Fachhochschule Lübeck
Fachbereich angewandte Naturwissenschaften
Studiengang Physikalische Technik

Diplomarbeit

Aufbau einer rechnergesteuerten Laserschweißanlage
und deren Qualifizierung für den hermetischen Gehäuseverschluß

Verfasser: Dirk Schrödter

Datum der Abgabe: 28.04.98

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 5

2 Grundlagen 6

2.1 Hermetischer Gehäuseverschluß ...  6
2.1.1 Fehlermechanismen aufgrund von Feuchte ...  6
2.1.2 Gehäuseformen ...  7
2.1.3 Verschlußtechniken für hermetische Gehäuse ...  8
2.1.4 Prozeßführung beim Gehäuseverschluß ...  9
2.1.5 Prüfung hermetischer Gehäuse ...  10
2.1.6 Ablaufschema ...  11

2.2 Schweißen mit Lasern ...  12
2.2.1 Einflußgrößen ...  13
2.2.2 Schweißeignung ...  17

3 Aufgabenstellung 18

3.1 Anforderungen an die Laserschweißanlage ...  18

3.2 Aufbau der geplanten Laserschweißanlage ...  19
3.2.1 Der Laser ...  19
3.2.2 Die Handschuhbox ...  21
3.2.3 Der Handarbeitsplatz ...  23

4 Installation und Inbetriebnahme der Laseranlage 25

4.1 Installation ...  25
4.1.1 Die CNC-Laser Schnittstelle ...  25
4.1.2 Modifikation der Energiefreigabefunktion ...  27

4.2 Inbetriebnahme ...  28

5 Entwicklung einer CNC-Steuerung 31

5.1 Motivation ...  31
5.1.1 Schwächen von PAL-PC ...  32

5.2 Anforderungen an die CNC-Steuerung ...  32
5.2.1 Auswahl der Datenformate ...  33

5.3 Design ...  35
5.3.1 Funktionales Modell ...  35
5.3.2 Objektmodell ...  37

5.4 Implementierung ...  40

5.5 Ausblick ...  40

6 Durchgeführte Schweißversuche 42

6.1 Verwendete Testgehäuse ...  42
6.1.1 Standardgehäuse ...  42
6.1.2 Hybridgehäuse ...  43

6.2 Konstruktion von Gehäusehalterungen ...  44

6.3 Bestimmung der Prozeßparameter ...  45

6.4 Durchführung ...  46

6.5 Qualifizierung der Schweißergebnisse ...  47
6.5.1 Hermetizitätsprüfung der Testgehäuse ...  47
6.5.2 Metallographische Untersuchung der Schweißergebnisse ...  49

6.6 Gehäusebeschriftung ...  51

6.7 Diskussion der Ergebnisse ...  52

7 Ausblick 54

A Handbuch CNCLaser 1.0 56

A.1 Systemanforderungen ...  57

A.2 Installation ...  57

A.3 Konfiguration ...  58
A.3.1 CNC-Optionen ...  58
A.3.2 Serielle Schnittstelle ...  59

A.4 Arbeiten mit CNCLaser 1.0 ...  59
A.4.1 Die Symbolleiste ...  59
A.4.2 Manuelle NC-Programmierung ...  60
A.4.3 HPGL-Import ...  60
A.4.4 Verfahrweg optimieren ...  62
A.4.5 Daten senden ...  62
A.4.6 Der Prozeßmonitor ...  64
A.4.7 Das Handbedienelement ...  65
A.4.8 Parameter Berechnung ...  66

A.5 Referenz ...  67
A.5.1 Fehlermeldungen ...  67
A.5.2 Implementierte HPGL-Befehle ...  69
A.5.3 Implementierte PAL-Befehle ...  70

B Tabellen 72

C Diagramme 74

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 gegen über 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 Herzschrittmachern überwiegend mit dem Laser hermetisch verschlossen.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll für das Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie eine Laserschweißanlage 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, elektronische Bauteile vor äußeren Umwelteinflüssen zu schützen. Für ihre Herstellung werden heute überwiegend Kunststoffe verwendet, da sie preisgünstig und gut zu verarbeiten sind. In der Regel bieten diese Gehäuse ausreichenden Schutz vor Zerstörung der in ihnen gekapselten Bauelemente. Für den Einsatz in aggressiven Umgebungen sind sie jedoch nicht geeignet, da Kunststoffe durchlässig für Feuchtigkeit und Gase sind. Für solche Anwendungen werden gasdichte Gehäuse benötigt. Da es aufgrund von Permeations- und Diffusionsprozessen durch die Gehäusewände, 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 hermetisches 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 Elektrolyten zwischen zwei Leiterbahnen ausreichender Potentialdifferenz bilden. An der Anode kommt es zur sogenannten ”anodischen Metallauflösung“ und an der Kathode zur Reduzierung der Metallionen. Hierdurch wachsen Metallkristalle und bedingen einen Kurzschluß.
• 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 gelöst 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 = 0C; 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 2.1: Phasendiagramm des Wassers - in der Downloadversion enthalten)

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 Materialien 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

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