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Die Erfindung betrifft eine Laserfügemaschinen-Reinhaltungseinheit einer Laserbondvorrichtung.
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Verfahren zum Herstellen einer gebondeten selbsttragenden Leiter-Verbindung zwischen zwei Bondstellen, an denen jeweils in einem Bondschritt eine stoffschlüssige Verbindung des selbsttragenden Leiters mit einer Bondfläche hergestellt wird und zwischen denen der Leiter in einer Bondloop verläuft, sind seit langem bekannt und im praktischen Einsatz. Sie dienen insbesondere zur Herstellung von Verbindungen zwischen elektronischen Bauelementen oder Schaltkreisen mit zugeordneten Trägern oder anderen Bauteilen.
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In der Vergangenheit wurden zur Herstellung solcher Verbindungen Drähte mit kreisförmigem Querschnitt, applikations-abhängig insbesondere aus Gold oder Aluminium, eingesetzt. Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen mit den Bondflächen dienen insbesondere Ultraschall-Drahtbonder, die auf dem Prinzip des Reibschweißens basieren, sowie sog. Ball-Bonder. Derartige Bondvorrichtungen sind marktgängig.
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In den letzten Jahren hat sich der Anwendungsbereich der genannten Verfahren wesentlich erweitert, insbesondere in die Bereiche der Leistungselektronik und der Batterietechnik. In diesen Anwendungsfeldern sind typischerweise über die Leiter-Verbindungen wesentlich höhere Ströme zu übertragen als mit Bonddrähten in den früher dominierenden Anwendungen bei der Verdrahtung von Logik- und Speicherschaltungen und anderen Komponenten der Signalelektronik. Hierfür sind wesentlich höhere Leiterquerschnitte erforderlich. In diesen Applikationen werden zunehmend bandförmige Leiter eingesetzt. Neuerdings werden auch Bändchen aus Kupfer verwendet.
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Die Verarbeitung von Leiterdrähten mit großem Durchmesser und Bändchen stößt bei den traditionellen Bondverfahren an prinzipbedingte Grenzen.
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Es wurden daher zur stoffschlüssigen Verbindung der Leiter mit den entsprechenden Kontaktflächen Laserschweißverfahren bzw. Kombinationen aus Ultraschall-Bondverfahren und dem Laserschweißen entwickelt. Entsprechende Verfahren und Bondvorrichtungen - verkürzt bezeichnet als Laserbonder - sind beispielsweise in der
DE 10 2017 217 671 A1 oder
DE 10 2018 209 133 A1 offenbart und werden von der Anmelderin angeboten.
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Das Fügewerkzeug eines Laserbonders, nachfolgend bezeichnet als Laserbondwerkzeug, hat üblicherweise eine langgestreckte Gestalt, ähnlich der eines herkömmlichen Bondwerkzeugs, welches beim seit Langem bekannten Ultraschallbonden eingesetzt wird. Das Laserbondwerkzeug hat aber an seinem oberen Ende eine Optik zur Einkopplung eines Laserstrahls sowie einen zur unteren Stirnfläche (Arbeitsfläche) des Werkzeuges hin offenen Laserstrahlkanal, auch bezeichnet als „Strahlraum“. In diesem Strahlraum verläuft der im Betrieb des Laserbonders auf die Bondstelle gerichtete Laserstrahl.
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Die schlagartige Einwirkung einer hohen Laserstrahlenergie auf das Material an der Bondstelle, insbesondere ein Bondelement, führt unweigerlich dazu, dass eine gewisse Materialmenge von der Oberfläche weg und in den Strahlraum hineinspritzt. Dadurch wird das Innere des Laserbondwerkzeugs und insbesondere die Optik an dessen oberem Ende verschmutzt.
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Die Schweißspritzer oder der Schmauch, der ebenfalls beim Laserfügeprozess (insbesondere Laserbondprozess) entstehen kann, können sich in Richtung der Optik bewegen und sich darauf absetzen und die Transmission des letzten optischen Elementes beeinflussen. Heiße Schweißspritzer können außerdem eventuell vorgesehene Beschichtungen oder die Oberfläche des freiliegenden Optik-Elementes zerstören.
