Aufbau einer rechnergesteuerten Laserschweißanlage und deren Qualifizierung für den hermetischen Gehäuseverschluß

Thema:

AufbaueinerrechnergesteuertenLaserschweißanlageundderenQualifizierungf¨urdenhermetischenGeh¨ auseverschluß

Zusammenfassung:

IndervorliegendenArbeitwurdeeineLaserschweißanlageaufgebautundinBetriebgenommen, mitderenHilfeMetallgeh¨ ausemikroelektronischerSchaltungenindefiniertenAtmosph¨ arenhermetischverschlossenwerdenk¨onnen.

DieAnlagebestehtauseinemgepulsten40WNd:YAGFestk¨orperlaser,einerHandschuhbox mitintegrierter5-Achsen-BewegungseinrichtungundeinemexternenHandarbeitsplatzmit3-Achsen-Bewegungseinrichtung.ImZugederInstallationwurdenalleKomponentenzueiner Gesamtanlageintegriert.Desweiterenwurdef¨urdenHandarbeitsplatzeineSteuerungssoftwareentwickelt,dieeineweitgehendautomatisierteErstellungvonNC-Programmenausexternen HPGL-Datenerm¨oglicht.

NachderInstallationwurdederProzeßdeshermetischenGeh¨ auseverschlussesdurchSchweiß-versucheerarbeitetundqualifiziert.

Verfasser: DirkSchr¨odter

DatumderAbgabe: 29.04.98

Danksagung

Ich danke hiermit allen Mitarbeitern des Fraunhofer Instituts f ¨ ur Siliziumtechnologie f ¨ ur ihre Unterst ¨ utzung.

Besonderer Dank gilt meinem Betreuer Herrn Dipl. Ing. W. Reinert, der diese Arbeit im Fraunhofer Institut erm ¨ oglichte. In Diskussionen verdeutlichte er die Aufgabenstellung und half mit Ermutigungen und vielen Tips. Ebenso danke ich Herrn Damian Prochota f ¨ ur die Anfertigung der verwendeten Querschliffe. Bei Herrn Prof. Dr. Ing. P. Marczinowski bedanke ich mich f ¨ ur seine Betreuung seitens der Fachhochschule L ¨ ubeck und die Durchsicht der Arbeit. Des weiteren bedanke ich mich bei Dierk Fr ¨ uchtenicht, Antje Holthusen, Volker Schr ¨ odter und Alexander Weber f ¨ ur konstruktive Kritik, Korrekturlesen und geduldiges Zuh ¨ oren. Zum Schluß m ¨ ochte ich auch Sabine Fischer und Dr. Harald Fischer f ¨ ur ihre finanzielle Unterst ¨ utzung danken.

