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DE102004052039A1 - Determination of melting depth during melting of a metal layer with one or more layer sites by means of a reflected test beam useful in metallurgical melting operations providing relaible and reproducible depth determination - Google Patents

Determination of melting depth during melting of a metal layer with one or more layer sites by means of a reflected test beam useful in metallurgical melting operations providing relaible and reproducible depth determination Download PDF

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DE102004052039A1
DE102004052039A1 DE102004052039A DE102004052039A DE102004052039A1 DE 102004052039 A1 DE102004052039 A1 DE 102004052039A1 DE 102004052039 A DE102004052039 A DE 102004052039A DE 102004052039 A DE102004052039 A DE 102004052039A DE 102004052039 A1 DE102004052039 A1 DE 102004052039A1
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melting
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Franz Dr. Auerbach
Thomas Dr. Licht
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EUPEC GmbH
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Abstract

Determination of melting depth during melting of a metal layer wih one or more layer sites, which on impact of a test beam emit different discharge beam characteristics. During melting the melting regions are impacted with the test beam (10), and from the reflected test beam the melting of the layer sites can be known by detection of the specific discharge characteristics from which the melting depth can be deduced. An independent claim is included for a substrate for use in determination of the melting depth as described above.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fertigung elektrischer Schaltungen, insbesondere für Leistungshalbleitermodule, bei denen eine auf einem Träger (Substrat) aufgebrachte Metallschicht zu Montage- und/oder Kontaktierungszwecken aufgeschmolzen wird. Dazu wird die Metallschicht zumindest bereichsweise durch Wärmeeinbringung – z.B. mittels einer energiereichen Strahlung – bis zu ihrem Schmelzpunkt erwärmt.The Invention is in the field of manufacturing electrical circuits, especially for power semiconductor modules, one on a carrier (Substrate) applied metal layer for mounting and / or contacting purposes is melted. For this purpose, the metal layer is at least partially by heat input - e.g. by means of an energetic radiation - until heated to its melting point.

Wegen der üblicherweise geringen Abmessungen und damit geringen Materialmengen aufzuschmelzenden Metalls kommt der Dosierung der Erwärmungsintensität bzw. Erwärmungsdauer eine erhebliche Bedeutung zu. Für zuverlässige Montagen bzw. elektrische Verbindungen muss reproduzierbar eine vorbestimmte Aufschmelztiefe der Metallschicht erreicht werden. Eine zu geringe Aufschmelztiefe kann zu unvollständigen oder fehlerhaften Verbindungen führen, während eine zu große Aufschmelztiefe bzw. zu starke Erwärmung zu thermischen Belastungen und mechanischen Spannungen – ungünstigstenfalls zur Zerstörung der Schaltung – führen kann.Because of the usual small dimensions and thus small quantities of material to be melted Metal is the dosage of the heating intensity or heating time a significant importance too. For reliable Mounts or electrical connections must be reproducible predetermined melting depth of the metal layer can be achieved. Too low a melting point can lead to incomplete or faulty connections to lead, while one too big Melting depth or excessive heating to thermal loads and mechanical stresses - worst case to destruction the circuit - can lead.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem zuverlässig reproduzierbar während des Aufschmelzens einer Metallisierung die Aufschmelztiefe bestimmt werden kann. Außerdem stellt sich die Aufgabe, ein dazu geeignetes Substrat anzugeben.Of the The present invention is therefore based on the object, a method indicate with the reliable reproducible during the melting of a metallization determines the melting depth can be. Furthermore the task is to specify a suitable substrate.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und hinsichtlich des Substrats durch ein Substrat nach dem Anspruch 5 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche und Ausführungsbeispiele.These Task is according to the invention in terms of the method a method according to claim 1 and with respect to the substrate solved by a substrate according to claim 5. Embodiments and developments are the subject of the dependent claims and embodiments.