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Imperfektionen an der Oberfläche oder eine verminderte Transmission dieses Elementes können den Prozess auf mehrere Arten grundlegend beeinflussen. Einerseits kann der Laserstrahl ungewollt gestreut werden, was die effektiv eingebrachte Leistung am Schweißpunkt verringert und die Gefahr birgt, dass der am Werkstück außerhalb der Schweißstelle reflektierte Strahl Schaden in der nicht unmittelbaren Schweißumgebung anrichtet. Andererseits wird die eingebrachte Energie des Lasers zu einem höheren Grad vom verschmutzten optischen Element absorbiert, wodurch sich dieses aufheizt und zerstört werden kann.
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Aus den genannten Gründen sollte es verhindert werden, dass Schweißspritzer und Schmauch aus der Schweißstelle die Optik erreichen.
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Der Stand der Technik für aus diesen Gründen entwickelte Schutzmechanismen umfasst spezielle Reinhaltungseinheiten, sogenannte Cross-Jet-Einheiten. Dabei handelt es sich um mechanische Komponenten, die zwischen der Optik und der Schweißstelle montiert sind. Durch diese Einheiten wird ein seitlich, meist senkrecht zur Laserstrahlrichtung gerichteter Luftstrahl generiert, der sogenannte Cross-Jet, welcher durch eine Einlassöffnung in den Strahlraum eingeleitet und normalerweise durch eine Ausgangsöffnung aus dem Strahlraum ausgeleitet wird. Dadurch können Schweißspritzer und Schmauch auf ihrer Bahn Richtung Optik abgelenkt und seitlich durch die Ausgangsöffnung aus dem Strahlraum ausgeleitet werden. Hier sind unterschiedliche Konfigurationen bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Laserfügemaschinen-Reinhaltungseinheit der genannten Art bereitzustellen, mit der insbesondere eine verbesserte Reinhaltung des gesamten Arbeitsraumes während eines Laserfügeprozesses erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Laserfügemaschinen-Reinhaltungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüchen. Es wird des Weiteren ein Laserbondwerkzeug einer Laserbondvorrichtung mit einer integrierten Reinhaltungseinheit dieser Art angegeben.
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Die Erfindung schließt den Gedanken ein, mit der in einer Laserfügevorrichtung integrierten Reinhaltungseinheit nicht nur eine Reinhaltung der Optik zu erreichen, über die der beim Prozess genutzte Laserstrahl in den Strahlraum gelangt, sondern diese Einheit überdies zur weitgehenden Reinhaltung sonstiger Oberflächen im gesamten Prozessraum zu nutzen. Nach den Erkenntnissen der Erfinder kann auch die Beaufschlagung sonstiger Oberflächen im Arbeits- bzw. Prozessraum mit Schweißspritzern oder Ablagerungen aus dem Schmauch vorkommen und insbesondere zu Qualitätsverschlechterungen an den Werkstücken führen. Deren Unterbindung könnte beispielsweise durch Abdeckungen über den Werkstücken erfolgen, was aber relativ aufwändig in die Laserfügeprozesse zu integrieren wäre und zu erhöhten Kosten führen würde. Mit der Erfindung wird daher vorgesehen, an einem Grundkörper der Reinhaltungseinheit, und zwar an der Mündung des in dessen Wandung vorgesehenen Abluftkanals, einen aktiven Partikelabscheider anzufügen.
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Die beschriebene Schutzeinrichtung erfüllt damit mehrere Zwecke. Zum einen lenkt sie Schmauch und Schweißspritzer, welche sich auf der dem Werkstück zugewandten Oberfläche de Laserstrahloptik absetzen würden, in ihrer Bahn ab, sodass dies nicht passiert. Zum anderen wird der optische Zugang zwischen Optik und Schweißstelle nicht eingeschränkt. Weiterhin können Schmauch und Partikel im Zyklonabscheider voneinander getrennt werden.