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  5

2  Grundlagen  6

2.1  Hermetischer Geh auseverschluß  6

2.1.1  Fehlermechanismen aufgrund von Feuchte  6

2.1.2  Geh auseformen  7

2.1.3  Verschlußtechniken f ur hermetische Geh ause  8

2.1.4  Prozeßf uhrung beim Geh auseverschluß  9

2.1.5  Pr ufung hermetischer Geh ause 1  0

2.1.6  Ablaufschema 1  1

2.2  Schweißen mit Lasern 1  2

2.2.1  Einflußgr oßen 1  3

2.2.2  Schweißeignung 1  7

3  Aufgabenstellung  18

3.1  Anforderungen an die Laserschweißanlage 1  8

3.2  Aufbau der geplanten Laserschweißanlage 1  9

3.2.1  Der Laser 1  9

3.2.2  Die Handschuhbox 2  1

3.2.3  Der Handarbeitsplatz 2  3

4  Installation und Inbetriebnahme der Laseranlage  25

4.1  Installation 2  5

4.1.1  Die CNC-Laser Schnittstelle 2  5

4.1.2  Modifikation der Energiefreigabefunktion 2  7

4.2  Inbetriebnahme 2  8

5  Entwicklung einer CNC-Steuerung  31

5.1  Motivation 3  1

5.1.1  Schw achen von PAL-PC 3  2

5.2  Anforderungen an die CNC-Steuerung 3  2

5.2.1  Auswahl der Datenformate 3  3

5.3  Design 3  5

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INHALTSVERZEICHNIS

5.3.1  Funktionales Modell 3  5

5.3.2  Objektmodell 3  7

5.4  Implementierung 4  0

5.5  Ausblick 4  0

6  Durchgef uhrte Schweißversuche  42

6.1  Verwendete Testgeh ause 4  2

6.1.1  Standardgeh ause 4  2

6.1.2  Hybridgeh ause 4  3

6.2  Konstruktion von Geh ausehalterungen 4  4

6.3  Bestimmung der Prozeßparameter 4  5

6.4  Durchf u h r u n g 4  6

6.5  Qualifizierung der Schweißergebnisse 4  7

6.5.1  Hermetizit atspr ufung der Testgeh ause 4  7

6.5.2  Metallographische Untersuchung der Schweißergebnisse 4  9

6.6  Geh ausebeschriftung 5  1

6.7  Diskussion der Ergebnisse 5  2

7  Ausblick  54

  A Handbuch CNCLaser 1 0  56

  A 1 Systemanforderungen 5  7

  A 2 Installation 5  7

  A 3 Konfiguration 5  8

  A 3 1 CNC-Optionen 5  8

  A 3 2 Serielle Schnittstelle 5  9

  A 4 Arbeiten mit CNCLaser 1 0 5  9

  A 4 1 Die Symbolleiste 5  9

  A 4 2 Manuelle NC-Programmierung 6  0

  A 4 3 HPGL-Import 6  0

  A 4 4 Verfahrweg optimieren 6  2

  A 4 5 Daten senden 6  2

  A 4 6 Der Prozeßmonitor 6  4

  A 4 7 Das Handbedienelement 6  5

  A 4 8 Parameter Berechnung 6  6

  A 5 Referenz 6  7

  A 5 1 Fehlermeldungen 6  7

  A 5 2 Implementierte HPGL-Befehle 6  9

  A 5 3 Implementierte PAL-Befehle 7  0

  B Tabellen  72

  C Diagramme  74

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  Abbildungsverzeichnis  

2.1  Phasendiagramm des Wassers  7

2.2  Ausgew ahlte Typen von Metallgeh ausen f ur den hermetischen Geh auseverschluß  8

2.3  Ablaufschema des hermetischen Geh auseverschluß 1  2

2.4  Zusammenhang der Strahlparameter 1  4

2.5  Strahlengang der Laseroptik mit ubersicht der wichtigsten Einflußgr oßen  15

3.1  Aufbau der geplanten Laseranlage 2  0

3.2  Anordnung der Achsen in der Handschuhbox 2  3

3.3  Anordnung der Achsen am Handarbeitsplatz 2  4

4.1  Vernetzung der Laseranlage 2  6

4.2  Beispiel Auswahl Parametersatz 5 2  7

4.3  Anpaßschaltung zwischen Laser und ISEL-Schnittstelle 2  7

4.4  Darstellung der Handschuhbox und deren Systeme 2  9

4.5  Darstellung des Handarbeitsplatzes und dessen Systeme 2  9

4.6  Darstellung des Materialbearbeitungslasers 3  0

5.1  Aufbau des ISEL-Bewegungssystems 3  1

5.2  Ein- und Ausgabeformate der CNC-Steuerung 3  3

