nur aus der Schmelze in den umgebenden Werkstoff geleitet. Man bezeichnet dieses Verfahren daher auch als Wärmeleitungsschweißen. Die erreichbaren Schweißtiefen liegen hier im Bereich von 1-2 Millimetern. Für die Mikrobear- beitung, zu der auch der Gehäuseverschluß gehört, wirdüberwiegend diese Technik verwendet.

2.2.1 Einflußgrößen

Die Wirkung der Laserstrahlung auf das Material hängt im wesentlichen von den spezifischen Eigenschaften des Laserlichtes, der verwendeten Optik und den thermischen und optischen Eigenschaften des Materials ab. Je nach verwendetem Laser, können einige dieser Faktoren gezielt verändert werden. Da diese Einflußgrößen teilweise voneinander abhängen, müssen sie für die entsprechende Anwendung aufeinander abgestimmt werden. Im Folgenden werden die wichtigsten Einflußgrößen für das Laserschweißen beschrieben.

Pulsdauer, Pulsleistung und Pulsrate

Da das Schweißen von Metallen sehr große Strahlleistungen erfordert, werden Festkörperlaserüberwiegend gepulst betrieben. Hierdurch können trotz geringer mittlerer Laserleistung hohe Pulsleistungen erzielt werden (siehe Abb. 2.4). Nahtschweißungen werden dabei durchüberlappende Punktschweißungen realisiert. In der Regel können PulsleistungPˆ, Pulsdauer τ und Pulsfrequenz r an einem Materialbearbeitungslaser eingestellt werden. Die mittlere Leistung Pav berechnet sich in diesem Fall durch:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Energie Ep eines Laserpulses wird berechnet mit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Da die maximale mittlere Leistung eines Lasers eine gerätespezifische Konstante ist, stellt sie die Begrenzung für Kombinationen von Pulsleistung, Pulsdauer und Pulsrate dar. Bei sehr ho- hen Pulsraten wird der für die mittlere Leistung angegebene Wert jedoch nicht erreicht, da die Zeit bis zum nächsten Puls nicht ausreicht, um erneut eine vollständige Besetzungsinversion des Lasermediums zu erreichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Zusammenhang der Strahlparameter

Die Leistungsabgabe des in dieser Arbeit verwendeten Nd:YAG³ Lasers ist während eines Pulses nahezu konstant, weshalb von Rechteckimpulsen ausgegangen werden kann.

Leistungsdichte und Fokussierung des Laserlichts

Um die für den Schweißprozeß erforderlichen hohen Leistungsdichten (Pulsleitung/Fläche) zu erreichen,wird der Laserstrahlmittels einer Sammellinse aufdie Werkstückoberfläche fokussiert. Der Strahldurchmesser in der Brennebene berechnet sich damit nach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus dieser Beziehung ist ersichtlich, daß sich durch Verwendung einer Linse mit kürzerer Brennweite fObj der Fokusdurchmesser ωf reduzieren läßt. Dies hat jedoch den Nachteil, daß sich dabei auch der Arbeitsabstand verringert, welcher praktisch mit der Objektivbrennweiteübereinstimmt. Aus Gl. 2.4 geht weiter hervor, daß der minimale Fokusdurchmesser bei gegebener Brennweite nur durch die Divergenz θ begrenzt wird. Da das Produkt aus Divergenz und Strahldurchmesser in einer optischen Abbildung konstant ist, läßt sich durch Vergrößerung des Strahldurchmessers eine Reduzierung des Fokusdurchmessers und damit eine höhere Leistungsdichte erreichen. Dafür wird der Laserstrahl mittels einer Linsenanordnung bestehend aus einer Zerstreuungs- und einer Sammellinse zunächst aufgeweitet und dann wieder fokussiert (siehe Abb. 2.5). Der Aufweitungsfaktor der Optik beträgt in diesem Falle:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

fz = Brennweite der Zerstreuungslinse und der Fokusdurchmesser:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird der Laserstrahl durch ein Glasfaserkabel zur Bearbeitungsstelleübertragen, so entfällt die Zerstreuungslinse, weil der Strahl schon mit großer Divergenz aus dem Lichtleiter austritt. Der Aufweitungsfaktor und der Fokusdurchmesser können in diesem Fall wie folgt berechnet wer- den:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine Reduzierung der Divergenz bewirkt jedoch auch eine Verringerung der Schärfentiefe. Die Schärfentiefe sf ist der Bereich, in dem der fokussierte Laserstrahl einen annähernd konstanten Durchmesser aufweist.