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Durch die Abscheidung von prozessrelevanten Partikeln nahe der Prozessstelle ist keine zusätzliche Abführung von Schmauch und Schweißspritzern notwendig. Dies vereinfacht den Aufbau der Schweißvorrichtung, da beispielsweise keine Unterdruckerzeugungseinheit mit eigener Filter- oder Zyklon-Einheit benötigt wird. Außerdem wird ein Warten der Leitungen umgangen, die die kontaminierte Luft ableiten und potenziell verdrecken können. Stattdessen werden Partikel an einem gut erreichbaren Ort gesammelt, der mit geringem Aufwand gereinigt werden kann.
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Der Partikelabscheider ist derart ausgebildet, dass er sowohl das Material von Schweißspritzern als auch gröberer Partikel aus dem Schmauch aus der Abluft der Reinigungseinheit abscheidet und hierdurch deren Absetzen auf Oberflächen im Arbeitsraum verhindert.
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In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Partikelabscheider vom Zyklon-Typ. Daneben sind andere technische Realisierungen des Abscheiders möglich, die feste Partikel aufgrund ihrer Trägheit mithilfe von Zentrifugaleffekten aus der kontaminierten Luft extrahieren und die dem aktuellen technischen Stand entsprechen.
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In weiteren bevorzugten Ausführungen weist der Partikelabscheider einen heraus- oder abnehmbaren Partikelsammelbehälter auf. In diesen Ausführungen kann nach Bedarf eine Entleerung des Partikelabscheiders erfolgen, ohne ihn als solchen von der Reinhaltungseinheit lösen zu müssen oder die Reinhaltungseinheit insgesamt aus dem Arbeitsraum herausnehmen zu müssen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass am Partikelabscheider eine Absaugeinrichtung zur Absaugung der von Partikeln befreiten Abluft vorgesehen ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Austreten der Abluft in den Arbeitsraum unterbunden werden, sofern dies aus Gründen der Prozessführung wünschenswert ist. Insbesondere kann der verbliebene Schmauch kontrolliert von der Prozessstelle abgeleitet werden, während der entstehende Unterdruck die Zyklon-Wirkung im Abscheider noch verbessern kann.
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Die hohen Fließgeschwindigkeiten der Luft des Cross-Jets können außerdem zum zusätzlichen Abführen von Schmauch genutzt werden. Dabei kann der durch den Bernoulli-Effekt verringerte statische Druck einen Saugeffekt bei einem in den Strömungskanal mündenden weiteren Saugkanal erzeugen. Mündet dieser Saugkanal wiederum nahe der Prozessstelle, kann der Schmauch direkt abgesaugt werden, noch bevor er den Cross-Jet erreicht. In dieser Konfiguration ist weiterhin keine Absaugung notwendig. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Reinhaltungseinheit jedoch mit einer integrierten Absaugung versehen sein.
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Die erwähnten hohen Fließgeschwindigkeiten sind vorteilhaft insbesondere realisierbar mit einer an die äußere Öffnung des Zuluftkanals angesetzten Druckluft-Erzeugungseinheit.
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Zweckmäßig ist des Weiteren eine Ausführung, bei der der Zuluftkanal einen sich von der Außenseite zum Strahlraum hin düsenartig verringernden Querschnitt aufweist.
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In einer konstruktiven Ausgestaltung hat der Partikelabscheider ein einstückig mit dem Grundkörper geformtes Gehäuse. Alternativ kann der Partikelabscheider als separate Baueinheit ausgeführt und, insbesondere lösbar, mit dem Grundkörper verbunden sein.
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Ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Laserbondwerkzeug einer Laserbondvorrichtung kann zudem mit einer werkzeug-integrierten Reinhaltungseinheit der oben erläuterten Art versehen sein. Über den Einsatz bei Bondmaschinen hinaus, kann die Erfindung auch bei andersartigen Laserfügewerkzeugen und -vorrichtungen vorteilhaft Anwendung finden, insbesondere sofern es auch dort optische Elemente oder auch andere empfindliche Oberflächen im Arbeitsraum vor der Ablagerung von Schweißspritzern oder sonstigen Partikeln zu schützen gilt.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
- 1 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Laserfügemaschinen-Reinhaltungseinheit in einer schematischen Längsschnittdarstellung und
- 2 eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Laserfügemaschinen-Reinhaltungseinheit in einer schematischen Längsschnittdarstellung.
