In der vorliegenden Arbeit wurde eine Laserschweißanlage aufgebaut und in Betrieb genommen, mit deren Hilfe Metallgehäuse mikroelektronischer Schaltungen in definierten Atmosphären hermetisch verschlossen werden können.
Die Anlage besteht aus einem gepulsten 40W Nd:YAG Festkörperlaser, einer Handschuhbox mit integrierter 5-Achsen-Bewegungseinrichtung und einem externen Handarbeitsplatz mit 3-Achsen-Bewegungseinrichtung. Im Zuge der Installation wurden alle Komponenten zu einer Gesamtanlage integriert. Des weiteren wurde für den Handarbeitsplatz eine Steuerungssoftware entwickelt, die eine weitgehend automatisierte Erstellung von NC-Programmen aus externen HPGL-Daten ermöglicht. Nach der Installation wurde der Prozess des hermetischen Gehäuseverschlusses durch Schweißversuche erarbeitet und qualifiziert.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Hermetischer Gehauseverschluß
2.1.1 Fehlermechanismen aufgrund von Feuchte
2.1.2 Gehauseformen
2.1.3 Verschlußtechniken f¨ur hermetische Gehause
2.1.4 Prozeßfuhrung beim Gehauseverschluß
2.1.5 Prufung hermetischer Gehause
2.1.6 Ablaufschema
2.2 Schweißen mit Lasern
2.2.1 Einflußgroßen
2.2.2 Schweißeignung
3 Aufgabenstellung
3.1 Anforderungen an die Laserschweißanlage
3.2 Aufbau der geplanten Laserschweißanlage
3.2.1 Der Laser
3.2.2 Die Handschuhbox
3.2.3 Der Handarbeitsplatz
4 Installation und Inbetriebnahme der Laseranlage
4.1 Installation
4.1.1 Die CNC-Laser Schnittstelle
4.1.2 Modifikation der Energiefreigabefunktion
4.2 Inbetriebnahme
5 Entwicklung einer CNC-Steuerung
5.1 Motivation
5.1.1 Schwachen von PAL-PC
5.2 Anforderungen an die CNC-Steuerung
5.2.1 Auswahl der Datenformate
5.3 Design
5.3.1 Funktionales Modell
5.3.2 Objektmodell
5.4 Implementierung
5.5 Ausblick
6 Durchgefuhrte Schweißversuche
6.1 Verwendete Testgehause
6.1.1 Standardgehause
6.1.2 Hybridgehause
6.2 Konstruktion von Gehausehalterungen
6.3 Bestimmung der Prozeßparameter
6.4 Durchfuhrung
6.5 Qualifizierung der Schweißergebnisse
6.5.1 Hermetizitatsprfung der Testgehause
6.5.2 Metallographische Untersuchung der Schweißergebnisse
6.6 Gehausebeschriftung
6.7 Diskussion der Ergebnisse
7 Ausblick
A Handbuch CNCLaser 1.0
A.1 Systemanforderungen
A.2 Installation
A.3 Konfiguration
A.3.1 CNC-Optionen
A.3.2 Serielle Schnittstelle
A.4 Arbeiten mit CNCLaser 1.0
A.4.1 Die Symbolleiste
A.4.2 Manuelle NC-Programmierung
A.4.3 HPGL-Import
A.4.4 Verfahrweg optimieren
A.4.5 Daten senden
A.4.6 Der Prozeßmonitor
A.4.7 Das Handbedienelement
A.4.8 Parameter Berechnung
A.5 Referenz
A.5.1 Fehlermeldungen
A.5.2 Implementierte HPGL-Befehle
A.5.3 Implementierte PAL-Befehle
B Tabellen
C Diagramme
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau einer rechnergesteuerten Laserschweißanlage für den hermetischen Gehäuseverschluss von mikroelektronischen Schaltungen am Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie sowie die Entwicklung einer zugehörigen CNC-Steuerungssoftware. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie aus externen CAD-Daten (HPGL-Format) automatisiert NC-Programme für eine 3-Achsen-Verfahreinheit generiert und Prozessparameter für eine qualifizierte Verschweißung optimiert werden können.
- Aufbau und Inbetriebnahme einer Laserschweißanlage mit Handschuhbox und Handarbeitsplatz.
- Entwicklung einer CNC-Steuerungssoftware zur direkten Umsetzung von CAD-Zeichnungen in NC-Programme.
- Prozessoptimierung und Qualifizierung von Schweißnähten hinsichtlich Hermetizität und Festigkeit.
- Metallographische Analyse zur Bewertung von Schweißnahtgeometrien und Fehlerbildern.
- Erstellung eines Software-Handbuchs (CNCLaser 1.0) für die Bedienung der Steuerung.
Auszug aus dem Buch
2.2.1 Einflußgrößen
Die Wirkung der Laserstrahlung auf das Material hängt im wesentlichen von den spezifischen Eigenschaften des Laserlichtes, der verwendeten Optik und den thermischen und optischen Eigenschaften des Materials ab. Je nach verwendetem Laser, können einige dieser Faktoren gezielt verändert werden. Da diese Einflußgrößen teilweise voneinander abhängen, müssen sie für die entsprechende Anwendung aufeinander abgestimmt werden. Im Folgenden werden die wichtigsten Einflußgrößen für das Laserschweißen beschrieben.
Pulsdauer, Pulsleistung und Pulsrate
Da das Schweißen von Metallen sehr große Strahlleistungen erfordert, werden Festkörperlaser überwiegend gepulst betrieben. Hierdurch können trotz geringer mittlerer Laserleistung hohe Pulsleistungen erzielt werden (siehe Abb. 2.4). Nahtschweißungen werden dabei durch überlappende Punktschweißungen realisiert. In der Regel können Pulsleistung P, Pulsdauer τ und Pulsfrequenz r an einem Materialbearbeitungslaser eingestellt werden. Die mittlere Leistung Pav berechnet sich in diesem Fall durch:
Pav = P · τ · r (2.2)
Die Energie Ep eines Laserpulses wird berechnet mit:
Ep = P · τ (2.3)
Da die maximale mittlere Leistung eines Lasers eine gerätespezifische Konstante ist, stellt sie die Begrenzung für Kombinationen von Pulsleistung, Pulsdauer und Pulsrate dar. Bei sehr hohen Pulsraten wird der für die mittlere Leistung angegebene Wert jedoch nicht erreicht, da die Zeit bis zum nächsten Puls nicht ausreicht, um erneut eine vollständige Besetzungsinversion des Lasermediums zu erreichen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Bedeutung von Lasersystemen in der Materialbearbeitung und die Notwendigkeit des hermetischen Gehäuseverschlusses für mikroelektronische Bauteile.
2 Grundlagen: Erläutert die physikalischen Prinzipien des hermetischen Verschlusses, Fehlerquellen durch Feuchtigkeit und die theoretischen Aspekte des Laserschweißens.
3 Aufgabenstellung: Definiert die Anforderungen an die neue Laserschweißanlage und die notwendige CNC-Steuerungssoftware für das Fraunhofer Institut.
4 Installation und Inbetriebnahme der Laseranlage: Beschreibt die technische Vernetzung der Anlage und die notwendigen Anpassungen an der Steuerungsschnittstelle sowie die Erstinbetriebnahme.
5 Entwicklung einer CNC-Steuerung: Dokumentiert das Design und die Implementierung der neuen Steuerungssoftware, insbesondere die Konvertierung von HPGL-Daten.
6 Durchgefuhrte Schweißversuche: Analysiert die durchgeführten Schweißreihen an verschiedenen Gehäusetypen und deren Qualifizierung mittels Dichtheitsprüfungen und Schliffbildern.
7 Ausblick: Bewertet die Ergebnisse und gibt Empfehlungen für zukünftige Optimierungen der Anlage und der technologischen Datenbank.
A Handbuch CNCLaser 1.0: Dient als Anwenderdokumentation für die Installation, Konfiguration und den täglichen Betrieb der entwickelten CNC-Software.
Schlüsselwörter
Laserschweißanlage, Hermetischer Gehäuseverschluss, Mikroelektronik, CNC-Steuerung, HPGL-Format, Nd:YAG-Laser, Schweißnahtqualifizierung, Feuchtigkeitskorrosion, Metallgehäuse, Automatisierung, Prozessparameter, Lecktest, Metallographie, Pulsleistung, Festkörperlaser.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der vorliegenden Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau einer rechnergesteuerten Laserschweißanlage, die darauf ausgelegt ist, Metallgehäuse mikroelektronischer Schaltungen hermetisch zu verschließen.
Welche zentralen Themenfelder behandelt die Arbeit?
Zentrale Themen sind die Lasertechnik, die hermetische Kapselung von Elektronik, die Entwicklung von CNC-Steuerungssoftware für automatisierte Bearbeitungsprozesse und die anschließende Prozessqualifizierung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Errichtung einer funktionsfähigen Anlage sowie die Entwicklung einer Software, welche CAD-Daten in NC-Programme übersetzt, um einen optimierten und qualifizierten Verschluss zu ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Qualifizierung verwendet?
Die Qualifizierung der Schweißergebnisse erfolgt primär durch Hermetizitätsprüfungen nach dem MIL-883D-Standard sowie durch metallographische Untersuchungen mittels Querschliffen.
Was wird im Hauptteil zur Steuerungsentwicklung behandelt?
Im Hauptteil wird der Weg von der Analyse der Schwächen bestehender Softwarelösungen (PAL-PC) über das Design des funktionalen Modells bis hin zur Implementierung der neuen Software CNCLaser 1.0 beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Laserschweißen, Hermetizität, CNC-Programmierung, HPGL-Schnittstelle und Prozessautomatisierung charakterisiert.
Warum wurde ein zweiter Arbeitsplatz neben der Handschuhbox aufgebaut?
Der zweite Arbeitsplatz dient der Durchführung von Schweißversuchen und emissionsreichen Anwendungen, um die aufwendige Inertgasatmosphäre in der primären Handschuhbox nicht zu gefährden.
Wie wurde das Problem der Speicherbeschränkung bei der Schnittstellenkarte gelöst?
Die Lösung bestand in der Nutzung des sogenannten DNC-Modus, bei dem Datensätze direkt vom Steuerrechner an die Interfacekarte übertragen und dort ausgewertet werden, anstatt sie vorab komplett im Speicher abzulegen.
Warum sind Standard-TO5-Gehäuse für das Laserschweißen als ungeeignet eingestuft worden?
Aufgrund des hohen Nickelanteils und der speziellen Nahtgeometrie bei den untersuchten Kovarsockeln kam es zu Rissbildungen, weshalb sie für eine zuverlässige hermetische Versiegelung mit dem Laser als ungeeignet identifiziert wurden.
- Quote paper
- Dirk Schrödter (Author), 1998, Aufbau einer rechnergesteuerten Laserschweißanlage und deren Qualifizierung für den hermetischen Gehäuseverschluß, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/78965
