DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA
TP A04

Laserbasierte elektrisch-mechanische Kontaktierung für Verbundkomponenten mit integrierten aktiven Elementen

S. Roth, M. Schmidt
  1. Ziele
  2. Ergebnisse
  3. Methoden
  4. Publikationen
  5. Kontakt

Ziele

Ziel des Teilprojektes A04 ist die Entwicklung einer großserienfähigen elektrisch-mechanischen Kontaktierungsmethode piezokeramischer Module mit Ag-Elektrodenstrukturen weniger µm Stärke, sowie die Realisierung einer lokalen elektrischen Isolierung.

Diskrete Prozessphasen des laserstrahlunterstützten Kontaktierungsverfahrens sowie Aufsicht erzeugter Bondverbindungen [1],[2]

Wesentliche Arbeitspunkte:

  • Erhöhung der Robustheit des Kontaktierungsverfahrens durch eine echtzeitfähige Prozesssteuerung
  • Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases durch Variation der Kapillargeometrie
  • Steigerung der Düsenstandzeit mittels angepasstem Werkstoffeinsatz und optimierter Kapillargeometrie (siehe [3])
  • Vermeidung großflächiger Isolationsschichten durch lokalen Isolationsprozess

 

FVM-Simulation der Prozessgasgeschwindigkeitsfelder für verschiedene Kapillargeometrien

Topografie einer strömungsdynamisch modifizierten Kapillare  hergestellt durch Abtrag mittels ultrakurzer Laserpulse (Methode nach [4]) aufgenommen mittels  Laser-Scanning-Mikroskop

 

 

 

 

Überwachung der Kapillare mittels bildverarbeitender Algorithmen durch Binarisierung und Vergleich mit einem Referenzbild [5]

Ergebnisse

Aufbau eines Versuchsstandes zur Erforschung der Prozesstechnik

  • Modulation der Pulsdauer in Abhängigkeit des Volumens/Oxidationsgrades des Lotformteils [6]
  • Detektion des Lotaustrittszeitpunktes durch integrierter Sensorik
  • Erarbeitung von Grundlagen zur Gestaltung angepasster keramischer Düsen zur Steigerung der Düsenstandzeit

Schema des Versuchsstandes zum Laserstrahlkontaktieren

  • eine Integration von lTCC-Piezomodulen im Al-Druckgussprozess wurde erfolgreich durchgeführt [7]    

Signalverlauf des Lötprozesses mit echtzeitfähiger Prozesssteuerung [5]

Prozess- und systemtechnische Simulation

  • Thermische und fluiddynamische FVM-Simulation des Schmelz- und Ablösevorgangs mit temperaturabhängigen Materialkennwerten
  • Simulation deutet auf hohen thermischen Schock während der Kontaktierung hin (ΔT > 650 K/ 60 ms) [8]
  • Viskosität beeinflusst maßgeblich die Tropfendynamik und bestimmt damit die Tropfenablösung [9]

FVM-Simulation des Temperaturverlaufs in Lotformteil und Kapillare während des Kontaktierungsprozesses

Dreidimensionale Erfassung der Tropfenflugbahn durch stereoskopische Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Quantifizierung der Positionsabweichung der Lötstellen in Abhängigkeit von Kapillargeometrie, Arbeitsabstand und Inertgasüberdruck

Experimentelle Untersuchungen zum Kontaktieren der piezokeramischen Module

Erarbeitung eines Prozessfensters zur Sicherstellung von:
  • geringem Kontaktierungsdurchmesser (dKontakt < 1 mm)
  • hoher Reproduzierbarkeit der Kontaktierungsposition

Charakterisierung der Kontaktierungen

  • Die durchschnittliche Versagenskraft der Kontaktierungen während des Schertests betrug 41,5 N. Ein Versagen trat im Wesentlichen im Keramiksubstrat auf, die mechanische Festigkeit der Lötverbindung übersteigt die Festigkeit der LTCC Keramik [8]
  • Vibrationstests und Klimawechseltests zeigen bisher hohe Beständigkeit der Kontaktierungen gegen Vibrationen, Temperaturwechsel und Feuchtigkeitseinflüsse.
  • Eine Quantifizierung der Diffusionszonen zwischen Lot und Elektrodenstruktur von LTCC Piezomodulen zeigt eine stoffschlüssige Verbindung