Um eine gleichbleibende Schweißnahtgeometrie zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Werkstückoberfläche diesen Bereich während des Schweißvorganges nicht verläßt. Unebene Werkstückoberflächen oder räumliche Nahtverläufe erfordern daher ein Nachführen der Fokusebene. Dies gestaltet sich um so aufwendiger, je kleiner die Schärfentiefe ist. Letztere kann mit Hilfe der Rayleight-Länge zR ausgedrückt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Strahlengang der Laseroptik mitübersicht der wichtigsten Einflußgr ößen

Reflexion und Absorption

Das Absorptionsvermögen von Metallen wird wesentlich durch die Wellenlänge des Laserlichtes und dessen Einfallswinkel bestimmt. Hinzu kommt eine starke Temperaturabhängigkeit, was bedeutet, daß mit zunehmender Materialtemperatur auch der Anteil der absorbierten Laserenergie steigt. Für das Licht eines Nd:YAG-Lasers (λ = 1064nm) liegt der Absorptionsgrad von Metallen in blankem Zustand bei Zimmertemperatur unterhalb von 3%. Im Bereich der Schmelztemperatur des Metalls kann er jedoch auf wesentlich größere Werte ansteigen. Der Absorptionsgrad ist bei senkrechter Inzidenz gegeben durch

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Reale Oberflächen sind in der Regel jedoch nicht poliert, sondern mehr oder weniger rauh und mit Fett- und Oxidschichten belegt. Daher sind die Reflexionsgrade in der Realität meist geringer als die theoretischen. Um das Absorptionsverhalten darüber hinaus zu verbessern werden für bestimmte Anwendungen Absoptionsschichten aufgebracht. Solche Schichten sind z.B.

- Oxide,
- Graphite und
- Phosphate.[2]

Thermisches Materialverhalten

Das thermische Materialverhalten eines Werkstoffs wird primär durch dessen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität bestimmt. Die erforderliche Energie um ein gegebenes Materialvolumen zu schmelzen läßt sich berechnen durch

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusätzlich zu dieser Energie müssen noch die durch Reflexion und Wärmeleitung verursachten Verluste aufgebracht werden. Bei Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit fließt die Wärme schneller in das umgebene Material ab. Aus diesem Grunde muß die Laserenergie hier entsprechend schneller eingebracht werden, was eine höhere Pulsleistung erfordert.

2.2.2 Schweißeignung

Die Metallurgie lasergeschweißter Werkstoffe unterscheidet sich kaum von der herk ömmlicher Schweißverfahren. Daher lassen sich die meisten Materialien, die für herkömmliche Schweißverfahren geeignet sind, auch mit dem Laser schweißen[5]. Es existieren jedoch zwei Besonderheiten, die hierbei berücksichtigt werden müssen.

1. In der Regel erfolgt das Laserschweißen ohne Zugabe von Metall, was die Schweißnahtto- leranzen herabsetzt, da größere Fügespalten kaum gefüllt werden können.
2. Die Abkühlgeschwindigkeit durch Wärmeableitung ist sehr groß, so daß es bei einigen Metallen zu Rissbildungen in der Schweißnaht kommen kann.

In der Praxis läßt sich durch Schweißversuche ermitteln, ob Werkstoffe oder Werkstoffkombinationen geeignet sind, um mit dem Laser geschweißt zu werden. Die Schweißnaht eines geeigneten Werkstoffs sollte frei von Rissen, Poren, Bindefehlern und anderen inneren Unregelmäßigkeiten sein[1]. Für den Gehäuseverschluß sind vor allem Risse zu vermeiden, da diese potentielle Eintrittspforten für Feuchtigkeit und Gase sind. In TabelleB.1 sind die Schweißeignungen einiger für den Gehäuseverschluß relevanter Metalle aufgeführt.

