Entwicklung einer kamerabasiertenQualitäts- und Prozesskontrolle beim gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen

Laser Zentrum Hannover e.V

Entwicklung einer kamerabasierten Qualitäts- und Prozesskontrolle beim

gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen

Diplomarbeit

von

Jose Manuel Baena Martínez

Betreuer:

Dipl.-Ing. Thomas Stehr

Laser Zentrum Hannover e.V.

Hannover, den 29.02.2008


Abstract Das gepulste Laserstrahl-Mikroschweißen wird heutzutage in vielen Mikroelektronikbereichen angewandt. Prozessinstabilitäten besonders beim Laserstrahlschweißen von Kupfer erfordern eine Überwachung des Prozesses zur Qualitätssicherung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit. Mit einem kamerabasierten Qualitäts- und Prozessüberwachungssystem durch zwei Kameras, koaxial und off-axial zum Laserstrahl, zur Überwachung des gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen, können die Phasen des Prozess beobachtet und interpretiert werden.

Ausgehend von einer unfangreichen Literaturrecherche zu Beginn der Arbeit wurde der Stand der Technik anhand bekannter Ergebnisse zu kamerabasierten Überwachungssystemen und zum gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen erarbeitet und in den wesentlichen Punkten zusammenfassend dargestellt. Zunächst war in Rahmen des Entwicklungsprojekts die Haltevorrichtung konzipiert worden. Es wurden die optimalen Laserparameter für den Schweißprozess identifiziert und die Prozessfähigkeit durch verschiedene Versuche gezeigt. Zwei verschiedene Beobachtstrategien wurden durchgeführt, eine passive durch Beobachtung der primären und sekundären Emissionen und eine aktive die durch den Einsatz eines Diodenlasers und verschiedener Filtern durchgeführt wurde.

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen, programmgestützten

Bewertung der aufgenommenen Kamerabilder wurde aufgrund des Umfangs dieses

Arbeitspaketes nicht im Rahmen dieser Arbeit behandelt. In zukünftigen

Untersuchungen sollte eine weitere Feineinstellung auch hinsichtlich der bildlichen

Darstellung bzw. hinsichtlich der softwareseitigen Verarbeitung hin zu einer höheren

Auflösung und Differenzierung der unterschiedlichen Bildbereiche erfolgen.


Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung....................................... .................................................................. 1

1.1 Ausgangssituation und Motivation ............................................................ 1 1.2 Zielsetzung .............................................................................................. 2

2 Stand der Technik ............................... ............................................................ 3

2.1 Bisherige durchgeführte arbeiten.............................................................. 3 2.2 Laserstrahl-Mikroschweißen von Kupfer .................................................. 4 2.3 Kamerabasierte Prozessüberwachung ..................................................... 8

3 Eingesetzte Anlagentechnik und Versuchsaufbau ... ................................... 10

3.1 Lasererzeugung........................................................................................ 10 3.2 Hochgeschwindigkeits-Kameras............................................................... 13

3.2.1 Allgemein ....................................................................................... 13 3.2.2 Belichtung ...................................................................................... 15 3.2.3 Kameraaufbau koaxial ................................................................... 15 3.2.4 Kameraaufbau off-axial .................................................................. 19

3.3 Filter ......................................................................................................... 23 3.4 Beleuchtungssysteme .............................................................................. 33 3.5 Haltevorrichtung ....................................................................................... 36

3.5.1 Grundplatte .................................................................................... 36 3.5.2 Zwischenplatte ............................................................................... 37 3.5.3 IC-Halterung ................................................................................... 38 3.5.4 Gesamtmontage............................................................................. 39

3.6 Ordnung der verschiedenen Komponenten .............................................. 42

4 Beschreibung der bearbeiteten Bauteile ......... ............................................ 45

4.1 Integrated Circuits .................................................................................... 45 4.2 FPS Sensoren .......................................................................................... 47

5 Versuchsdurchführung ............................ ...................................................... 48

5.1 Allgemein .................................................................................................. 48 5.2 Beschreibung der Versuche und Prozessüberwachung ........................... 55