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1 zeigt eine beispielhafte Laserfügemaschinen-Reinhaltungseinheit 1 in der bestimmungsgemäßen Anordnung zwischen einer Optik 2 einer (im Übrigen nicht gezeigten) Laserstrahl-Schweißvorrichtung und einem Werkstück 3.
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Die Reinhaltungseinheit 1 hat einen ringförmigen Grundkörper 4, der einen zentralen Strahlraum 4a umgibt, in dem sich ein von der Optik 2 kommender Laserstrahl 5 in Richtung zum Werkstück 3 ausbreitet. In der Wandung des Grundkörpers ist ein von dessen Außenseite in den Strahlraum 4a verlaufender Zuluftkanal 4b und, diesem gegenüberliegend, ein aus dem Strahlraum zur Außenseite des Grundkörpers verlaufender Abluftkanal 4c ausgebildet. Der Abluftkanal 4c mündet in einen hier einstückig mit dem Grundkörper 4 ausgeführten Partikelabscheider 6 vom Zyklon-Typ.
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Beim Auftreffen des energiereichen Laserstrahls 5 auf das Werkstück 3 entstehen Schweißspritzer 3a und (nicht dargestellter) Schmauch, die sich in Richtung des Grundkörpers 4 bewegen und insbesondere in den Strahlraum 4a eindringen. Dort werden sie von einem durch den Zyklon-Abscheider 6 im Zuluftkanal 4b erzeugten Luftstrom 7 hoher Fließgeschwindigkeit erfasst und in den Abluftkanal 4c abgelenkt. Anschließend trennt der Zyklon-Abscheider 6 die Schweißspritzer vom Gas und sammelt diese in einem Partikelsammelabschnitt 6a. Die von Partikeln befreite Abluft tritt aus Austrittsöffnungen 6b des Zyklon-Abscheiders 6 aus.
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Durch diese spezielle Anordnung kann die Reinhaltungseinheit ausschließlich durch einen Hochdruck-Luftanschluss betrieben werden. Der Zyklon-Abscheider arbeitet dementsprechend nicht konventionell, indem die Luft durch einen Unterdruck abgesaugt wird, sondern indem sie mit Überdruck in den Abscheider eingeführt wird.
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Letzteres ist speziell dargestellt in 2, in der nahe der Einmündung in den Zuluftkanal 4b des Gehäuses 4 schematisch eine Druckluft-Erzeugungseinheit 8 gezeigt ist. Die in dieser Figur gezeigte Laserfügemaschinen-Reinhaltungseinheit 1' ist gegenüber der Ausführung nach 1 noch in zwei weiteren Aspekten modifiziert:
- Zum einen verfügt der Partikelabscheider 6 über einen abnehmbaren Partikelsammelbehälter 6a', und zum anderen hat er eine Saugleitung 6c'. Die freie Öffnung dieser Saugleitung 6c' liegt nahe der Prozessstelle, so dass der Schmauch direkt abgesaugt werden kann, noch bevor er den „Cross-Jet“ im Inneren des Strahlraumes 4a erreicht.
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Die Ausführung der Erfindung ist in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
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Bezugszeichen
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- 1, 1'
- Laserfügemaschinen-Reinhaltungseinheit
- 2
- Optik
- 3
- Werkstück
- 4
- Grundkörper
- 4a
- Strahlraum
- 4b
- Zuluftkanal
- 4c
- Abluftkanal
- 5
- Laserstrahl
- 6
- Zyklon-Abscheider
- 6a
- Partikelsammelabschnitt
- 6a'
- Partikelsammelbehälter
- 6b
- Austrittsöffnungen
- 6c'
- Saugleitung
- 7
- Luftstrom
- 8
- Druckluft-Erzeugungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2017 217 671 A1 [0006]
- DE 10 2018 209 133 A1 [0006]