Das Verfahren zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht sieht vor, dass die zu verbindende oder zu kontaktierende Metallschicht auf einer oder auf mehreren Schicht(en) aufgebracht wird. Diese Schichtlage(n) zeichnet bzw. zeichnen sich dadurch aus, dass sie jeweils gegenüber der Metallschicht und ggf. gegenüber den anderen Schichtlagen bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine jeweils schichtspezifische, zu der Metallschicht (und ggf. zu den anderen Schichtlagen) unterschiedliche charakteristische Entladungsstrahlung emittiert bzw. emittieren. Die Metallschicht kann auch einen vergleichsweise kleinen metallisierten Bereich umfassen, der z.B. zur Laststromabnahme bei einem Leistungshalbleitermodul dient.The Method for determining the melting depth during the melting of a Metal layer provides that to be connected or contacted Metal layer on one or more layers (s) applied becomes. This layer (s) is characterized or distinguished by that they each face the metal layer and possibly opposite the other layer layers when exposed to a test radiation each layer-specific, to the metal layer (and possibly to the other layer layers) different characteristic discharge radiation emit or emit. The metal layer can also be a comparatively small metallized area, e.g. for load current decrease used in a power semiconductor module.

Während des Aufschmelzens wird der Aufschmelzbereich mit einer Prüfstrahlung beaufschlagt. Der Anteil der Prüfstrahlung, der zu einer Auswerteeinrichtung zurückgeworfen wird, wird im Rahmen der Erfindung nachfolgend auch als Reflexionsstrahlung bezeichnet. Die Reflexionsstrahlung enthält eine für das jeweilige reflektierende Material charakteristische Entladungsstrahlung. Die Frequenz bzw. Wellenlänge der Entladungsstrahlung ist abhängig von der sog. Austrittsarbeit. Diese wiederum ist bestimmt durch das bestrahlte, reflektierende Material. Allgemein hängen die Austrittsarbeit Wa und die Frequenz bzw. Wellenlänge der Entladungsstrahlung bei einem vorgegebenen Material wie folgt zusammen: Wa(Material) = h·f = h ·c/λchar(Material) (1).mit:

h:
Plancksches Wirkungsquantum h = 6,2·10–34 Js
f:
Frequenz der reflektierten Strahlung
λchar:
charakteristische Wellenlänge der reflektierten Strahlung (Entladungsstrahlung)
c:
Lichtgeschwindigkeit
During the melting, the melting area is exposed to a test radiation. The proportion of the test radiation which is reflected back to an evaluation device is also referred to below as reflection radiation in the context of the invention. The reflection radiation contains a characteristic of the respective reflective material discharge radiation. The frequency or wavelength of the discharge radiation is dependent on the so-called work function. This in turn is determined by the irradiated, reflective material. Generally, the work function W a and the frequency or wavelength of the discharge radiation for a given material are as follows: W a (material) = h · f = h · c / λ char (Material) (1). With:
H:
Planck's constant h = 6.2 · 10 -34 Js
f:
Frequency of the reflected radiation
λ char :
characteristic wavelength of the reflected radiation (discharge radiation)
c:
Speed of Light

Man erkennt daraus, dass die Wellenlänge der Entladungsstrahlung charakteristisch für das reflektierende Material bzw. dessen Austrittsarbeit ist. Je nach aufgeschmolzener Metallschicht ist/sind also eine bzw. mehrere bestimmte Entladungsstrahlungen in der Reflexionsstrahlung detektierbar.you recognizes that the wavelength of the Discharge radiation characteristic of the reflective material or whose work function is. Depending on the molten metal layer is / are therefore one or more specific discharge radiation detectable in the reflection radiation.

So ergibt sich beim Aufschmelzen einer aus einem Metall bestehenden Schicht eine charakteristische Austrittsarbeit Wa bzw. maximale Wellenlänge λchar,Me gemäß der Gleichung Wa,Me = h·f = h·c/λchar,Me (2) Thus, when a layer consisting of a metal melts, a characteristic work function W a or maximum wavelength λ char, Me results according to the equation W a, Me = h · f = h · c / λ charm (2)

Handelt es sich bei dem Metall beispielsweise um Kupfer (Cu), so werden die entsprechende charakteristische Austrittsarbeit im Folgenden mit Wa,Cu und die charakteristische Wellenlänge mit λchar,Cu bezeichnet.If the metal is, for example, copper (Cu), the corresponding characteristic work function will be referred to below as W a, Cu and the characteristic wavelength as λ char, Cu .