5.2.1 Bestimmung der optimalen Laserparameter für das Schweißen der ICs ............................................................................................. 57

5.2.2 Passiver Überwachungsprozess durch Beobachtung der primären Emissionen ....................................................................... 63

5.2.3 Passiver Überwachungsprozess durch Beobachtung der sekundären Emissionen ................................................................... 70

5.2.4 Aktiver Überwachenprozess ........................................................... 75


6 Auswertung ...................................... ............................................................... 80

6.1 Allgemein .................................................................................................. 80 6.2 Aufzeigen der verschiedenen Prozessphasen und Zuordnung zu den

entsprechenden Kamerabildern................................................................ 81

7 Zusammenfassung und Ausblick .................... .............................................. 84 8 Literaturverzeichnis ............................ ............................................................ 87 9 Anhang .......................................... .................................................................. 88

Abbildungsverzeichnis Abbildung 2.2.1 Prozessphasen beim gepulsten Laserschweißen .............................. 5

Abbildung 2.2.2 Absorptionsgradverlauf des Kupfers bei verschiedenen Oberflächenbeschaffenheiten in Abhängigkeit der Prozesszeit ..................................... 7

Abbildung 2.2.3 Prozessoptimierte Pulsform Nach [4] ................................................. 8

Abbildung 3.1.1 Lasergerät Übersicht .......................................................................... 11

Abbildung 3.1.2 Laser-Software PCT2 ......................................................................... 12

Abbildung 3.1.3 Pulsformung ....................................................................................... 12

Abbildung 3.2.1 Kamera Photonfocus MV-D752-170 .................................................. 16

Abbildung 3.2.2 Spektrale Empfindlichkeit der Kamera Photonfocus MV-D752-170 ................................................................................................................................ 17

Abbildung 3.2.3 Silicon Software ................................................................................. 18

Abbildung 3.2.4 Einstellung Software der Kamera ....................................................... 19

Abbildung 3.2.5 Kamera Mikrotron MC1310 ................................................................ 20

Abbildung 3.2.6 Spektrale Empfindlichkeit der Kamera Mikrotron MC1310 ................. 22

Abbildung 3.2.7 VCAM95 Software ............................................................................. 22

Abbildung 3.3.1 Charakteristische Eigenschaften Bandpassfilter ................................ 23

Abbildung 3.3.2 Charakteristische Eigenschaften Langpassfilter ................................ 24

Abbildung 3.3.3 Charakteristische Eigenschaften Kurzpassfilter ................................. 24

Abbildung 3.3.4 Filter FL1064-10 ................................................................................. 25

Abbildung 3.3.5 Grafik Transmissionsgrad-Wellenlänge Filter FES0950..................... 26

Abbildung 3.3.6 Grafik Transmissionsgrad-Wellenlänge Filter RG665 ........................ 27





Abbildung 3.3.10 Grafik Transmissionsgrad-Wellenlänge Filter RG1000 .................... 29

Abbildung 3.3.11 Filter FES0950(rechts) und Filter RGXXX(links) .............................. 29

Abbildung 3.3.12 Grafik Transmissionsgrad-Wellenlänge Filter FES0950 und RG665 überlagert .......................................................................................................... 30

Abbildung 3.3.13 Grafik Transmissionsgrad-Wellenlänge Filter FES0950 und RG715 überlagert .......................................................................................................... 30

Abbildung 3.3.14 Grafik Transmisionsgrad-Wellenlänge Filter FES0950 und RG780 überlagert ...................................................................................................................... 31

Abbildung 3.3.15 Grafik Transmisionsgrad-Wellenlänge Filter FES0950 und RG850 überlagert ...................................................................................................................... 31

Abbildung 3.3.16 Grafik Transmisionsgrad-Wellenlänge Filter FES0950 und R1000 überlagert ...................................................................................................................... 32

Abbildung 3.3.17 Transmissionskoeffizient des im Bearbeitungskopf verbauten Schutzfilters ................................................................................................................... 32

Abbildung 3.4.1 Lampe ................................................................................................ 33

Abbildung 3.4.2 JOLD-Diodenlaser ............................................................................. 34