Diffusionszone am Übergang von Lot zu Ag-Elektrodenstruktur eines LTCC-Piezomoduls (LPMs)

Methoden

Anpassung der Systemtechnik:
  • Bildverarbeitung zur Überwachung des Düsenzustandes
  • Simulationen zur Geometrie- und Temperaturoptimierung der Kapillare
  • Kapillarmaterialwahl anhand der Benetzungseigenschaften von CuSn Hartlot
  • Realisierung neuartiger Kapillaren mittels UKP-Lasermaterialabtrag

Versagensmechanismus beim Schertest. Es kommt zu einem Versagen der LTCC Keramik, die Bondverbindung bleibt intakt.

Quantifizierung der Diffusionszone zwischen Lot und Elektrodenstruktur [10]

  
Charakterisierung der Kontaktierungen
  • Scherfestigkeit
  • Risse und Delamination mittels Schliffbilder, REM, EDX
  • Dynamische Schwingbelastung
  • Klimawechseltests
  
Lokale elektrische Isolierung
  • Laserstrahlschmelzen eines Polymerpulvers zur Umhüllung der Kontaktstelle
  • Anpassung der Werkstoffeigenschaften für haftfeste, isolierende Schichten
  • High-Speed-Aufnahmen der Pulverströmung
  
 
Pulver- und Schicht-charakterisierung
  • Bestimmung der Pulvereigenschaften: Optisch: Spektrometer, Ulbricht-Kugel; Thermisch: DSC
  • Festigkeit der lokalen Isolationsschicht: Stirnabzugstest
  • Elektrisch: Detektion von Leckströmen
  

Publikationen

Arbeiten mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung

 
[Alb11a] Albert F, Schmidt M, Geiger M, Flössel M, Michaelis A (2011)
Laser soldering and laser droplet joining for mechanical and electrical contacting of LTCC/PZT laminates. J Laser Micro/Nanoeng 6:75-80
[Hel12] Held C, Quentin U, Heberle J, Gürtler F-J, Weigl M, Schmidt M (2012)
Laser Droplet Brazing for the Electrical Contacting of Composite Materials with Integrated Active Elements. Phys Proc 39:585-593
[Que13] Quentin U, Heberle J, Held J, Schmidt M (2013)
Laser Droplet Brazing for Electrical Contacting of Composite Materials with Integrated Active Elements. Proc Mater Sci 2:181-188
[Jer13] Jeromen A, Held C, Govekar E, Roth S, Schmidt M (2013)
Modeling of detachment in the Laser Droplet Brazing method for contacting thinly metallized substrates. J Mater Process Technol 214(4):737-749
[Ame13] Amend P, Hentschel O, Scheitler C, Baum M, Heberle J, Roth S, Schmidt M (2013)
Fast and flexible generation of conductive circuits. J Laser Micro/Nanoeng 8:276-286
[Ste14] Stein S, Heberle J, Gürtler F J, Cvecek K, Roth S, Schmidt M:
Influences of Nozzle Material on Laser Droplet Brazing Joints with Cu89Sn11 Preforms. 8th International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering LANE 2014. In: Physics Procedia (2014) 56, S. 709–19
[Ste15] Stein S, Roth S, Modler N, Gude M, Weber T, Winkler A
Investigations on laser based joining of novel thermo-plastic compatible piezoceramic modules. In: Proceedings of 5th Scientific Symposium "Lightweight Design by Integrating Functions" September 14-16, 2015, Dresden, Germany; proceedings (2015)
[Ste15] Stein S, Schmidt M, Wedler J, Körner C, Rhein S, Gebhardt S, Michaelis A
Investigations on the process chain for the integration of piezoelectric ceramics into die casted aluminum structures. In: Proceedings of 5th Scientific Symposium "Lightweight Design by Integrating Functions" September 14-16, 2015, Dresden, Germany; (2015)
[Ste16] Stein S, Heberle J, Suchy M, Tenner F, Hugger F, Roth S, Schmidt M:
High Temperature Laser Based Drop on Demand Micro Joining of Thin Metallic Layers or Foils using Bronze Braze Preforms. LAMP 2016. In: JLMN Journal of Laser Micro/Nanoengineering 11 (2016) 1, S. 111–16
[Ste17] Stein S, Wedler J, Rhein S, Schmidt M, Körner C, Michaelis A, Gebhardt S:
A process chain for integrating piezoelectric transducers into aluminum die castings to generate smart lightweight structures. In: Results in Physics 7C (2017) pp. 2534-2539. In: Results in Physics (2017) 7C
[Ste17] Stein S, Dippert J, Roth S, Schmidt M:
Laser Drop on Demand Micro Joining for High Temperature Wire Bonding Applications - System Technology And Mechanical Joint Performance. In: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 12 (2017)3, S. 239-47
[Ste17] Stein S, Dobler M, Radel T, Strauß M, Breitschwerdt H, Hugger F, Roth S, Schmidt M:
Experimental and numerical investigations regarding laser drop on demand jetting of Cu alloys. In: WGP-Journal Production Engineering 26 (2017) 12, S 1455.
[Ste18] Stein S, Zhao W, Hentschel O, Bickmann C, Roth S, Frick T, Schmidt M:
Flight trajectory analysis of CuSn-droplets generated by laser drop on demand jetting, using stereoscopic hight-speed imaging. Submitted in Optics Express ISSN: 1094-4087
[Ste18] Submitted Stein S, Mann V, Roth S, Schmidt M:
Laser drop on demand micro joining for high temperature wire bonding applications - analytic process model to quantify braze absorptance and cumulative energy balance. Submitted in Advanced Engineering Materials ISSN: 1527-2648