Wird nun zumindest eine weitere Schichtlage unter der aufzuschmelzenden Metallschicht erreicht, d.h. beginnt diese Schichtlage aufzuschmelzen, ist eine – von der charakteristischen Wellenlänge der Kupferschicht verschiedene – charakteristische maximale Wellenlänge der Entladungsstrahlung in Abhängigkeit von deren Materialzusammensetzung detektierbar.Becomes now at least one more layer below the melted Reaches metal layer, i. begins to melt this layer, is a - of the characteristic wavelength the copper layer different - characteristic maximum wavelength the discharge radiation in dependence detectable by their material composition.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallschicht und die Schichtlage(n) aus demselben Grundmaterial hergestellt werden, wobei die Schichtlage(n) zur Erzeugung unterschiedlicher charakteristischer Entladungsstrahlungen schichtweise unterschiedlich dotiert wird/werden.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the metal layer and the layer layer (s) are made of the same base material, wherein the layer layer (s) for producing different characteristic Entla radiation is doped differently in layers.

Wird als Grundmaterial (Ausgangsmaterial) in bevorzugter Realisierung des Verfahrens Kupfer verwendet, kann dieses zur Erzeugung einer schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlung schichtweise z.B. mit Aluminium und Magnesium dotiert sein.Becomes as base material (starting material) in a preferred embodiment used in the process of copper, this can be used to produce a layer-specific characteristic discharge radiation in layers, e.g. with aluminum and magnesium be doped.

Es ergäbe sich damit für eine erste Schichtlage, deren Grundwerkstoff (Kupfer) durch Einbringung eines Dotierstoffes μ (z.B. Aluminium) dotiert ist und die eine Austrittsarbeit Wa,μ aufweist, nach der Gleichung Wa,μ = h·f = h/λchar,μ (3)eine charakteristische Entladungsstrahlung mit der Wellenlänge λchar,μ, die sich den übrigen Strahlungsanteilen in der Reflexionsstrahlung überlagert.It would thus result for a first layer layer whose base material (copper) is doped by introducing a dopant μ (eg aluminum) and which has a work function W a, μ , according to the equation W a, μ = h · f = h / λ char, μ (3) a characteristic discharge radiation having the wavelength λ char, μ , which is superimposed on the remaining radiation components in the reflection radiation.

Aus der Reflexionsstrahlung wird also das sukzessive Aufschmelzen der Schichtlage(n) dadurch detektiert, dass je nach Aufschmelztiefe in der Reflexionsstrahlung unterschiedliche Strahlungsanteile (nämlich die schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlungen) erkannt werden. Daraus wird in einfacher Weise auf die aktuelle Aufschmelztiefe geschlossen. Die Auswerteeinrichtung zur Analyse der Reflexionsstrahlung bzw. deren spektraler Komponenten kann ein an sich bekanntes Spektrometer sein.Out The reflection radiation is thus the successive melting of the Layer (s) detected by the fact that depending on the melting depth in the reflection radiation different radiation components (namely the layer-specific characteristic discharge radiation) become. This will in a simple way to the current melting depth closed. The evaluation device for analyzing the reflection radiation or their spectral components can be a per se known spectrometer be.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht also darin, dass die Reflexionsstrahlung material-spezifische charakteristische Entladungsstrahlungen mit charakteristischen Wellenlängen enthält.One An essential aspect of the present invention is therefore to that the reflection radiation is material-specific characteristic Contains discharge radiation with characteristic wavelengths.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Aufschmelztiefenbestimmung in Echtzeit während des aktuellen Aufschmelzvorgangs erfolgt. Damit kann das Messergebnis unmittelbar auf die Steuerung des Aufschmelzprozesses einwirken. So lassen sich äußerst präzise gewünschte Aufschmelztiefen reproduzierbar und zuverlässig einstellen und somit die Wärmeeinbringung optimieren. Dadurch kann eine sichere Verbindung durch ausreichende Aufschmelzung sichergestellt und dennoch die Materialbelastung minimiert werden.One Advantage of the invention is that the Aufschmelztiefenbestimmung in real time during of the current melting process. This can be the measurement result act directly on the control of the reflow process. This allows extremely precise desired melting depths reproducible and reliable adjust and thus the heat input optimize. This allows a secure connection through adequate Ensuring melting and yet minimized material stress become.

Bei einer fertigungstechnisch bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Aufschmelzen der Metallschicht und zum Erzeugen der Prüfstrahlung dieselbe Lasereinrichtung verwendet wird.at a manufacturing technology preferred embodiment of the method according to the invention provided that for melting the metal layer and for generating the test radiation the same laser device is used.

Die Erfindung betrifft ferner ein Substrat zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.The The invention further relates to a substrate for use in a method according to any one of the preceding claims.