Abbildung 3.4.3 Arbeitplatz mit Diodenlaser zur Beleuchtung ..................................... 35

Abbildung 3.4.4 Leistungskennlinie des Diodenlasers ................................................. 35

Abbildung 3.5.1 Bisherige Haltevorrichtung ................................................................. 36

Abbildung 3.5.2 Grundplatte ........................................................................................ 37

Abbildung 3.5.3 Zwischenplatte ................................................................................... 37

Abbildung 3.5.4 IC-Halterung; Aufsicht ........................................................................ 38

Abbildung 3.5.5 IC-Halterung; Ansicht von unten ........................................................ 38

Abbildung 3.5.6 Gesamt Montage Haltevorrichtung a) ................................................ 39

Abbildung 3.5.7 Gesamt Montage Haltevorrichtung b) ................................................ 39

Abbildung 3.5.8 Gefertigte Haltevorrichtung ................................................................ 40

Abbildung 3.5.9 Fixierung IC ........................................................................................ 41

Abbildung 3.5.10 Ansicht Haltevorrichtung und IC im Arbeitplatz ................................ 41

Abbildung 3.6.1 Anordnung der Komponenten für die Untersuchungen zur passiven Überwachung ................................................................................................................ 42

Abbildung 3.6.2 Anordnung der Komponenten für die aktive Überwachung (mit Diodenlaser zur Beleuchtung) ....................................................................................... 43


Abbildung 3.6.3 Solidworks2000 Ansicht des Arbeitplatzes für die passive Überwachung ................................................................................................................ 43

Abbildung 3.6.4 Solidworks2000 Ansicht der Elemente für die passive Überwachung (Ausschnittvergrößerung 1) ........................................................................................... 44

Abbildung 3.6.5 Solidworks2000 Ansicht der Elemente für die aktive Überwachung (mit Diodenlaser zur Beleuchtung) ................................................................................ 44

Abbildung 4.1.1 IC ....................................................................................................... 45

Abbildung 4.1.2 PCB.................................................................................................... 45

Abbildung 4.1.3 Eigenschaften des ICs TSSOP56-BareCu ......................................... 46

Abbildung 4.1.4 PCB und IC ........................................................................................ 47

Abbildung 4.2.1 Fixierung der FPS Sensoren .............................................................. 47

Abbildung 5.1.1 Profile Load Kamera Mikrotron. ......................................................... 49

Abbildung 5.1.2 Einstellung der Anzeige der Kamera Photonfocus. ............................ 50

Abbildung 5.1.3 Einstellung der Photonfocus-Kamera 1. ............................................. 50





Abbildung 5.1.8 Einstellung der Photonfocus-Kamera 6 .............................................. 53

Abbildung 5.1.9 Suche des Fokuspunktes. .................................................................. 54

Abbildung 5.1.10 Software zur Positionierung. ............................................................ 54

Abbildung 5.2.1 Transmissionskoeffizient des Spiege im Bearbeitungskopf ............... 56

Abbildung 5.2.2 Pulsform für PCBs mit Leiterplatte aus Kupfer mit Goldbeschichtung .......................................................................................................... 57

Abbildung 5.2.3 Pulsform für PCBs mit Leiterplatte aus Kupfer verzinkt..................... 58

Abbildung 5.2.4 Links IC Schweißung mit Verbindung ,rechts ohne Verbindung ........ 58

Abbildung 5.2.5 Schädigung der ICs wegen zu hoher Pulsdauer ................................ 59

Abbildung 5.2.6 Nicht verbundene IC Schweißung wegen zu kleinem Einkopplungsgrad .......................................................................................................... 59

Abbildung 5.2.7 Verbundene IC-Schweißung auf Leiterplatte aus Kupfer mit Goldbeschichtung .......................................................................................................... 60

Abbildung 5.2.8 Zerstörung des PCBs, Leiterplatte aus Kupfer verzinkt ..................... 60

Abbildung 5.2.9 Verbundene IC Schweißung, leiterplatte aus Kupfer verzinkt ............ 61


Abbildung 5.2.10 Nicht verbundene IC Schweißung wegen zu wenig Leistung ........... 61