Andere Veröffentlichungen

 
[Alb09] Albert F, Schmidt M (2009)
Laser Droplet Joining - Systems, Process and Applications. In: Proc 5th Int WLT-Conference on Lasers in Manufacturing. AT-Fachverlag, Stuttgart
[Gud11] Gude M, Hufenbach W, Modler N, Geiger M, Heber T, Winkler A, Pfeiffer C, Albert F, Roth S (2011)
Process development for high volume manufacture of thermoplastic composites with integrated piezoceramic modules. In: Proc CRC/Transregio 39. Nuremberg, Germany, pp 59-64
[Alb11b] Albert F, Pfeiffer C, Weigl M, Roth S (2011)
Laserstrahlfügen in der Elektronikproduktion - aktuelle Entwicklungen. In: 14. Erlanger Seminar LEF. Meisenbach Verlag, Bamberg, S 25-42
[Heb13] Heberle J, Stein S, Cvecek K, Roth S, Schmidt M (2013)
Tropfenhartlöten - Optimale Fügetechnik für empfindliche Substrate. In: LASER 2013(4)
[Mue13] Müller M, Peter S, Berg S, Heinrich M, Walther M, Hohlfeld K, Heberle J, Quentin U, Koriath H-J, Gebhardt S, Schmidt M, Michaelis A, Kroll L, Richter F, Neugebauer R (2013)
Microstructured Piezoceramic and Fibre Composite Transducers for Active Semi-Finished Products. In: Proc CRC/Transregio 39. Nuremberg, Germany, pp 25-31
[Huf13] Hufenbach W, Gude M, Heber T, Weber T, Schmidt M, Held C (2013)
Process development for high volume manufacture of novel thermoplastic-compatible piezoceramic modules. In: Proc CRC/Transregio 39. Nuremberg, Germany, pp 69-72
[Ste14] Stein S, Heberle J, Hugger F, Roth S, Schmidt M
Düsenbasiertes Laserstrahlhartlöten mit Formteilen zur hochtemperaturfesten Kontaktierung piezokeramischer Substrate. In: Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik Tagungsband (2014).
[Ste14] Stein S (2014)
Laserstrahlhartlöten mittels Formteil zur Kontaktierung von Piezokeramiken. In: Laser-Magazin

Kontakte

Leiter:

Dr.-Ing. Stephan Roth
Bayerisches Laserzentrum GmbH
Konrad-Zuse-Straße 2-6
91052 Erlangen

Telefon: +49 9131 97790-13

E-Mail:

Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt
Lehrstuhl für Photonische Technologien
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Konrad-Zuse-Straße 3-5
91052 Erlangen

Telefon: +49 9131 85-23456

E-Mail:

TUCaktuell

Soziale Medien

Verbinde dich mit uns: