MIT METALL/KERAMIK, MIT EINEM LASERSTRAHL

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner an deren Fügeorten, wobei ein Fügepartner aus einer Keramik und der andere Fügepartner aus einem Metall oder einer Keramik besteht.

Aus dem Stand der Technik ist aus der Elektronik das Verbinden von Metallen mit Keramik über Metallisierungen bekannt, zum Beispiel vom Dünnfilm über Aktivlot über Dickfilm bis zu Wolframsintermetallisierungen, alle eventuell verstärkt durch galvanische Metallabscheidungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff so zu verbessern, dass es einfach anzuwenden ist und trotzdem eine dauerhaft anhaltende Verbindung schafft.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Fügepartner einander an den Fügeorten sich berührend angeordnet werden und ein Laserstrahl so auf einen der Fügepartner an den Fügeorten gerichtet wird, dass er diesen Fügepartner durchschießt und zumindest teilweise in den anderen Fügepartner eindringt.

Es kommt je nach der Atmosphäre durch den der Laserstrahl gelenkt wird zur Bildung eines Schmauchs bzw. Reaktionsprodukts. Dieser Schmauch kondensiert zumeist innerhalb des eingeschossenen Schlitzes und verschweisst unerwartet beide Fügepartner. Der vom Laserstrahl eingeschossene Schlitz füllt sich also mit dem Reaktionsprodukt und beide Partner werden fest miteinander verbunden. Bevorzugt besteht der Fügepartner aus Keramik aus Aluminiumnitrid AINi und der Fügepartner aus Metall aus Aluminium. Das Reaktionsprodukt oder der Schmauch besteht dann aus Aluminium, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid.

Dieses Verfahren kann so zur Verbindung einer Keramik mit einem Metall, wie AINi/Aluminium oder einer Keramik mit einer anderen identischen oder anderen Keramik verwendet werden.

In bevorzugter Ausführungsform wird der Laserstrahl auf die Keramik und nicht auf das Metall gerichtet. Hierdurch wird ein weniger starker Laser benötigt. Wenn der Laserstrahl auf den Fügepartner aus Metall gerichtet werden würde, würde das Metall die Energie des Laserstrahls zu schnell ableiten, so dass das Metall am Fügeort auf einer größeren Fläche schmelzen würde.

Vorteilhafterweise werden vom Laserstrahl Schlitze mit einer Länge von 1 bis 5 mm, besonders bevorzugt von 3 mm eingeschossen. Bei diesen Längen der Schlitze ist die Trennkraft der Fügepartner ausreichend. Eine Länge von 3 mm hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen. Im Versuch wurde bei einer Länge von 3 mm eine Trennkraft von 50 N erzielt.

Um die Trennkraft auf einer größeren Fläche zu verteilen, wird bevorzugt vom Laserstrahl ein Muster aus einzelnen Schlitzen in die Fügepartner eingeschossen, wobei alle Schlitze entweder Längsschlitze oder senkrecht zu den Längsschlitzen verlaufende Querschlitze bilden.

Zur weiteren Verbesserung der Verteilung der Schlitze wird bevorzugt jeweils einem Längsschlitz ein Querschlitz benachbart eingeschossen. Längsschlitze und Querschlitze wechseln sich dadurch ab und die Trennkraft ist in jeder Richtung gleich groß. Besonders bevorzugt befinden sich alle Längsschlitze auf zueinander parallel verlaufenden Längsreihen mit festem Abstand zueinander und befinden sich alle Querschlitze auf zueinander parallel verlaufenden Querreihen mit festen Abstand zueinander und jedem Querschlitz wird ein Längsschlitz benachbart eingeschossen. Hierdurch entsteht ein schachbrettartiges Muster, besonders dann, wenn der Abstand zwischen den Längsreihen und den Querreihen gleich ist. Je nach dem verwendeten Material der Fügepartner wird bevorzugt der Laserstrahl in einer Atmosphäre (Reaktivgas) aus stehender Luft, strömender Luft oder strömendem Stickstoff auf den einen Fügepartner gelenkt.

In bevorzugter Ausführungsform werden für beide Fügepartner ebene Platten verwendet. Ebene Platten lassen sich einfach aufeinander legen, wodurch das Verbinden erleichtert ist.