Abbildung 5.2.11 Verbundene Schweißung, Leiterplatte aus Kupfer verzinkt, kleine Leistung bei größerer Pulsdauer ......................................................................... 62

Abbildung 5.2.12 FPS Schweißung a) ......................................................................... 62

Abbildung 5.2.13 FPS Schweißung b) ......................................................................... 63

Abbildung 5.2.14 FPS Schweißung c) ........................................................................ 63

Abbildung 5.2.15 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.75ms,exp.time=0.05ms, IC Schweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung ............................................... 64

Abbildung 5.2.16 Positionierungfehler, pp=2KW, f=2Hz, pulseduration=0.75ms, exp.time=0.05ms, IC Schweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung ............. 65

Abbildung 5.2.17 pp=1KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.time=0.1ms, FPS-Schweißung ................................................................................................................... 65





Abbildung 5.2.22 pp=2KW,f=2Hz,pulseduation=3ms,exp.time=0.1ms mit Graufilter von 50%, FPS-Schweißung ........................................................................................... 69

Abbildung 5.2.23 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.time=0.1ms mit Graufilter von 20%, FPS-Schweißung ........................................................................................... 69


Abbildung 5.2.25 Spektrum der Emissionen beim Schweißen der ICs, pp=1.5KW, pulseduation=1.5ms, Integration time= 50ms ................................................................ 71

Abbildung 5.2.26 Spektrum der Emissionen beim Schweißen der ICs, pp=1.5KW, pulseduration=1.5ms, Integration time= 100ms ............................................................. 71

Abbildung 5.2.27 Spektrum der Emissionen beim Schweißen der ICs, pp=1.5KW, pulseduration=1.5ms, Integration time= 200ms ............................................................. 72

Abbildung 5.2.28 Spektrum der Emissionen von FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5 ms, Integration time= 50ms ........................................................................................... 72

Abbildung 5.2.29 Spektrum der Emissionen von FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5 ms, Integration time= 100ms ......................................................................................... 73


Abbildung 5.2.30 Spektrum der Emissionen von FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5 ms, Integration time= 200ms ......................................................................................... 73

Abbildung 5.2.31 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.75ms,exp.time=20ms,Kupfer ........ 74

Abbildung 5.2.32 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.5ms,exptime=1ms,ICmSchweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung ......................................................................................... 74

Abbildung 5.2.33 Fokusabstand des Diodenlaser ........................................................ 76

Abbildung 5.2.34 Bild der Beleuchteten Zone ............................................................. 76

Abbildung 5.2.35 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.5ms,exp.time=0.05ms, Intensität der beleuchtung=8A, Filterkombination FES0950-RG715, IC Schweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung ................................................................................. 77

Abbildung 5.2.36 pp=2KW, f=2Hz, pulseduration=0.75ms, exp.time=0.05ms, Beleuchtungintensität=8.4A, Filterkombination FES0950-RG780, IC Schweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung ......................................................................... 77

Abbildung 5.2.37 pp=2KW, f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.time=0.6ms,Beleuchtung-intensität=7.2A, Filterkombination FES0950-RG780, FPS Schweißung ........................ 78

Abbildung 6.2.1 Zuordnung der Bilder zu den Phasen ................................................ 82

Tabellenverzeichnis Tabelle 3.1.1 Eigenschaften Laser SLS 200 CL16 ...................................................... 10

Tabelle 3.1.2 Eigenschaften Laser SLS 200 C60 ......................................................... 13

Tabelle 3.2.1 Maximale Bilddatenrate in Abhängigkeit von der Auflösung .................... 16

Tabelle 3.2.2 Technische Merkmale Kamera Photonfocus MV-D752-170 .................... 18

Tabelle 3.2.3 Technische Merkmale Kamera Mikrotron MC1310 ................................. 20

Tabelle 3.2.4 Spektrale Empfindlichkeit der Kamera Mikrotron MC1310 ...................... 21

Projektarbeit

für Herrn José Manuel Baena Martinez

Titel der Projektarbeit

Entwicklung einer kamerabasierten Qualitäts- und Pr ozesskontrolle beim

gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen

Aufgabenstellung

Derzeit werden zum Mikroschweißen bei industriellen Applikationen überwiegend

Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von λ=1064 nm eingesetzt. Die dabei gerade in

der Elektronikproduktion überwiegend eingesetzten Werkstoffe wie Kupfer und Gold

weisen eine sehr hohe Reflektion für diese Wellenlänge auf, was das Aufschmelzen

der Werkstoffe erschwert.