Kapitel 3 Aufgabenstellung

Das Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie beabsichtigt den Aufbau einer Laserschweißanlage für den hermetischen Gehäuseverschluß als letzte Station in der Prozeßabfolge der elektronischen Aufbau- und Verbindungstechnik. Primär sollen damit hybrid integrierte Schaltungen, Multi-Chip Module und Mikrosensoren wie auch Hochleistungsdioden, Oszillatoren und digitale Spiegel- Elemente (DMD) mit definierten Atmosphären in anwendungsspezifischen oder Standard-Metallgehäusen verkapselt werden.

Im Zuge dieser Diplomarbeit soll eine Laserschweißanlage für o.g. Aufgaben aus vorgegebenen Einzelkomponenten aufgebaut und in Betrieb genommen werden.

Darüber hinaus soll eine Software (CNC-Steuerung¹ ) entwickelt werden, die die direkte Umsetzung von CAD-Zeichnungen² (DXF oder HPGL) in Bewegungen der 3-Achsen-Verfahreinheit ermöglicht. Die in der CAD-Zeichnung prinzipiell fehlenden Daten, wie Verfahrgeschwindigkeit, Fokusdurchmesser, Strahlenergie und Pulsfrequenz, müssen der Maschinensteuerung nach Umwandlung der Geometriedaten hinzugefügt werden.

Nach Inbetriebnahme der Anlage soll der Prozeß des hermetischen Gehäuseverschlusses und der Gehäusebeschriftung für verschiedene Gehäusetypen, Legierungen und Beschichtungen erarbeitet und optimiert werden. Die Qualifizierung der Gehäuse erfolgt durch Hermetizitätsprüfung nach MIL 883D und im metallografischen Querschliff.

3.1 Anforderungen an die Laserschweißanlage

An eine Laserschweißanlage für oben beschriebene Aufgaben stellen sich eine Reihe von Anfor- derungen.

Da die Bearbeitungsvolumina beim hermetischen Gehäuseverschluß klein sind, sollte der ver- wendete Materialbearbeitungslaser, insbesondere im unteren Leistungsbereich, fein regulierbar sein. Damit läßt sich eine optimale Abstimmung der Strahlleistung auf die entsprechende Bearbeitungsaufgabe erreichen. Des weiteren muß das Strahlführungssystem des Lasers eine hermetische Durchführung in einen gekapselten Arbeitsbereich (Handschuhbox) zulassen.

Die Handschuhbox muß mit einem aktiven Gasreinigungssystem ausgestattet sein, um den erforderlich geringen H2O - und O2 -Gehalt in der Atmosphäre zu erreichen. Darüber hinaus muß an die Gehäuseverschlußkammer eine ausheizbare Vakuumkammer angeflanscht sein, um die Materialien vor dem Verschluß im Vakuum zu trockenen.

Das zur Erreichung der erforderlichen Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück verwendete Bewegungssystem sollte aufgrund der kleinen Bearbeitungsdimensionenüber einen besonders ruhigen Lauf und eine große Positioniergenauigkeit verfügen.

Für medizinische Dauerimplantate werden aus Kostengründen häufig Titangehäuse verwendet. Diese dürfen nur in einer Argon-Atmosphäre geschweißt werden, da deren Verschluß in Stick- stoffzur Bildung von Titannitriden in der Schmelze und somit zur Versprödung der Schweißnaht führen würde.

Herkömmliche Elektromotoren sind für den Betrieb in einer Argon-Atmosphäre ungeeignet, da es infolge der geringen Ionisierungsenergie des Argons zu Plasmazündungen an den Kollektorbürsten und somit zur Zerstörung des Motors kommen kann. Daher bedarf es bürstenloser Antriebsmotoren des Bewegungssystems.

Auf der Grundlage dieses Anforderungsprofils erfolgte die Auswahl der in Kapitel3.2 beschrie- benen Systemkomponenten durch den verantwortlichen Wissenschaftler des Fraunhofer Insti- tuts.

3.2 Aufbau der geplanten Laserschweißanlage

Die Anlage wird aus einem gepulsten Festk örperlaser, einer Handschuhbox mit integrierter 5- Achsen-Bewegungseinrichtung und einem externen Handarbeitsplatz mit 3-Achsen-Bewegungs- einrichtung bestehen (siehe Abb.3.1).