5.3  Funktionales Modell zur Generierung von NC-Programmen aus HPGL-Daten  36

5.4  Funktionales Modell zur manuellen Erstellung von NC-Programmen  37

5.5  Objektmodell der CNC-Steuerung 3  8

5.6  Benutzeroberfl ache der CNC-Steuerung 4  1

6.1  Geh auseform und Schweißnahtgeometrien bei TO 5 Geh ausen 4  3

6.2  Geh auseform und Schweißnahtgeometrie bei tiefgezogenen Geh ausen  43

6.3  Aufnahme f ur TO-Geh ause 4  4

6.4  Aufnahme f ur Hybridgeh ause 4  5

6.5  Schweißnahtbildung durch Fokus uberlagerung 4  6

6.6  Druckverlauf im Rezipienten mit Testgeh ause 4  8

6.7  Querschliff Kovarsockel/Nickelkappe 5  0

6.8  Querschliff Stahl/Nickelkappe 5  0

6.9  Querschliff Hybridgeh ause 5  1

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  ABBILDUNGSVERZEICHNIS  

6.10  Querschliff Hybridgeh ause 5  1

6.11  Beispiel Geh ausebeschriftung 5  2

6.12  Geh ausedeckel mit Stufe 5  3

  A 1 Vorgabe der Mechanikparameter 5  8

  A 2 Konfiguration der Seriellen Schnittstelle 5  9

  A 3 Texteditor f ur NC-Programme 6  0

  A 4 Darstellungsfenster f ur HPGL-Daten 6  1

  A 5 Zuordnung der Prozeßparameter 6  1

  A 6 Positionierungsarten 6  2

  A 7 Positionseinstellung f ur den Bearbeitungsprozeß 6  3

  A 8 Der Prozeßmonitor 6  4

  A 9 Handbedienelement f ur manuelles Verfahren der Achsen 6  5

  A 10 Modul zur Berechnung geometrieabh angiger Prozeßparameter 6  6

  A 11 Konfiguration des Berechnungsmoduls 6  7

  C 1 Eichkurve des Probenmotors 7  4

  C 2 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgeh ause 1 1r 7  5

  C 3 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgeh ause 1 3r 7  5

  C 4 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgeh ause 2 1r 7  6

  C 5 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgeh ause 2 2r 7  6

  C 6 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgeh ause 3 3r 7  7

  C 7 Druckverlauf im Rezipienten mit Testgeh ause 3 5r 7  7

  C 8 Druckverlauf im Rezipienten mit Testleck 7  8

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Kapitel 1

Einleitung

Im Bereich der Materialbearbeitung werden heute neben herk ¨ ommlichen 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 zur ¨ uckzuf ¨ uhren.

Vorteile der Laserbearbeitung gegen ¨ uber anderen Verfahren sind u.a. die geringe thermische Belastung der Bauteile aufgrund kleiner W¨ armeeinflußzonen, sowie ein ber ¨ uhrungsfreies Arbeiten.

Zudem lassen sich Lasersysteme gut in automatisierte Prozesse integrieren.

Diese Eigenschaften machen den Laser zu einem idealen Werkzeug f ¨ ur den Einsatz in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Eine wichtige Anwendung in diesem Bereich ist das gasdichte Verschweißen von Metallgeh¨ ausen mikroelektronischer Schaltungen. In hermetischen Geh¨ ausen werden die empfindlichen Bauteile effektiv vor sch¨ adlichen Umwelteinfl ¨ ussen gesch ¨ utzt. Hermetische Metallgeh¨ ause werden besonders in der Luftfahrt, Medizintechnik, Sensorik und Milit¨ artechnik eingesetzt, da hier eine hohe Zuverl¨ assigkeit und eine lange Lebensdauer der elektronischen Schaltungen gefordert ist. So werden z.B. die Geh¨ ause von Herzschrittmachern ¨ uberwiegend mit dem Laser hermetisch verschlossen.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll f ¨ ur das Fraunhofer Institut f ¨ ur Siliziumtechnologie eine Laserschweißanlage f ¨ ur den hermetischen Geh¨ auseverschluß aufgebaut und in Betrieb genommen werden.

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Kapitel 2

Grundlagen

Dieser Abschnitt beschreibt die Grundlagen des hermetischen Geh¨ auseverschlusses und des Laserschweißens. Auf eine detaillierte Darstellung der Funktionsweise von Festk ¨ orperlasern wird jedoch verzichtet, hierf ¨ ur sei auf [1] verwiesen.

2.1 Hermetischer Geh¨ auseverschluß

Die Aufgabe von Geh¨ ausen in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik besteht darin, elektronische Bauteile vor ¨ außeren Umwelteinfl ¨ ussen zu sch ¨ utzen. F ¨ ur ihre Herstellung werden heute ¨ uberwiegend Kunststoffe verwendet, da sie preisg ¨ unstig und gut zu verarbeiten sind. In der Regel bieten diese Geh¨ ause ausreichenden Schutz vor Zerst ¨ orung der in ihnen gekapselten Bauelemente. F ¨ ur den Einsatz in aggressiven Umgebungen sind sie jedoch nicht geeignet, da Kunststoffe durchl¨ assig f ¨ ur Feuchtigkeit und Gase sind. F ¨ ur solche Anwendungen werden gasdichte Geh¨ ause ben ¨ otigt. Da es aufgrund von Permeations- und Diffusionsprozessen durch die Geh¨ ausew¨ ande, z. B. Wasserstoffdiffusion im Metall, physikalisch nicht m ¨ oglich ist, absolut dichte

Kapselungen zu erreichen, l¨ aßt man kleine Undichtigkeiten zu, bei denen die Geh¨ ause noch als hermetisch gelten. Der Amerikanische Milit¨ arstandard MIL-883D definiert daher ein hermetisches Geh¨ ause anhand einer zul¨ assigen Heliumleckrate. Auf den MIL-883D Standard wird in Kap.2.1.5 noch n¨ aher eingegangen.

2.1.1 Fehlermechanismen aufgrund von Feuchte

Die Hauptursache f ¨ ur den Ausfall mikroelektronischer Bauelemente ist elektrochemische Korrosion durch eingedrungene Feuchtigkeit in den Geh¨ ausen. Folgende Fehlermechanismen sind daf ¨ ur verantwortlich [7] :

Gold- und Silberelektromigration zwischen den Leiterbahnen

Dies geschieht grunds¨ atzlich, wenn gen ¨ ugend Feuchte sowie ionische Salze einen Elektrolyten zwischen zwei Leiterbahnen ausreichender Potentialdifferenz bilden. An der Anode kommt es zur sogenannten ” anodischen Metallaufl ¨ osung“ und an der Kathode zur Re-

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2.1.HERMETISCHERGEH ¨ AUSEVERSCHLUSS

duzierungderMetallionen.HierdurchwachsenMetallkristalleundbedingeneinenKurz- schluß. Leckstr¨ome

IonenleitungineinemElektrolyten

KorrosionvonDrahtbonds,BondpadsundMetallisierungen

VieleVerbindungensindinderLageAluminiumanzugreifen.Sokannz.B.Phosphoraus IC-Glas-Passivierungengel¨ostwerden,undPhosphors¨ aurebilden,waseinenkorrosiven AngriffdesAluminiumsbewirkt.

LokalegalvanischeElementewiez.B.GolddrahtaufAl-Bondpadkorrodierenauchohne Betriebsspannung.

Zielmußesdahersein,denFeuchtigkeitsgehaltimGeh¨ auseaufeinenWertzureduzieren,bei demdieo.g.Prozessenichtmehrauftreten.BeieinemPartialdruckdesWasserdampfesimGeh¨ ause

unterhalbdesTripelpunktes(T tr = 0 C; P tr = 6; 1 10 ,2 bar)istsichergestellt,daßdieFeuchteent-

wedergasf¨ormiginderGeh¨auseatmosph¨ arevorliegtodersichaufderSchaltunginFormvon Eiskristallenniederschl¨ agt(sieheAbb.2.1).DiehinsichtlichderkorrosivenWirkungsch¨ adliche fl¨ussigePhasewirdsomitvermieden.BeieinemGeh¨ ausedruckvoneinemBarentsprichtdies demFeuchtigkeitsgehaltvon6100ppm ¹ .

DaesinderRealit¨ atzueinerGefrierpunkterniedrigungkommenkann,wurdedermaximal zul¨ assigeFeuchtigkeitsgehaltauf5000ppmfestgelegt.

2.1.2Geh¨ auseformen

UmdieerforderlicheGasdichtigkeitzuerreichen,werdenhermetischeGeh¨ auseausdichtenMa-terialienwieGlas,KeramikundMetallgefertigt.Metallgeh¨ ausebesteheninderRegelauseinem

¹ partspermillion

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2.1.HERMETISCHERGEH ¨ AUSEVERSCHLUSS

SockelundeinemDeckel,wobeidieelektrischenLeitungendurchgasdichteGlasdurchf¨uhrungenindasInneredesGeh¨ ausesgelangen(sieheAbb.2.2).

Abbildung2.2:Ausgew¨ ahlteTypenvonMetallgeh¨ ausenf¨urdenhermetischenGeh¨ auseverschluß

2.1.3Verschlußtechnikenf¨urhermetischeGeh¨ ause

VerschlossenwerdendieseGeh¨ ause,indemderDeckelmitdemSockelhermetischverschweißt oderverl¨otetwird.EinVerklebenoderVergießenderGeh¨ auseistnichtm¨oglich,daderdabei verwendeteKunststoffdurchl¨ assigf¨urFeuchtigkeitundGaseist. F¨urdenVerschlußhermetischerGeh¨ ausesindeineReihevonTechnikengebr¨ auchlich,diesich grobindieBereicheL¨oten,WiderstandsschweißenundStrahlschweißenunterteilenlassen.

Widerstandsschweißen

AlsbedeutendsteVertreterdieserTechniksinddasRollnaht-unddasImpulsschweißenzunennen.BeimImpulsschweißenwerdenGeh¨ ausebodenundDeckeldurchzweipassendeElektroden aufeinandergepreßtunddurcheinenStrompulsaufdemgesamtenUmfangverschweißt.Das RollnahtschweißenunterscheidetsichvomImpulsschweißennurdurchdieFormderSchweiß-elektrode,diealsKegelausgef¨uhrt¨uberdenRanddesGeh¨ ausesabrollt.DieserProzeßerfordert MaterialienmitgroßemelektrischenWiderstand,sodaßStoffewieAluminiumundKupfernicht verwendetwerdenk¨onnen.

DasichdieF¨ugepartnerimNahtbereich¨uberlappenm¨ussen,sindnureinfacheNahtgeometrien m¨oglich.

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2.1.HERMETISCHERGEH ¨ AUSEVERSCHLUSS

Strahlschweißen

Elektronenstrahl-undinsbesondereLaserschweißenstellenVerfahrenmitherausragendenEigenschaftenf¨urdenhermetischenGeh¨ auseverschlußdar.DasichdieStrahlenergieaufeinen engbegrenztenBereichkonzentrierenl¨ aßt,k¨onnensehrschmaleSchweißn¨ ahtebeiminimalem W¨ armeeintraginsMaterialerzeugtwerden.NachteiligbeimElektronenstrahlschweißenist,daß dieserProzeßnurimVakuumdurchgef¨uhrtwerdenkann.EinBef¨ullendesGeh¨ ausesmiteinem InertgasistdahernurnachdemSchweißenundunterVerwendungeinesweiterenVerschlußverfahrensm¨oglich.Hinzukommt,daßdiebeidiesemProzeßentstehendeR¨ontgenstrahlung abgeschirmtwerdenmuß.

L¨oten

DieL¨ottechnikenf¨urhermetischeGeh¨ ausesinddieKolben-,Rollnaht-,Stempel-undOfenl¨otung. BeiderKolbenl¨otungbestehtdieGefahrderKorrosiondurchFlußmittelreste.Essolltedaher aufFlußmittelg¨ anzlichverzichtetwerden.Dieserfordertjedochsaubere,mitGoldbeschichtete Oberfl¨ achenderF¨ugepartner.GroßeGeh¨ ausem¨ussenvordemL¨otenerhitztwerden,umeinegu-teBenetzungdurchdasLotzuerreichen.BeiderRollnaht-undStempell¨otungwirddasLot¨ ahn-lichdemRollnaht-undImpulsschweißenerhitzt.BeiderOfenl¨otungwirddasgesamteGeh¨ ause ineinemOfenerhitzt,umdasLotzuschmelzen.DiethermischeBelastungderSchaltungist dabeijedochsehrgroß.

2.1.4Prozeßf¨uhrungbeimGeh¨ auseverschluß

Umzuvermeiden,daßdiebeimVerschlußandenGeh¨ ausenhaftendeFeuchtigkeiteingeschlos-senwird,m¨ussendiesezuvorimVakuumausgeheiztwerden.DauerundTemperaturdieses ProzessesbestimmendabeidenminimalerreichbarenFeuchtigkeitsgehaltimGeh¨ ause(sieheTa-belle2.1).

Tabelle2.1:RestfeuchtigkeitinAbh¨ angigkeitderAuslagerungszeitundTemperatur[15]

NachderTrocknungimVakuumoderinextremtrockenerInertgasatmosph¨ ared¨urfendieGeh¨ ause nichtmehrderUmgebungsatmosph¨ areausgesetztwerden,dadieszursofortigenRe-Absorption vonFeuchtigkeitf¨uhrenw¨urde.DiebeheizbareVakuumschleusesolltedaherdirektandieGeh¨ auseverschlußkammerangeflanschtsein.DieGeh¨ ausek¨onnendanndirektineinetrockene Schutzgasatmosph¨ aretransferiertunddorteinzelnverschlossenwerden.InderRegelbesteht

9

2.1.HERMETISCHERGEH ¨ AUSEVERSCHLUSS

dieseSchutzgasatmosph¨ areauseinemgetrocknetenInertgaswieStickstoffoderArgon.F¨ureine anschließendemassenspektrometrischeDichtigkeitspr¨ufungkanndemSchutzgas10%Helium alsTracergaszugesetztwerden.

2.1.5Pr¨ufunghermetischerGeh¨ ause

Unabh¨ angigvonderverwendetenVerschlußtechnikm¨ussenGeh¨ ausenachdemVerschlußhinsichtlichihrerDurchl¨ assigkeitf¨urFeuchtigkeitundGasegepr¨uftwerden.W¨ ahrenddesEinrichtungsbetriebessolltezun¨ achstnochjedesGeh¨ ausegetestetwerden.InderlaufendenProduktionerfolgtdieKontrolledanninderRegelstichprobenartig.AlleimRahmendieserDiplomarbeitverschlossenenGeh¨ ausesolltennachdemMIL-883DStandardqualifiziertwerden.Indie-semsinddieTestbedingungenundAnforderungenaneinhermetischesGeh¨ ausefestgelegt.Der MIL-883DStandarddefinierteinhermetischesGeh¨ auseanhandeinerzul¨ assigenHe-Leckrate nacheiner ¨ UberdruckauslagerunginHelium.NachderAuslagerungwirddieHeliumemmissionderGeh¨ auseimVakuummassenspektrometrischbestimmt.DaGeh¨ ausemitgroßemLeck dabeipraktischmitevakuiertwerden,undsomitalsdichterscheinen,mußanschließendein Groblecktestdurchgef¨uhrtwerden.DiePr¨ufunghermetischerGeh¨ ausebestehtdahernebenei-nereinfachenSichtpr¨ufungauseinemGrob-undeinemFeinlecktest.

Feinlecktest

F¨urdenFeinlecktestwirddasGeh¨ ausezun¨ achsteinerHelium¨uberdruckauslagerungausgesetzt. DieDauerderAuslagerungunddiemaximalzul¨ assigeHe-Leckrateh¨ angtdabeivomInnenvolumendesGeh¨ ausesab(sieheTabelle2.2).NachderHe-AuslagerungwirddasGeh¨ ausein eineVakuumanlagemitangeschlossenemMassenspektrometertransferiertunddieHeliumem-missiongemessen.DieMessungmußinnerhalbeinerStundenachBeendigungderAuslagerung vorgenommenwerden.

VorderMessungmußderMeßaufbauanhandeinesDiffusions-Standardlecktestesf¨ureineEmp-

findlichkeit 100 10 ,6 Pacm ³ =skalibriertwerden.Daf¨urwirddieHeliumemissioneinesBe-

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2.1.HERMETISCHERGEH ¨ AUSEVERSCHLUSS

h¨ alters(Testleck)mitbekannterHeliumleckrategemessen.AnhanddieserMessungkannanschließenddieHeliumleckratedesPr¨ufgeh¨ ausesberechnetwerden.Esgilt:

R K =HeliumleckratedesTestlecks

P K =HeliumpartialdruckimRezipientenmitTestleck P x =HeliumpartialdruckimRezipientenmitPr¨ufgeh¨ ause

Groblecktest

F¨urdenGroblecktestwirddaszuuntersuchendeGeh¨ ausezun¨ achstineineVakuumkammer eingebrachtunddortf¨urdieDauervon30MinuteneinemDruckvon5mbarausgesetzt.An-schließendwirddieKammermiteinerniedrigsiedendenDetektorfl¨ussigkeit(Siedepunkt50-95

C)gef¨ulltundderDruckgem.Tabelle2.3erh¨oht.NachAblaufdervorgeschriebenenAuslage-

rungszeitwirddasGeh¨ auseentnommen,getrocknetundineinehochsiedendeIndikatorfl¨ussig-

keit(Siedepunkt140-200 C)gegeben.GrobeUndichtigkeitendesGeh¨ auseszeigensichalskon-

tinuierlichaufsteigendeBlasen,dievoneinemLeckinderNahtherr¨uhren.

2.1.6Ablaufschema

Zusammenfassendl¨ aßtsichfolgendesAblaufschemaf¨urdenhermetischenVerschlußvonGeh¨ auseninderMikroelektronikundMikrosystemtechnikangeben: UmeineeventuelleVerschmutzungdesmassenspektrometrischenTestaufbausdurchdieDetek-torfl¨ussigkeitzuvermeiden,erfolgtderFeinlecktestvordemGroblecktest.

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2.2.SCHWEISSENMITLASERN

2.2SchweißenmitLasern

Laser ² eignensichaufgrundihrerbesonderenEigenschaftenf¨ureineReihevonAnwendungen inderMaterialbearbeitung.DasLaserlichtzeichnetsichgegen¨uberderEmissionandererStrahlungsquellendurcheinegeringeDivergenzaus.Dieseerm¨oglichtes,denLaserstrahlaufkleinste Strahldurchmesserzufokussieren,sodaßextremhoheLeistungsdichtenaufderWerkst¨uckoberfl¨ acheerreichtwerden.DievomMaterialabsorbierteLaserenergiewirddabeilokalinW¨ arme umgesetzt.Damitistesu.a.m¨oglich,MetallebiszumSchmelz-oderVerdampfungspunktzu erhitzen.

DasSchweißenmitdemLaserhatgegen¨uberherk¨ommlichenSchweißverfahrenfolgendeVor-teile[5]: ber¨uhrungsloseBearbeitung

hohesTiefen-/Breitenverh¨ altnisderSchweißnaht

geringeW¨ armeeinbringungunddamitkleineW¨ armeeinflußzone,d.h.niedrigethermische

BelastungunddamitgeringerVerzugdesBauteils

qualitativhochwertigeSchweißn¨ ahte

pr¨ azisePositionierung,auchanschwerzug¨ anglichenStellen

hoheSchweißgeschwindigkeit

² LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

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2.2.SCHWEISSENMITLASERN

keineNachbearbeitung

ManunterscheidetbeimLaserschweißenzwischenSchmelz-undTiefschweißen.BeimTiefschweißenwerdendieProzeßparametersogew¨ ahlt,daßderLaserstrahleinenDampfkanalimMaterial erzeugt.ImweiterenProzeßverlaufkoppeltdasLaserlichtindenMaterialdampfeinunderzeugt aufdieseWeiseeinlaserinduziertesPlasma.AbsorptionundEinschweißtiefeerh¨ohensichhierdurchbetr¨ achtlich.BeigeeigneterParameterwahlbleibtdieserDampfkanalauchw¨ ahrendeiner Vorschubbewegungbestehen,sodaßdieSchmelzehinterdemStrahlzueinerschmalenSchweiß-nahtmithomogenemGef¨ugeerstarrt.DieserProzeßerfordertjedochgroßeLaserleistungen,weshalbhierf¨ur¨uberwiegendCO 2 -LaserzumEinsatzkommen.

BeimSchmelzschweißenhingegenwirddasMaterialgeradesoweiterhitzt,daßesfl¨ussigwird, d.h.eswirdkeinodernurwenigMaterialverdampft.DadieLaserlichtabsorptionhiernuran derWerkst¨uckoberfl¨ achestattfindet,wirddieW¨ armenurausderSchmelzeindenumgebenden Werkstoffgeleitet.ManbezeichnetdiesesVerfahrendaherauchalsW¨ armeleitungsschweißen. DieerreichbarenSchweißtiefenliegenhierimBereichvon1-2Millimetern.F¨urdieMikrobearbeitung,zuderauchderGeh¨ auseverschlußgeh¨ort,wird¨uberwiegenddieseTechnikverwendet.

2.2.1Einflußgr¨oßen

DieWirkungderLaserstrahlungaufdasMaterialh¨ angtimwesentlichenvondenspezifischen EigenschaftendesLaserlichtes,derverwendetenOptikunddenthermischenundoptischenEi-genschaftendesMaterialsab.JenachverwendetemLaser,k¨onneneinigedieserFaktorengezielt ver¨ andertwerden.DadieseEinflußgr¨oßenteilweisevoneinanderabh¨ angen,m¨ussensief¨urdie entsprechendeAnwendungaufeinanderabgestimmtwerden.ImFolgendenwerdendiewichtigstenEinflußgr¨oßenf¨urdasLaserschweißenbeschrieben.

Pulsdauer,PulsleistungundPulsrate

DadasSchweißenvonMetallensehrgroßeStrahlleistungenerfordert,werdenFestk¨orperlaser ¨uberwiegendgepulstbetrieben.Hierdurchk¨onnentrotzgeringermittlererLaserleistunghohe Pulsleistungenerzieltwerden(sieheAbb.2.4).Nahtschweißungenwerdendabeidurch¨uberlappendePunktschweißungenrealisiert.InderRegelk¨onnenPulsleistung ˆ P,Pulsdauerτund

PulsfrequenzraneinemMaterialbearbeitungslasereingestelltwerden.DiemittlereLeistungP av berechnetsichindiesemFalldurch:

P τr

P av = ˆ (2.2)

DieEnergieE p einesLaserpulseswirdberechnetmit:

P τ

E p = ˆ (2.3)

DadiemaximalemittlereLeistungeinesLaserseineger¨ atespezifischeKonstanteist,stelltsie dieBegrenzungf¨urKombinationenvonPulsleistung,PulsdauerundPulsratedar.BeisehrhohenPulsratenwirdderf¨urdiemittlereLeistungangegebeneWertjedochnichterreicht,dadie

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