Punktgenaue und dichte Verbindung durch Laserstrahl

Damit Mikrosysteme sicher und fehlerfrei in ihrer Umgebung arbeiten, spielt die Verbindung von Gehäusen, Elektronik, Sensorik und Bauelementen eine Schlüsselrolle. Wo klassische Verbindungstechniken wie Kleben oder anodisches Bonden an ihre Grenzen stoßen, bietet die Lasertechnik neue Möglichkeiten zur Mikrobearbeitung.

Lokal begrenzt lässt sich Verbindungsenergie durch Laserstrahllöten von Gläsern bzw. Glas-/Siliziumkomponenten mit Glaslot in die Fügezone einbringen. Dies ermöglicht einerseits das hermetische Verschließen der Zwischenräume, andererseits lässt sich die Übertragungsenergie in Wärmeenergie umsetzen, wodurch das Glaslot schmilzt. Der Kontakt von Lot und Fügematerial, der mit geringem Druck erzeugt wird, führt zur Benetzung des lotfreien Fügeteils.

Auf diese Weise lässt sich das untere Bauteil mit dem mit Lot vorverglasten Deckglas verbinden. Die hohe Scan-Geschwindigkeit des Laserstrahls von mehr als 800 mm/s und ein vielfaches Überfahren der Lötnahtgeometrie steuern den Fügeprozess quasi simultan. In der Fügezone erreicht man damit gleichmäßige Erwärmung, Aufschmelzung und Verbindungsbildung des Glaslots.

Das wiederum führt zu einem gleichmäßigen Einsinken des Deckglases. Bei einer Lothöhe von 75 μm beträgt die Absenkung etwa 30 bis 50 μm. Die quasi simultane Erwärmung und das Einsinken der gesamten Kontur minimieren die Entstehung thermischer Spannungen. Die entstandenen Lötnähte zeichnen sich durch eine gute Formschlüssigkeit und eine blasen- und rissfreie Verbindung aus.

Mögliche Anwendungen dieses Verfahrens sind der Verschluss von Mirkosensoren bzw. Mikroaktoren, die Verkapselung organischer Leuchtmittel oder die Fertigung von Flüssigkristalldisplays.

Kurze Taktzeiten durch Laserstrahlmikroschweißen 

Stellen Bauelemente besondere thermische Anforderungen, empfiehlt sich das Laserstrahlmikroschweißen. Gerade bei feinmechanischen Bauteilen der Sensorik und Optoelektronik ist die thermische Belastung des Bauteils besonders niedrig zu halten. In vielen Fällen kommt die kurze Fügezeit von wenigen Mikrosekunden als Argument und Auswahlkriterium für das Laserfügen zum Tragen.

Durch das berührungsfreie Verfahren ergibt sich, abgesehen von der in einigen Fällen notwendigen Spanntechnik, eine hohe Qualität der Fügeverbindung - vor allem deshalb, weil bei klassischen Mikrowiderstands-Schweißverfahren auftretende Verschmutzungen nicht auf das Bauteil übertragen werden. Darüber hinaus unterliegt das Werkzeug Laser keiner Abnutzung, so dass auch bei hohen Taktraten mit gleichbleibender Fügequalität zu rechnen ist.

Laserstrahlschweißen mit Faserlasern empfiehlt sich für die Anwendung in der Industrie. Es ermöglicht hohe Schweißgeschwindigkeiten mit minimalen Schweißnahtbreiten. Dabei bewegt sich der Laserstrahl für die punktförmige Verbindung auf einer Kreisbahn, deren Radius den Schweißpunktdurchmesser bestimmt. So lassen sich individuell Größe des Schweißpunkts und Einschweißtiefe fixieren.

Das Verfahren erlaubt Werkstückdicken zwischen 200 und 500 μm. Über die Leistung und die Anzahl der Umläufe bei mehrfacher Bestrahlung auf einer Kreisbahn kann man Tiefe und Schmelzzone zuverlässig einstellen. Eine Beschädigung der Funktionsschichten auf der Rückseite des Kontaktes ist ausgeschlossen. Im Gegensatz dazu führen herkömmliche Verfahren wie Punkt- und Linienschweißen oft zur Beschädigung der rückseitigen Funktionsschicht.