Abbildung 1: Zeitliche Varianz bei der Schmelzbadbi ldung

Zudem ergeben sich in der Produktion teilweise unterschiedliche

Oberflächeneigenschaften infolge z.B. von Handhabung oder Oxidation, wodurch die

Reflexion hinsichtlich der Laserstrahlung variiert. Diese spezifischen Eigenschaften

können bei gleich bleibenden Laserparametern zu sehr unterschiedlichen

Schweißergebnissen und somit z.B. zur Zerstörung des Bauteils führen (vgl.

Abbildung 1).

„Falscher Freund“ Schädigung

Pulsdauer (%)

P

ul

se

ne

fest

Reflexion Rreal > R0 Reflexion Rreal < R0

flüssig P

ul

se

ne

fest

Pulsdauer (%)

Schweißung i. O.

Pulsdauer (%)

flüssig P

ul

se

ne

fest

Reflexion Rreal = R0

flüssig

4.0ms4.0ms

© LZH

- II -

Solche prozessbedingten Qualitätsschwankungen sollen durch eine geeignete

Anlagentechnik erfasst und dokumentiert werden. Ein mögliches Instrumentarium

hierfür stellt die CMOS-Kameratechnik dar, die im Rahmen dieser Diplomarbeit

hinsichtlich der Möglichkeiten für eine Qualitäts- und Prozesskontrolle näher

untersucht werden soll. Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen co-axial und

off-axial zum Laserstrahl sollen Bildverläufe von gut- und Schlecht-Schweißungen im

Prozessverlauf aufgezeichnet werden. Signifikante Unterschiede in den Bildverläufen

sind aufzuzeigen und hinsichtlich der Möglichkeiten einer Qualitätssicherung zu

bewerten. Anschließend ist ein Konzept zur Prozessregelung zu entwickeln. Im

Einzelnen sind folgende Arbeitsschritte durchzuführen:

Fester Arbeitsrahmen

• Recherche und Durcharbeitung der bisher auf diesem Themengebiet durchgeführten Arbeiten

• Konstruktion von Haltevorrichtungen für die zu schweißenden Bauteile mittels Solidworks.

• Messung der Spektralen Anteile während des Schweißprozesses. • Auswahl der benötigten Komponenten • Aufbau des Versuchsstandes, Kamera koaxial zum Laserstrahl • Zweite Highspeed-Kamera off-axial zur Überprüfung des jeweiligen

Prozesszustandes • Externe Ansteuerung bzw. Synchronisation von Laser und Kameras während

des Laserpulses, um die Datenmengen zu minimieren. • Auswahl geeigneter Optiken (Objektive) für die Kameras. • Schweißen in Versuchsreihen von zuvor festgelegten 2-3 Standardbauteilen

(IC, Kupferdraht und eventuell flexibler Flachleiter). • Dokumentation der möglichen Schweißfehler. • Finden geeigneter Kamera- bzw. Softwareeinstellungen für die Durchführung

der Untersuchungen (z.B. Bildrate, Bildbereich oder einzelne Linien, Softwarefilter, Belichtungszeit usw.).

• Aufzeigen der verschiedenen Prozessphasen (Aufheizen, Aufschmelzen, Tiefschweißen usw.) und Zuordnung der Phasen zu den entsprechenden Kamerabildern. Korrelation der Bilder der zwei Kamerasysteme.

• Qualitätssicherung: Bewertung der Bauteile anhand der Kamerabilder (Gut-/Schlechtschweißung). Die Bewertung wird anhand optischer Beurteilung (Per Auge und Lichtmikroskop), Querschliffen und mit Schertests vorgenommen.

• Aufzeigen von Möglichkeiten für eine Prozessregelung.

Mögliche Erweiterung (Abschätzung hierfür erfolgt n ach erster

Einarbeitungsphase)

- III -

• (Aufstellung eines Konzeptes für eine Prozessregelung) • (Aufbau einer Prozessregelung) • (Anwendung der Kenntnisse auf den Einsatz mit einem Scanner)

Ziel:

Ziel ist der Aufbau eines kamerabasierten Prozessüberwachungssystems für das

Laserstrahl-Mikroschweißen. Hinsichtlich eines möglichen späteren industriellen

Einsatzes soll auf eine einfache Adaption des Kamerasystems auch an andere

Anlagen bzw. Bearbeitungsköpfe Wert gelegt werden. Die Arbeit soll schlussendlich

eine Aussage ermöglichen, bei welchen Schweißanwendungen und mit welchen

Einstellungen das System eingesetzt werden kann und für welche Schweißfehler es

eine möglichst eindeutige Erkennung ermöglicht.

Richtlinien zur Durchführung

1. Die Arbeit wird in Absprache mit dem Betreuer durchgeführt. Sie darf ohne

Genehmigung des Instituts nicht veröffentlicht oder an Dritte weitergegeben

werden.

2. Soweit Maschinen und Geräte des LZH genutzt werden müssen, dürfen diese

nur innerhalb der Dienstzeit oder ausnahmsweise auch darüber hinaus nach

Genehmigung durch den Betreuer genutzt werden. In jedem Fall muss aus

Sicherheitsgründen mindestens eine weitere Person in Sicht- oder Rufweite

sein.

3. Vor der Inbetriebnahme von Maschinen und Geräten sind die

Sicherheitsrichtlinien zu studieren. Eine aktuelle Version befindet sich beim

betreuenden Mitarbeiter.

Richtlinien zur Dokumentation

• Auf der Titelseite der Arbeit sind Thema, Name des Studenten, Kenn-Nr. aus

Aufgabenstellung und Abgabedatum zu vermerken.

• Der Arbeit ist eine einseitige Kurzfassung voranzustellen. Sie muss enthalten:

Ziele der Arbeit und im Wesentlichen die Ergebnisse der Arbeit.

• Die Arbeit ist wie folgt zu strukturieren:

1. Titelseite

2. Abstract

3. Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis und Tabellenverzeichnis

- IV -

4. Einleitung

5. Stand der Technik

6. Eingesetzte Anlagentechnik und Versuchsaufbau

7. Versuchsdurchführung

8. Auswertung

9. Zusammenfassung

10. Literaturverzeichnis

Zeitrahmen

Literaturrecherche 40 h

Einarbeitung in Anlagentechnik und Versuchsaufbau 60 h

Praktische Versuchsreihen 120 h

Auswertung 40 h

Dokumentation 40 h

300 h

Zeitplanung

Hannover, 26.11.2007

Cand. Mach.: José Manuel Baena Martinez Betreuer: Thomas Stehr

Einteilung 1


1 Einleitung 1.1 Ausgangssituation und Motivation Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Konzept eines neuen Systems für Qualitäts- und Prozesskontrolle beim gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen vorgestellt und realisiert.

Laserstrahlung wird heutzutage in vielen Fertigungsprozessen wie Schweißen, Schneiden, Oberflächenbearbeitung benutzt. Die aktuellen technischen Fortschritte erlauben verbesserte Anlagenkonzepte, neue Laser Geräte, steigende Ausgangleistungen und somit immer neue Anwendungen.

Laserstrahlschweißprozesse halten in den vergangenen Jahren vermehrt Einzug in moderne Produktionsabläufe. Der Einsatzbereich reicht dabei vom Mikroschweißen in der Uhren- und Elektronikindustrie bis zum Tiefschweißen von Stahlblechen mit kleineren Dicken.

Als Vorteile des Laserschweißens werden folgende Punkte aufgeführt:

• Lokale, kurzzeitige Energieeinbringung, d.h. kleine Wärmeeinflusszone , geringe thermische Belastung der umgebenden Bauteile und kurze Fügzeiten .

• Stoffschlüssige Verbindung, dadurch hohe mechanische und thermische Verbindungsfestigkeit und gute elektrische Eigenschaften.

• Auf Zusatzwerkstoffe wie beim Löten kann verzichtet werden, d.h. vereinfachte stoffliche Trennung am Ende der Produktlebenszeit, keine umweltproblematischen Stoffe wie beispielsweise Blei.

• Sensible Bauteile lassen sich kraftfrei fügen. Im Vergleich zum Widerstandsschweißen treten keine störenden Magnetfelder auf.

• Schnelle Bearbeitung einzelner Bauteile d.h. unter anderem auch gute Automatisierbarkeit und einfache Integrierbarkeit in Fertigungslinien.

• Hohe Flexibilität und schnelle Anpassung an neue Bauteile und Fügegeometrien möglich.

Als Nachteile stehen:

• Sequentielles Verfahren und damit im Vergleich zu Ofenlötverfahren weniger produktiv.

• Begrenztes Prozessfenster, bedingt durch hohe Leistungsdichten und kleine Fügvolumen.

• Optisches Werkzeug, dadurch wirken sich optische Eigenschaften der Werkstoffe auf Gesamtprozess aus.

Einteilung 2


Prozessinstabilitäten beim Laserstrahlschweißen erfordern eine Überwachung des Prozesses zur Qualitätssicherung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit.

Durch High-Speed-Videos kann der Prozess hochaufgelöst beobachtet werden. Man kann sowohl das Schmelzbad als auch das Leuchten der Metalldampffackel aufzeichnen.

In der vorliegenden Arbeit werden Lösungen für eine Prozessüberwachung und Ansätze für eine Prozessregelung beim gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen von Integrated Circuits (ICs) erarbeitet.

1.2 Zielsetzung Das vorrangige Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines kamerabasierten Qualitäts- und Prozessüberwachungssystems zur Überwachung beim gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen, sowie die Bestimmung der verschiedenen Prozessphasen und die Zuordnung zwischen den Bildern der koaxialen Kamera und den Bildern der off-axialen Kamera. Andere spezifische Ziele sind die Folgenden:

• Aufbau der Versuchsanlage, Entwicklung der benötigen Bauteile wie Haltevorrichtungen, und Auswahl der benötigen Komponenten.

• Realisierung des kamerabasierten, passiven Überwachungssystems durch Aufnahme von Videosquenzen.

• Aufzeigen der verschiedenen Prozessphasen und Zuordnung der Phasen zu den entsprechenden Kamerabildern.

• Realisierung einer aktiven Beobachtung durch Videosequenzen mit zusätzlicher Diodenlaser-Beleuchtung.

• Qualitätssicherung durch Parametervariation und Bewertung der Bauteile anhand der Kamerabilder.

• Verbesserung der Zuverlässigkeit bei der Erkennung von Prozessstörungen.

Stand der Technik 3


2 Stand der Technik In der Mikroverbindungstechnik das Strahlwerkzeug Laser bietet zur wirtschaftlichen Fertigung technologische Vorteile gegenüber den konventionelle verfahren wie Wiederstandschweissen, Ultraschallschweißen oder Löten.

Die Benutzung des Lasers bietet wichtige Vorteile die nach besseren Ergebnisse führt, wie gesagt; geringe thermische Belastung, hohe thermische und mechanische Verbindungsfestigkeit, gute thermische Eigenschaften, keine Umwelt problematische Stoffe wegen Zusatzwerkstoffe, kraftfrei fügen der sensible Bauteile, schnelle Bearbeitung , gute Automatisierbarkeit und einfache Integrierbarkeit in Fertigungslinien. Auf diese Art Kann man die Kosten reduzieren und die Bauteile-Eigenschaften verbessern.