In einer Ausführungsform weist der Fügepartner aus Metall eine Stärke zwischen 0,5 und 3,0 mm auf. Bei dieser Stärke bleibt der Laserstrahl im Metall stecken.

Der Fügepartner aus Keramik ist bevorzugt ein Aluminiumnitrid-Substrat mit einer Stärke zwischen 0,5 und 2,0 mm. Diese Stärke wird vom Laserstrahl leicht durchschossen, ist aber dennoch genügend Bruchfest.

Bevorzugt ist die Keramik ein AIN-Substrat und trägt auf der Oberseite eine LED mit vergoldeten Anschlüssen.

Zur Erzeugung des Laserstrahls wird in einer Ausführungsform ein YAG-Laser verwendet. Beide Fügepartner können aus einer Keramik bestehen, die entweder identisch oder unterschiedlich ist.

Bevorzugte wird dieses Verfahren zum Verbinden von LEDs auf Sockel aus Keramik oder LED-Schaltungen mit einem Gehäuse aus Metall genutzt. Mit dem erfindunsgemäßen Verfahren wird somit eine Verbindung zwischen planaren oder teilplanaren dünnen Strukturen aus Keramik und Metall wie AIN und AI, thermisch induziert durch kurze Laserimpulse, in einer definierten Atmosphäre aus stehender Luft, strömender Luft oder strömendem Stickstoff geschaffen. Der Laserstrahl durchschießt einen der Fügepartner (bevorzugt den aus Keramik) komplett und bleibt im anderen Fügepartner (Keramik oder Metall) stecken.

Das Verfahren ist besonders für die Verbindung kleiner flächer Fügeteile interessant, wie zum Fügen von LEDs auf Sockel, Fügen von LED-Schaltungen in Gehäuse hinein. Beispiele : a) Eine ebene Aluminiumplatte von 0,7 mm Stärke und einer Abmessung von 12 ^* 18 mm wird auf ein etwas grösseres ebenes AIN-Substrat von 0,63 mm Stärke gelegt und mit einem YAG-Laser sowohl mit Reaktionsgas als auch ohne (offen an Luft ohne zusätzliches Reaktionsgas) senkrecht auf das AIN-Substrat gelenkt. Das AIN-Substrat trägt auf der Oberseite eine LED samt vergoldeten Anschlüssen. Es wird ein Muster (siehe Figur 1 ) von kleinen förmigen Schlitzen der Länge 3 mm in die Keramik bis hinunter in die Aluminiumplatte geschlitzt

Die Schlitze sind nach dem Lasern mit AI-AI2O3-AIN gefüllt, AI und AIN haften zusammen. Die Trennkraft liegt bei 50 N. b) Wie oben, nur das AIN-Substrat hat eine Stärke von 1 ,5 mm. Hier wird ein gerichteter Luftstrahl als Reaktivgas verwendet.

Anhand der Figur 1 wird die Erfindung weiter erläutert.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Fügepartner 1 aus Keramik, d.h. auf den Fügepartner, auf den der Laserstrahl gerichtet wird. Direkt unter dem Fügepartner 1 aus Keramik ist der zweite Fügepartner angeordnet, der nicht gezeigt ist. Erfindungsgemäß wird vom Laserstrahl ein Muster 2 aus einzelnen Schlitzen 5 in die Fügepartner eingeschossen wird, wobei alle Schlitze 5 entweder Längsschlitze 3 oder senkrecht zu den Längsschlitzen 3 verlaufende Querschlitze 4 bilden.

Jeweils einem Längsschlitz 3 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Querschlitz 4 benachbart eingeschossen worden bzw. angeordnet.

Alle Längsschlitze 3 befinden sich auf zueinander parallel verlaufenden Längsreihen 6 mit festem Abstand 8 zueinander und alle Querschlitze 4 befinden sich auf zueinander parallel verlaufenden Querreihen 7 mit festen Abstand 9 zueinander und jedem Querschlitz 4 ist ein Längsschlitz 3 benachbart eingeschossen worden. Die Abstände 8 und 9 sind bevorzugt gleich lang.

Es sind auch andere Muster vorteilhaft, welche die Schlitze möglichst gleichmäßig auf der Fläche verteilen.