Mikrofügen mit Laserstrahlung

Themenbroschüre Mikrofügen mit Laserstrahlung

Themenbroschüre Mikrofügen mit Laserstrahlung

Die Einsatzbereiche des Mikrofügens mit Laserstrahlung sind vielfältig und finden sich in Elektronik, Medizintechnik, Mikrooptik, Feinwerktechnik und Mikrosystemtechnik. Das Fraunhofer ILT entwickelt hierfür sowohl Fertigungsverfahren als auch die entsprechenden Fertigungsysteme. Hohe Ortsauflösung durch Fokussierbarkeit auf wenige Mikrometer, geringe Wärmeeinbringung und hohe Flexibilität zeichnen den Laserstrahl als Werkzeug in der Mikrofügetechnik aus. Sowohl Metalle und Kunststoffe als auch Werkstoffkombinationen wie Silizium und Glas können mit Laserstrahlung gefügt werden.

Bonden

Das Laserstrahlbonden von Silizium und Glas ist ein schmelzefreies Festkörperfügeverfahren und basiert auf der Bildung von Sauerstoffbrücken analog dem konventionellen anodischen Bonden. Durch eine selektive Laserbestrahlung des Fügebereichs können bei geringster Temperaturbelastung des Gesamtbauteils Fügezonen mit Bondnahtbreiten < 200 µm erreicht werden. Daher eignet sich das Verfahren besonders für das Bonden und Verkapseln von Mikrosystemen mit beweglichen Strukturen und thermisch empfindlichen Komponenten. Durch den Einsatz von absorbierenden Zwischenschichten und Laserstrahlquellen mit einer Wellenlänge im Bereich 1500 - 1900 nm können auch andere Werkstoffverbünde wie z. B. Silizium/Silizium gefügt werden.

Löten

Beim Weich- und Hartlöten mittels Laserstrahlung können für die Elektronik-, Photovoltaik- und Medizintechnik berührungs- und temperatursensitive Bauteile mit einem geringen Energieaufwand innerhalb einiger hundert Millisekunden gefügt werden. Eine herausragende Eigenschaft des Laserstrahllötens besteht in der Bearbeitung von Pitchgrößen zwischen 100 und 2000 µm durch eine geeignete Wahl der Fokussierung und der Bestrahlungsstrategie. Die Schmelztemperatur kann durch Verwendung von Niedertemperaturloten unter 150 °C reduziert werden, für Hochtemperaturanwendungen sind auch Hartlote mit Schmelztemperaturen > 1000 °C anwendbar. Durch eine Online-Detektion der Wärmestrahlung mittels pyrometrischer Sensoren koaxial zur Laserstrahlung und einer darauf basierenden Laserleistungsregelung lässt sich die Temperatur des Fügeprozesses auch bei wechselnden Prozessbedingungen konstant halten. Ebenso ist eine Positionskontrolle über integrierte, miniaturisierte CCD-Kameras möglich.

Glaslöten

Für das hermetisch dichte Packaging elektronischer Bauteile und mikrosystemtechnischer Komponenten aus Glas, Silizium und Keramik steht mit dem Laserstrahlglaslöten ein Verfahren zur Verfügung, bei dem die zum Verbinden notwendige Energie konzentriert und räumlich begrenzt in die Fügezone eingebracht wird. Dadurch kann für thermisch empfindliche Bauteile, wie beispielsweise OLEDs und organische Elektronik die Temperaturbelastung des Gesamtbauteils unter 100 °C gehalten werden. Die zum Aufschmelzen, Benetzen und Verbinden der Fügeteile notwendige Energie wird dabei direkt in den Verbindungsbereich der beiden Glassubstrate eingebracht.

Schweißen

Das Laserstrahlschweißen in der Mikrotechnik zeichnet sich durch die geringe Nahtbreite und den geringen Wärmeeintrag in das Bauteil aus. Mit Faserlasern und Nd:YAG-Lasern mit hoher Strahlqualität sowie neuen Verfahrenstechniken lassen sich Metalle mit hoher Prozesssicherheit bei Nahtbreiten < 200 µm fügen. Vorschubgeschwindigkeiten bis zu 1 m/s und hohe Schweißnahtqualitäten werden mit innovativen Bestrahlungsstrategien bei zeitlicher und örtlicher Modulation der Laserstrahlung erreicht. Mit einem darauf basierenden thermischen Management des Schweißprozesses kann die thermische Belastung der Bauteile minimiert und die Dynamik der gemeinsamen Schmelze kontrolliert werden. Damit lassen sich auch Werkstoffkombinationen wie Stahl/Kupfer, Stahl/Messing oder Stahl/Aluminium fügen.

Kunststoffschweißen

Das Laserstrahlschweißen von thermoplastischen Kunststoffen liefert optisch und qualitativ hochwertige Nähte und birgt zahlreiche verfahrensspezifische Vorteile wie z. B. das berührungslose Einbringen der Fügeenergie ohne thermische Belastung der Fügeumgebung und Partikelfreisetzung. Innovative Verfahrenstechniken auf der Basis schnell modulierter Faserlaser erlauben Nahtbreiten < 150 µm bei Schweißgeschwindigkeiten bis 1 m/s. Durch die Anpassung der Laserwellenlänge an das Absorptionsverhalten der Kunststoffe können auch transparente Kunststoffe ohne Verwendungen von Absorbern geschweißt werden.

Ausstattung

  • Scheibenlaser, λ = 1030 nm, 1 kW, 50/200 µm Faser
  • Nd:YAG-Laser, λ = 1064 nm, 60 - 400 W gepulst, 0,1 - 50 ms
  • Diodenlaser, λ = 808/940 nm, bis 500 W, 600 µm Faser
  • Diodenlaser, λ = 980 nm, 100 W, 200 µm Faser
  • Diodenlaser, λ = 1,5 µm, 600 µm Faser
  • Diodenlaser, λ = 800 nm, 4 x 300 W, simultan ansteuerbar
  • Faserlaser, λ = 1075 nm, 20 - 400 W, TEM00
  • Faserlaser, λ = 1,5 µm und λ = 1,9 µm 100 W, TEM00
  • Laserlötkopf mit integrierter Lotdrahtzufuhr
  • Galvanometerscanner mit Brennweiten von 50 - 566 mm
  • 5-Achs-Bearbeitungssystem mit Genauigkeit bis 1 µm
  • 3-Achssystem mit kraftgeregelter Z-Achse, Genauigkeit 1 µm
  • Scara-Roboter und Knickarmroboter
  • Automatisierte Montagezelle Teamtechnik teamos
  • Prozessüberwachungssystem Precitec LaserWeldingMonitor
  • Hochgeschwindigkeitskamera mit 10 kHz Bildrate
  • Universal-Zugprüfmaschine
  • Klimaprüfkammer -70 °C bis +180 °C
  • Kammerofen zum staubfreien Verglasen, max. 650 °C