Die Aachener Forscher präsentierten eine völlig neue laserbasierte Fügetechnik, die für Schwung in der Elektronikproduktion sorgen soll. Fünf Buchstaben stehen für eine Aachener Entwicklung, die Spezialisten aus der Elektronikfertigung inspirieren soll: Die Rede ist von LIMBO, dem Kürzel für „Laser Impulse Metal Bonding“. „Das neue Verfahren erweitert die Prozessgrenzen des sonst üblichen Laserschweißens und Lötens erheblich“, erklärt Dipl.-Ing. Simon Britten, Leiter des Projekts LIMBO. „Es erschließt völlig neue Anwendungsfelder beim Fügen von temperaturempfindlichen Bauteilen.“ Innerhalb von drei Jahren entstand ein thermischer Fügeprozess, der die Prozessgrenzen üblicher Verfahren überwindet und nur ein Minimum an Energie in das Bauteil einbringt.
Auf dem Weg in die Zukunft: Am sogenannten Campus Melaten forschen die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. © Fraunhofer ILT, Aachen
Damit wird es erstmals möglich, dicke Verbinderleiter direkt mit Kontaktstellen von Leistungselektronik-Komponenten zu verbinden. Diese sind wiederum häufig mit sensiblen, schnell schaltenden Chips, etwa für Windkraftanlagen oder Elektrofahrzeuge, ausgerüstet und bedürfen einer schonenden Bearbeitung. Im Gegensatz zum Löten sind die LIMBO-Verbindungen hochtemperaturfest und zeigen im Vergleich zum konventionellen Schweißen und Bonden nur geringste Einflüsse auf das Bauteil.
Cool gefügt: „dicke“ Verbinderleiter auf sehr dünne Metallisierung bringen
„Mit LIMBO können wir nun auch Verbinderleiter mit einer Dicke von 200 µm und mehr auf dünne Metallisierungen thermisch fügen“, sagt der Experte für Mikrofügen. Das Geheimnis besteht in dem Aufbrechen des klassischen Schweißprozesses mit den Phasen Erhitzen und Fügen. Im Gegensatz zu sonst üblichen elektrischen Verbindungen werden durch die Verfahrenstechnik Bauteil und Verbinder thermisch isoliert betrachtet. Britten: „Wir steuern den insgesamt nur weniger als 20 Millisekunden dauernden Prozess so, dass die Anbindung im Wesentlichen durch einen Schmelzetransfer erfolgt.“
Das LIMBO-Verfahren lässt sich insbesondere dort anwenden, wo die Metallisierungsschicht 10 – 20 Mikrometer Dicke aufweist und Verbinderdicken von einigen 100 Mikrometern verwendet werden. Auf der productronica demonstrierte das Fraunhofer ILT das Verfahren mit einem Faserlaser (Wellenlänge: 1070 nm). „Für das Verfahren eignen sich alle Laserstrahlquellen, die sich im Bereich von Milli- bis Mikrosekunden modulieren lassen“, erläutert der Wissenschaftler. Aufgrund der kurzen Einwirkzeit wird für den Prozess eine Laserleistung von etwa zwei Kilowatt benötigt, beim Faserlaser reichen bereits rund 500 Watt.
Querschliff einer LIMBO-Fügeverbindung zwischen einem 200 µm dicken Kupferverbinders und einer metallisierten Leiterplatte. © Fraunhofer ILT, Aachen
Nach der Grundlagenarbeit des Fraunhofer ILT steht für den Projektleiter und sein Team fest, dass und wie LIMBO prozesssicher arbeitet. Dank einer niedrigen Einschweißtiefe von weniger als 20 Mikrometer kann LIMBO insbesondere für die Bearbeitung wärmeempfindlicher sensibler Bauteile eingesetzt werden, wobei die Palette für mögliche Anwendungen sehr breit ist: Sie reicht von Hochleistungskontaktierungen in der Umrichtertechnik für alternative Energien, beispielsweise für die Wechselrichter von Windkraftanlagen, bis hin zur Leistungskontaktierung in Batterietechnik und Elektromobilität. „Wir helfen unseren Kunden, den Prozess an ihre Anwendung mit Hilfe von Funktionsmustern anzupassen.“