Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Substratangepasstes kombiniertes Laserstrahllöten- und schweißen von elektrischen Leistungsverbindern für die Leistungselektronik

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines robusten Prozesses zur Kontaktierung von elektronischen Bauelementen und Leiterplatten in der Leistungselektronik, mit dem unterschiedliche Temperaturniveaus und Werkstoff-Belastungsgrenzen von Bauelementen und Verbindern mit einer gemeinsamen Maschinentechnik abgedeckt werden können. Hierfür werden die beiden Fügeprozesse Schweißen und Löten zu einem Verfahren kombiniert, so dass als Verbindermaterial ein sowohl löt- als auch schweißbares Bändchen verwendet kann. Die damit realisierte Kontaktierungstechnik ermöglicht vor allem für KMUs mit wechselnden Aufgabenstellungen einen flexiblen Einsatz bei unterschiedlichen Anwendungsfällen, da durch die Bedienung von zwei möglichen Fügeprozessen in einem einzigen kombinierten Prozess eine breitere Palette von Produkten bei gleichbleibenden Investitionskosten abdeckbar ist. Durch die Kombination der Vorteile eines Löt- und Schweißprozesses lassen sich applikationsabhängig unterschiedliche Temperaturniveaus im Verbinder und der Fügestelle sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb abdecken. Dabei erlaubt auf der Halbleiterseite die Schweißverbindung eine höhere Betriebstemperatur bei Verwendung einer höheren Metallisierungsdicke, während auf der Leiterplattenseite eine werkstoffschonende Löttechnik eingesetzt wird. Weiterhin ist eine Erweiterung der Materialvielfalt durch eine Kombination dieser beiden Fügeprozesse gegeben. So lässt sich ein Weichlötprozess nicht auf Guss- oder Stahlbauteile anwenden, welche jedoch mit einem Schweißprozess prozesssicher gefügt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsvorhaben wurde ein laserbasierter Fügeprozess aus frei kombinierbarer Schweiß- und Löttechnik entwickelt und für entsprechende Anwendungen der Leistungselektronik validiert. Abschließend wurde der Kombinationsprozess an einem Realbauteil von BorgWarner demonstriert. Dabei erfolgte die Kontaktierung auf einem zu lötenden Substrat mittels eines verzinnten Kupferbändchens im Laserlötverfahren und die Kontaktierung auf dem metallischen Gehäuse als Laserschweißung. Das Kontaktmaterial bzw. der Verbinder wird in beiden Fällen als verzinntes Bandmaterial ausgeführt. Damit steht für den Anwender ein Prozess zur Verfügung, mit dem wahlweise die Verbindung als Schweißung, als Lötung oder in einer Kombination aus Schweißung und Lötung durchgeführt werden kann. Das Verfahren erfüllt folgende Anforderungen, indem die Prozesse des Schweißen und Löten mit einem verzinnten Verbinder kombiniert werden:

• Prozesssicheres Schweißen der vorbeloteten Verbinder

• Direkte Kontaktierung von massiven Kontaktverbindern (≥ 300 μm Dicke) auf dünnen Kontaktterminals (Lötung)

• Einsatzfähigkeit für hochschmelzende Kontaktwerkstoffe wie Kupfer

Zentrale Ergebnisse umfassen:

• Anforderungen für Anlagentechnik und Materialien festgelegt.

• Konzeptionierung und Erprobung eines optischen Aufbaus für das Laserstrahllöten und Laserstrahlschweißen.

• Berechnung der thermischen Belastung beim Laserstrahllöten und -schweißen mittels Simulation

• Prozessevaluation und Parameterentwicklung für das Laserstrahlschweißen auf massiven Bauteilen

• Prozessevaluation und Parameterentwicklung für das Laserstrahllöten auf thermisch sensiblen Bauteilen

• Aufbau eines Technologiedemonstrators am Beispiel eines eBoosters von BorgWarner