Erfindungsgemäß weist dieses Substrat einen Träger mit mehreren metallischen Schichten aus einem Grundmaterial auf, wobei jede Schicht eine individuelle Dotierung derart aufweist, dass sie bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine schichtspezifische charakteristische Entladungsstrahlung emittiert. Das Grundmaterial ist bevorzugt Kupfer.According to the invention this substrate is a carrier with several metallic layers of a base material, each layer having an individual doping such that when exposed to a test radiation a layer-specific emitting characteristic discharge radiation. The basic material is preferably copper.

Weiter bevorzugt ist die Dotierung der Schichten so gewählt, dass die jeweilige schichtspezifische Austrittsarbeit zu der obersten Schicht hin zunimmt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine verbesserte Auflösung in der spektralen Analyse der enthaltenen Strahlungsanteile (Entladungsstrahlungen).Further Preferably, the doping of the layers is selected so that the respective layer-specific Work function increases toward the top layer. This advantageously allows an improved resolution in the spectral analysis of the contained radiation components (discharge radiation).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter erläutert; es zeigen:The Invention will be further exemplified with reference to a drawing explains; show it:

1 ein bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendetes Substrat, 1 a substrate used in carrying out the method according to the invention,

2 Aufbau und Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens, 2 Construction and beginning of the process according to the invention,

3 einen Verfahrenstand, bei dem eine gewünschte Aufschmelztiefe erreicht ist, und 3 a process state in which a desired melting depth is reached, and

4 einen Verfahrenstand, bei dem die gewünschte Aufschmelztiefe überschritten ist. 4 a process state in which the desired melting depth is exceeded.

1 zeigt ein Substrat 1, das als Basis oder Träger 2 ein Keramikplättchen aufweist. Darauf sind drei Schichtlagen 3, 4, 5 aufgebracht, deren Grundmaterial beispielsweise jeweils Kupfer ist. Es sind aber auch andere Metalle als Grundmaterial denkbar. Die unterste (d.h. die basisnahe) Schichtlage 3 besteht aus magnesiumdotiertem Kupfer und weist beispielsweise eine Dicke von 100 μm auf. Die darauf ausgebildete Schichtlage 4 besteht aus aluminiumdotiertem Kupfer und hat eine Dicke von beispielsweise 50 μm. Die darauf befindliche obere Metallschicht 5 besteht aus Kupfer und ist 150 μm dick. Auf dieser Schicht ist beispielhaft ein noch dickerer Kupferschichtbereich 6 ausgebildet, der z.B. bei einer Verschaltung eines Leistungshalbleitermoduls als Lastanschluss 6a dienen kann. Grundsätzlich können auch noch weitere entsprechend individuell dotierte untere Schichtlagen vorgesehen sein, wo durch die Genauigkeit bzw. Auflösung in der nachfolgend noch ausführlich beschriebenen Aufschmelztiefenbestimmung weiter erhöht werden kann. 1 shows a substrate 1 that as a base or carrier 2 has a ceramic plate. There are three layers on it 3 . 4 . 5 applied, the base material, for example, each copper. But there are also other metals as basic material conceivable. The lowest (ie the base) layer layer 3 consists of magnesium-doped copper and has, for example, a thickness of 100 microns. The layer layer formed thereon 4 consists of aluminum-doped copper and has a thickness of for example 50 microns. The upper metal layer on top 5 is made of copper and is 150 μm thick. On this layer is an example of an even thicker copper layer area 6 formed, for example, in an interconnection of a power semiconductor module as a load terminal 6a can serve. In principle, it is also possible to provide further correspondingly individually doped lower layer layers, which can be further increased by the accuracy or resolution in the melting depth determination described below in detail.

Wie eingangs erläutert, bewirken die unterschiedlichen Dotierungen der Schichten 3, 4, 5 unterschiedliche Austrittsarbeiten. Nach dem Zusammenhang zwischen Austrittsarbeit und charakteristischer Wellenlänge ergeben sich bei Bestrahlung der Schichten mit einer Prüfstrahlung (z.B. Laserstrahlung) Entladungsstrahlungen mit jeweils einer spezifischen, schichtindividuellen Wellenlänge λchar(3), λchar(4), λchar,Cu. Die Materialwahl bzw. Dotierung ist dabei so gewählt, dass die Austrittsarbeit von der untersten Schichtlage 3 zur obersten Schicht 5 bzw. 6 hin zunimmt. Dadurch ist eine verbesserte spektrale Auflösung der Entladungsstrahlungen bzw. der spektralen Anteile der Reflexionsstrahlung möglich.As explained above, cause the under different doping of the layers 3 . 4 . 5 different work functions. According to the relationship between work function and characteristic wavelength, irradiation of the layers with a test radiation (eg laser radiation) results in discharge radiation each having a specific, layer-specific wavelength λ char (3) , λ char (4) , λ char, Cu . The choice of material or doping is chosen so that the work function of the lowest layer layer 3 to the top layer 5 respectively. 6 increases. As a result, an improved spectral resolution of the discharge radiation or the spectral components of the reflection radiation is possible.