Im Folgenden werden die verwendeten Baugruppen näher beschrieben:

3.2.1 DerLaser

Als Strahlquelle steht ein 40 W Nd:YAG Laser der Firma H AAS zur Verfügung. Dieses Gerät ist mit zwei fasergeführten Strahlausgängen ausgestattet, so daß zwei Arbeitsstationen damit betrieben werden können. Die Energieaufteilung zwischen den Stationen erfolgt dabei nach dem ”time-sharing“Prinzip,d.h.derLaserstrahlwirddurchinterneStrahlweichenjeweilseinerder Stationen für die Dauer der Bearbeitung vollständig zur Verfügung gestellt.

Mit Hilfe zweier Handbedienelemente k önnen die Bearbeitungsparameter des Lasers manuell an jedem Arbeitsplatz eingestellt werden. Für eine Wiederverwendung der Parameter besteht die

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Aufbau der geplanten Laseranlage

Möglichkeit bis zu 25 Parametersätze zu speichern. Durch Auswahl der entsprechenden Satznummer können diese später wieder abgerufen werden.

Innerhalb eines CNC-Systems kann die Steuerung des Lasers auch von einem externen Prozeß- rechnerübernommen werden.Dafür ist der Laser mit entsprechenden Schnittstellen ausgestattet.

Abhängig vom Arbeitsplatz können folgende Einstellungen vorgenommen werden:

Tabelle 3.1: Parameter des Bearbeitungslasers³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Obwohl der Laser zur Abfuhr der entstehenden Prozeßwärmeüber eine eigene Kühleinrichtung verfügt,benötigt er bei Dauereinsatz zusätzlich eine externe Wasserkühlung. Diese Aufgabeübernimmt ein LAUDA Kühlgerät.

3.2.2 Die Handschuhbox

Als gekapselter Arbeitsplatz kommt eine Handschuhbox der Firma MBRAUN zum Einsatz. Dieses Gerät ist mit folgenden Funktionsgruppen ausgestattet:

Gasreinigung

Das Gasreinigungssystem, bestehend aus Molsieb und Kupferkatalysator, hat die Aufgabe den H2O und den O2 Gehalt in der Inertgasatmosphäre zu reduzieren. Die erreichbaren Reinheitsgrade dieses Systems liegen im Bereich < 1ppm H2O/O2.Da die Wirksamkeit des Katalysators kontinuierlich abnimmt, muß dieser in festen Intervallen regeneriert werden. Dafür wird der Katalysator für die Dauer von 16 Stunden mit einem Regenerationsgas (Stickstoff / Wasserstoff Gemisch) gespült.

Partikelabscheider

Beim Schweißen entstehende Stäube und Dämpfe werdenüber ein Saugrohr in der Bearbeitungszone abgesaugt und durch einen Partikelabscheider vom Inertgas getrennt, das in die Kammer zurückgeleitet wird.

Gasmischer

In Inertgassystemen kommen neben Reingasen häufig auch Gasgemische zum Einsatz. So wird z. B. für den hermetischen Gehäuseverschluß häufig ein Helium/Stickstoff Gemisch verwendet (siehe Kap.2.1.4). Das anwendungsspezifische Mischungsverhältnis der verwendeten Gase kann am Gasmischer eingestellt werden.

Schleusen

Die Schleusen dienen der Einbringung und Entfernung von Werkzeug und ben ötigten Ma- terialien in und aus der Box, ohne Beeinflussung der boxinternen Atmosphäre. Die Hand- schuhbox ist mit dreiSchleusen ausgestattet,von denen zwei elektronisch und eine manuell gesteuert werden. Zudem kann die Einbringschleuse, zum Trocknen der Gehäuse, ausgeheizt werden (siehe Kap. 2.1.4).

Kühlung

Die bei der Kompression des Arbeitsgases entstehende Wärme wird durch ein LAUDA Kühlaggregat abgeführt. Ursache für die Kompression des Gases sind in erster Linie die Pumpen in der Absaugung und im Gasreinigungssystem.