2 zeigt einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Situation zu Verfahrensbeginn. Man erkennt das in 1 gezeigte Substrat 1 mit der aufzuschmelzenden Metallschicht 5, 6 und den darunter liegenden Schichtlagen 3, 4. Ein Bereich 7 ist mit einem Laserstrahl 8 einer Lasereinrichtung 9 beaufschlagt. Der Laserstrahl bringt hochkonzentriert und lokal begrenzt eine hohe Energie in das Schichtmaterial ein, wodurch dieses über seinen Schmelzpunkt erwärmt, also aufgeschmolzen wird. Ein Teil der Laserstrahlung dient als Prüfstrahlung 10, indem nämlich ein Teil der Strahlung an der Schicht 5, 6 reflektiert wird und als Reflexionsstrahlung 11 zu einer Auswerteeinrichtung 12 zurückgeworfen wird. Die Auswerteeinrichtung 12 ist ein übliches Glimmentladungsspektrometer (GDOS). Dies kann einen Detektionsbereich von 100 nm bis 1000 nm Wellenlänge haben. Das Detektions- bzw. Ausgangssignal 14 des Spektrometers 12 kann als Steuersignal für die Steuerung der Lasereinrichtung dienen. Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass für das eigentliche Aufschmelzen und für die Prüfstrahlung dieselbe Strahlungsquelle, nämlich hier die Lasereinrichtung 9, verwendet wird. 2 shows a structure for carrying out the method according to the invention and the situation at the beginning of the procedure. You can see that in 1 shown substrate 1 with the metal layer to be melted 5 . 6 and the underlying layers 3 . 4 , An area 7 is with a laser beam 8th a laser device 9 applied. The laser beam brings highly concentrated and locally limited high energy into the layer material, whereby this is heated above its melting point, that is melted. Part of the laser radiation serves as test radiation 10 in that a part of the radiation on the layer 5 . 6 is reflected and as reflection radiation 11 to an evaluation device 12 is thrown back. The evaluation device 12 is a common glow discharge spectrometer (GDOS). This may have a detection range of 100 nm to 1000 nm wavelength. The detection or output signal 14 of the spectrometer 12 can serve as a control signal for the control of the laser device. A particular advantage of this embodiment is that for the actual melting and for the test radiation the same radiation source, namely here the laser device 9 , is used.

Das Aufschmelzen kann zur Laserschweißung dienen, um z.B. eine nur gestrichelt angedeutete Anschlussleitung 15 an dem Lastanschluss 6a zu fixieren.The melting can be used for laser welding, for example, a connection line indicated only by dashed lines 15 at the load connection 6a to fix.

In der in 2 gezeigten Situation hat der Aufschmelzprozess erst begonnen; der bereits aufgeschmolzene Bereich 7 befindet sich noch vollständig in der Metallschicht 5 bzw. 6. Deshalb ist in der Reflexionsstrahlung die Entladungsstrahlung von Kupfer als maximale Wellenlänge detektierbar. Dies ist im unteren Teil der 2 dargestellt, in dem schematisch die Intensität I über der detektierten Wellenlänge λ aufgetragen ist. Die detektierte maximale Wellenlänge ist hier die charakteristische Wellenlänge von Kupfer, λchar,Cu Das zeigt an, dass die Ziel-Aufschmelztiefe noch nicht erreicht ist, weil die darunter liegende, als Indikator einer fortgeschrittenen Aufschmelztiefe dienende Schichtlage 4 noch nicht bloßgelegt ist und deshalb noch keine Reflexion erzeugen kann.In the in 2 As shown, the reflow process has only begun; the already molten area 7 is still completely in the metal layer 5 respectively. 6 , Therefore, in the reflection radiation, the discharge radiation of copper can be detected as the maximum wavelength. This is in the lower part of the 2 represented, in which the intensity I is plotted against the detected wavelength λ schematically. Here, the detected maximum wavelength is the characteristic wavelength of copper, λ char, Cu. This indicates that the target reflow depth has not yet been reached, because the underlying layer layer serving as an indicator of an advanced reflow depth 4 not yet exposed and therefore can not generate any reflection yet.

In der in 3 – unter Verwendung derselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 für identische oder gleiche Elemente – gezeigten Situation ist der Aufschmelzprozess in den Bereich 7' fortgeschritten. Man erkennt, dass das Material der (dotierten) Kupfer-Schichtlage 4 vom Laserstrahl 8 erreicht und aufgeschmolzen worden ist. Deshalb enthält die Reflexionsstrahlung 11' sowohl (weiterhin) die Entladungsstrahlung λchar,Cu der Schicht 5 bzw. 6 als auch die Entladungs strahlung λchar(4) der Schichtlage 4. Da nun – wie im unteren Bereich der 3 im Intensitäts-Wellenlängen-Diagramm dargestellt – die beiden spezifischen charakteristischen, schichtindividuellen Wellenlängen λchar(4) und λchar,Cu vom Spektrometer detektiert werden, kann in einfacher Weise darauf geschlossen werden, dass eine Aufschmelztiefe bis zur Schicht 4 erreicht ist. Im Ausführungsbeispiel war angenommen (vgl. 1), dass die Metallschicht 5 aus Kupfer 150 μm dick ist. Wenn dies die gewünschte Mindest-Aufschmelztiefe der Schichtlage 5 ist, ist damit das Erreichen der gewünschten Aufschmelztiefe angezeigt und der Aufschmelzprozess kann hier beendet werden. Als Rest-Aufschmelztiefe verbleibt insoweit zumindest ein Anteil der Schichtdicke (im Beispiel 100 μm) der Schicht 4.In the in 3 - using the same reference numerals as in 1 and 2 for identical or identical elements - the situation shown is the reflow process in the area 7 ' advanced. It can be seen that the material of the (doped) copper layer layer 4 from the laser beam 8th has been reached and melted. Therefore, the reflection radiation contains 11 ' both (further) the discharge radiation λ char, Cu of the layer 5 respectively. 6 as well as the discharge radiation λ char (4) of the layer layer 4 , Since now - as in the lower part of the 3 shown in the intensity-wavelength diagram - the two specific characteristic, layer-specific wavelengths λ char (4) and λ char, Cu are detected by the spectrometer, it can be concluded in a simple manner that a melting depth up to the layer 4 is reached. In the exemplary embodiment was assumed (see. 1 ) that the metal layer 5 made of copper is 150 microns thick. If this is the desired minimum reflow depth of the layer layer 5 is, so that the achievement of the desired melting point is displayed and the melting process can be terminated here. At least a portion of the layer thickness (in this example 100 μm) of the layer remains as the residual melting depth 4 ,

4 zeigt – unter Verwendung derselben Bezugszeichen wie in den 1 bis 3 für identische oder gleiche Elemente – den weiter in den Bereich 7'' fortgeschritten Aufschmelzvorgang. Hier ist auch das Material der Schichtlage 4 im Aufschmelzbereich 7'' vollständig aufgeschmolzen und der Laserstrahl 8 erreicht die Schichtlage 3. Deshalb enthält die Reflexionsstrahlung 11'' sowohl (weiterhin) die Entladungsstrahlung λchar,Cu der Schicht 5 bzw. 6 und die Entladungsstrahlung λchar(4) der Schichtlage 4 als auch die Entladungsstrahlung λchar(3) der Schichtlage 3. Da nun – wie im unteren Bereich der 4 im Intensitäts-Wellenlängen-Diagramm J/λ dargestellt – die spezifischen charakteristischen, schichtindividuellen Wellenlängen λchar(4), λchar(3) und λchar,Cu) vom Spektrometer detektiert werden, zeigt dies in einfacher Weise an, dass die Aufschmelztiefe bis zur Schichtlage 3 reicht. Damit ist nach dem Ausführungsbeispiel (mit der Annahme einer gewünschten Aufschmelztiefe von 150 μm) ersichtlich, dass die gewünschte Aufschmelztiefe mit der tatsächlichen Aufschmelztiefe von mindestens 250 μm (Summe der Dicken der Schichten 4 und 5) überschritten ist. 4 shows - using the same reference numerals as in 1 to 3 for identical or similar elements - the farther in the range 7 '' advanced melting process. Here is the material of the layer layer 4 in the melting area 7 '' completely melted and the laser beam 8th reaches the layer position 3 , Therefore, the reflection radiation contains 11 '' both (further) the discharge radiation λ char, Cu of the layer 5 respectively. 6 and the discharge radiation λ char (4) of the layer layer 4 as well as the discharge radiation λ char (3) of the layer layer 3 , Since now - as in the lower part of the 4 shown in the intensity-wavelength diagram J / λ - the specific characteristic, layer-specific wavelengths λ char (4) , λ char (3) and λ char, Cu) are detected by the spectrometer, this indicates in a simple manner that the melting depth to to the layer position 3 enough. Thus, according to the exemplary embodiment (assuming a desired melting depth of 150 μm), it can be seen that the desired melting depth with the actual melting depth of at least 250 μm (sum of the thicknesses of the layers 4 and 5 ) is exceeded.

Man erkennt in dem Intensitäts-Wellenlängen-Diagramm J/λ auch, dass λchar(4) < λchar(3) ist; somit ist die Austrittsarbeit der Schicht 4 größer ist als die der Schicht 3, was eine verbesserte spektrometrische Auflösung ermöglicht.It can also be seen in the intensity-wavelength diagram J / λ that λ char (4)char (3) ; thus the work function of the layer 4 is greater than that of the layer 3 , which allows for improved spectrometric resolution.

Statt der Anzeige des Überschreitens der gewünschten Aufschmelztiefe könnten die Schichtlage 3 und ggf. weitere darunter liegende Schichtlagen zu einer noch feineren Auflösung der Bestimmung der Aufschmelztiefe verwendet werden. Das Prinzip der Erfindung ist somit ersichtlich nicht auf drei unterschiedlich dotierte Schichten beschränkt.Instead of indicating the exceeding of the desired reflow depth, the layer layer could 3 and optionally further underlying layers to an even finer resolution of the determination of Melting depth can be used. The principle of the invention is thus obviously not limited to three differently doped layers.

Mit dem beschriebenen Verfahren kann mit einfachen Mitteln während der Laserschweißung der Schicht 5, 6 kontinuierlich – quasi online – die aktuelle Aufschmelztiefe mit relativ geringem Aufwand präzise überwacht und gesteuert werden.With the described method can by simple means during the laser welding of the layer 5 . 6 continuously - quasi online - the current melting depth can be precisely monitored and controlled with relatively little effort.

Die Erfindung wurde voranstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Insbesondere wurden hier beispielhaft für die verschiedenen Schichtlagen 3, 4, 5, 6 bestimmte Materialien genannt. Das erfindungsgemäße Prinzip ist jedoch nicht auf die Verwendung der genannten Materialien beschränkt sondern erstreckt sich auf beliebige Kombinationen von Materialien der verschiedenen Schichtlagen, wobei die oberste Schichtlage 5 und/oder 6 des Trägers 2, die aufgeschmolzen werden soll, bevorzugt aus einem Metall oder einer Legierung gebildet ist.The invention has been described above with reference to preferred embodiments. In particular, here are examples of the different layers 3 . 4 . 5 . 6 called certain materials. However, the inventive principle is not limited to the use of said materials but extends to any combination of materials of the different layer layers, wherein the top layer layer 5 and or 6 of the carrier 2 which is to be melted, preferably formed from a metal or an alloy.

II
Intensitätintensity
λλ
detektierte Wellenlängedetected wavelength
λchar,Me λ char, Me
Wellenlängewavelength
λchar,Cu λ char, Cu
Wellenlängewavelength
λchar(3) λ char (3)
Wellenlängewavelength
λchar(4) λ char (4)
Wellenlängewavelength
Wa,Me W a, Me
Austrittsarbeitwork function
Wa,Cu W a, Cu
Austrittsarbeitwork function
11
Substratsubstratum
22
Trägercarrier
33
Schichtlagelayer sheet
44
Schichtlagelayer sheet
55
Schichtlagelayer sheet
66
KupferschichtbereichCopper layer region
6a6a
Lastanschlussload connection
77
BereichArea
7'7 '
BereichArea
7''7 ''
BereichArea
88th
Laserstrahllaser beam
99
Lasereinrichtunglaser device
1010
Prüfstrahlungprobing
1111
Reflexionsstrahlungreflected radiation
11'11 '
Reflexionsstrahlungreflected radiation
11''11 ''
Reflexionsstrahlungreflected radiation
1212
Auswerteeinrichtungevaluation
1414
Ausgangssignaloutput
1515
Anschlussleitungconnecting cable

Claims (7)

Verfahren zum Bestimmen der Aufschmelztiefe während des Aufschmelzens einer Metallschicht (5, 6), bei dem – unter der Metallschicht (5) eine oder mehrere Schichtlage(n) (3, 4) vorgesehen wird/werden, die bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung eine jeweils schichtspezifische, zu der Metallschicht unterschiedliche charakteristische Entladungsstrahlung (λchar(4), λchar(3)), emittiert/emittieren, – während des Aufschmelzens der Aufschmelzbereich (7, 7', 7'') mit einer Prüfstrahlung (10) beaufschlagt wird und – aus der reflektierten Prüfstrahlung (11) das Aufschmelzen der Schichtlage(n) (5, 4, 3) durch Detektieren der schichtspezifischen charakteristischen Entladungsstrahlung (λchar,Cu, λchar(4), λchar(3)) erkannt und daraus auf die Aufschmelztiefe geschlossen wird.Method for determining the melting depth during the melting of a metal layer ( 5 . 6 ), in which - under the metal layer ( 5 ) one or more layer (s) ( 3 . 4 ) is / are provided, which when exposed to a test radiation in each case a layer-specific, different to the metal layer characteristic discharge radiation (λ char (4) , λ char (3) ), emit / emit, - during the melting of the melting area ( 7 . 7 ' . 7 '' ) with a test radiation ( 10 ) and - from the reflected test radiation ( 11 ) the melting of the layer layer (s) ( 5 . 4 . 3 ) is detected by detecting the layer-specific characteristic discharge radiation (λ char, Cu , λ char (4) , λ char (3) ) and from this the melting depth is concluded. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die Metallschicht (5, 6) und die Schichtlage(n) (3, 4) aus demselben Ausgangsmaterial hergestellt werden, wobei die Schichtlage(n) (3, 4) zur Erzeugung unterschiedlicher charakteristischer Entladungsstrahlungen (λchar,Cu, λchar(4), λchar(3))schichtweise unterschiedlich dotiert wird/werden.Method according to claim 1, in which - the metal layer ( 5 . 6 ) and the layer layer (s) ( 3 . 4 ) are produced from the same starting material, the layer layer (s) ( 3 . 4 ) is doped differently in layers in order to produce different characteristic discharge radiation (λ char, Cu , λ char (4) , λ char (3) ). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem – die reflektierte Prüfstrahlung (11) mittels eines Spektrometers (12) überwacht wird.Method according to one of claims 1 or 2, in which - the reflected test radiation ( 11 ) by means of a spectrometer ( 12 ) is monitored. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – zum Aufschmelzen der Metallschicht (5, 6) und zum Erzeugen der Prüfstrahlung (10) dieselbe Lasereinrichtung (9) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, in which - for melting the metal layer ( 5 . 6 ) and for generating the test radiation ( 10 ) the same laser device ( 9 ) is used. Substrat zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei – auf einem Träger (2) mehrere metallische Schichten (5, 4, 3) aus einem Grundmaterial aufgebracht sind, wobei jede Schicht (5, 4, 3) eine individuelle Dotierung derart aufweist, dass sie bei Beaufschlagung mit einer Prüfstrahlung (10) eine schichtspezifische charakteristische Entladungs-Strahlung (λchar,Cu, λchar(4), λchar(3)) emittiert.Substrate for use in a method according to any one of the preceding claims, wherein - on a support ( 2 ) several metallic layers ( 5 . 4 . 3 ) are applied from a base material, each layer ( 5 . 4 . 3 ) has an individual doping such that when exposed to a test radiation ( 10 ) emits a layer-specific characteristic discharge radiation (λ char, Cu , λ char (4) , λ char (3) ). Substrat nach Anspruch 5, wobei – das Grundmaterial Kupfer ist.The substrate of claim 5, wherein - the basic material Copper is. Substrat nach Anspruch 5 oder 6, wobei – die Dotierung der Schichten (5, 4, 3) so gewählt ist, dass die jeweilige schichtspezifische Austrittsarbeit zu der obersten Schicht (5) hin zunimmt.Substrate according to claim 5 or 6, wherein - the doping of the layers ( 5 . 4 . 3 ) is selected such that the respective layer-specific work function to the uppermost layer ( 5 ) increases.
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