Steuerung

Die Steuerung der Handschuhbox kann weitgehend am Operationspannel einer SPS-Steuerung vorgenommen werden. Das Pannel dient dabei zugleich als Bedien-, Kontroll- und Anzeigeeinheit. Folgende Einstellungen und Prozesse können mit Hilfe der SPS-Steuerung vorgenommen undüberwacht werden.

- Atmosphärendruck einstellen undüberwachen Beim Schleusen auftretende Gasverluste und damit verbundene Druckabfälle werden von der SPS erfaßt und bei Unterschreitung der festgelegten Grenzen ausgeglichen. Zusätzlich kann der Drucküber einen Fußschalter in vorgegebenen Grenzen variiert werden.
- Gasumwälzung ein- und ausschalten
Im Umwälzbetrieb wird das Arbeitsgas durch das Gasreinigungssystem gepumpt.
- H2O und O2 Grenzen einstellen undüberwachen
Beiüberschreitung der festgelegten Grenzen wird von der SPS ein Alarm ausgel öst.
- Evakuieren und Fluten der Schleusen
Mit Ausnahme der Handschleuse k önnen die Schleusen durch den entsprechenden Funktionsaufruf an der SPSevakuiert bzw. geflutet werden.
- Beleuchtung ein- und ausschalten
- Absaugung/Partikelabscheider ein- und ausschalten
- Regenerationsprozeß des Katalysators starten undüberwachen

Bewegungssystem

Die Achsen des Bewegungssystems sind in der Weise angeordnet, daß die Bearbeitungsoptik des Lasers in der xz-Ebene und die Werkstückaufnahme in y-Richtung verfahren werden kann. Darüber hinaus verfügt die Werkstückaufnahmeüber eine Dreh- und eine manuell einzustellende Kippachse.

Als Antrieb kommen bürstenlose Servomotoren zum Einsatz (siehe Kap. 3.1).

Die Steuerung des Bewegungssystems besteht aus einer MITSUBISHI CNC-Steuerung in Verbindung mit einem 486’er - Prozeßrechner.

Bearbeitungsoptik

Zur Fokussierung des Laserstrahls kommt eine 100mm Bearbeitungsoptik mit manueller Strahldefokussierung zum Einsatz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Anordnung der Achsen in der Handschuhbox

In den Strahlengang der Bearbeitungsoptik ist eine CCD-Kamera integriert, so daß der Schweißvorgang auf einem außerhalb der Box befindlichen Monitorüberwacht werden kann. Mittelfristig ist noch ein Fadenkreuzgenerator vorgesehen, der eine präzise Positionierung des Laserstrahls vereinfachen wird.

3.2.3 DerHandarbeitsplatz

Da die Verwendung der Handschuhbox, hinsichtlich der Reinerhaltung der Inertgasatmosphäre, mit relativ großem Aufwand verbunden ist, wurde noch ein zweiter Arbeitsplatz aufgebaut. An diesem Arbeitsplatz können Schweißversuche und emissionsreiche Bearbeitungsvorgänge wie z.B. Schneidanwendungen durchgeführt werden.

Bewegungssystem

Die erforderliche Positionierung des Werkstücks erfolgt durch ein 3-Achsen-Bewegungs- system mit kartesischer Anordnung der Achsen.Das Werkstück kann dabeiin der xy-Ebene und die Bearbeitungoptik in z-Richtung verfahren werden.

Die Steuerung des Bewegungssystems besteht aus einer ISEL CNC-Steuerung in Verbindung mit einem 486’er - Prozeßrechner.

Bearbeitungsoptik

Zur Fokussierung des Laserstrahls wird eine 100mm Optik mit elektronischer Defokussierung und Binokular verwendet.

Absaugung

Beim Bearbeitungsprozeß entstehende Stäube und Dämpfe werden durch ein FUCHS Filtergerät in der Bearbeitungszone abgesaugt.

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¹ parts per million

² Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

³ Lasermedium: Neodymium dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall

¹ CNC Computerized Numerical Control (computergestützte Fertigung)

² CAD computer-aided design (computergestütztes Entwurfszeichnen)

³ Bei der Handschuhbox wird diese Einstellung manuell an der Optik vorgenommen