2.1 Bisherige durchgeführte Arbeiten Bisher liegen nach eigenem Kenntnisstand nur folgende Arbeiten vor, die die Anwendung von High-Speed-Kameratechnik für die Prozessüberwachung beim Laserstrahl-Mikroschweißen beinhaltet. Bei einer dieser Arbeiten handelt es sich um die Dissertation von Reiner M. Ramsayer bei der Firma Bosch mit dem Titel „Prozessstabilisierung beim gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen von Kupferstoffen“. Zusätzliche Arbeiten mit ähnlichen Themen (Überwiegend Überwachung beim Laserstrahlschweißen von Nähten) finden sich von Christian Kratzsch von der RWTH Aachen mit dem Titel „Realisierung eines kamerabasierten Prozessüberwachungssystems am Beispiel des Laserstrahlschweißens“, dem Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) und mit der Abhandlung von S. Dudeck und F.Puente León bei der TU München mit dem Titel „Kamerabasierte In-situ-Überwachung gepulster Laserstrahlschweißprozesse„ und „Zeitlich und räumlich aufgelöste Spektroskopie gepulster Laserschweißprozesse“.

Diese Arbeiten zeigen die Schwierigkeiten auf, die beim Schweißen von Kupferwerkstoffen auftreten und bieten mögliche Lösungsstrategien für die Prozessüberwachung bei diesen Prozessen.

Das Laserschweißen von Kupferwerstoffen gilt allgemein als sehr kritischer Prozess. Die Schwierigkeiten und die Prozessinstabilitäten werden den physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs zugeschrieben. Es sind die geringe Absorption bei den derzeit üblichen Wellenlängen der Strahlquellen (ND:YAG mit Grundwellenlänge 1064nm) und die hohe thermische Leitfähigkeit der Werkstoffe.

Die Oberflächeneinflüsse wie Oxidationsprozesse durch Lagerung und Kratzer durch Handlingspuren beeinflussen sehr stark das Absorptionsverhalten des Werkstoffes Kupfer. Als Abhilfe bzw. Beschleunigung und für eine höhere Absorption schlägt

Stand der Technik 4


Ramsayer in seiner Arbeit die Spülung mit Sauerstoff während des Schweißprozesses vor [1].

Zur Prozessüberwachung wird die Anwendung einer Cmos-Kamera vorgeschlagen, um die fehlerhaften Bauteile möglichst frühzeitig aus dem Fertigungsprozess auszuschleusen.

Eine In-situ-Überwachung des Prozesses bietet gegenüber einer Nachgelagerten Inspektion mehrere Vorteile wie das Erkennen von Abweichungen von Prozessparametern, z.B. den Abfall der Laserleistung am Werkstück, lassen sich frühzeitig erkennen, bevor es zu Auswirkungen auf die Schweißung kommt [2]. Durch die Beobachtung der Fehlerentstehung lassen sich Rückschlüsse auf die Fehlerursache ziehen und diese beheben. Es können insbesondere Fehler detektiert werden, welche später durch den Prozess wieder überdeckt werden und nachlaufend äußerlich nicht mehr zu erkennen sind, die Schweißung aber trotzdem strukturell schwächen.

Marktverfügbare In-situ-Überwachungssysteme arbeiten größtenteils mit optischen Sensoren in koaxialer Konfiguration. Photodetektoren oder Kameras beobachten die zeitlichen und räumlichen Intensität Veränderungen der zumeist optisch gefilterten Prozessstrahlung und erkennen anhand der Abweichungen zu vorher gelernten Sollkurven Fehler im Prozess. Die Systeme müssen für unterschiedliche Schweißkonfigurationen jeweils ihre Eignung erneut unter Beweis stellen und auf jeden neuen Prozess eingelernt werden.

Prinzipiell ergeben sich für eine kamerabasierte optische In-situ-Überwachung des Schweißprozesses zwei Ansätze: ein passiver, bei dem die vom Prozess emittierte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und nahinfraroten Bereich des Spektrums beobachtet und ausgewertet wird , sowie ein aktiver, bei dem die Prozesszone zusätzlich beleuchtet wird und so unter Ausblendung der Prozessstrahlung die Oberflächentopographie des Schmelzbades und dessen Umgebung sichtbar gemacht wird .

Vor- und Nachteile dieser beiden Ansätze für ein kamerabasiertes System zur Qualitäts- und Prozesskontrolle sollen im Folgenden für gepulste Nd:YAG-Schweißungen aufgezeigt werden. Dazu wurde ein koaxiales Überwachungssystem aufgebaut, bestehend aus optischen Filtern, Fokussieroptik und einer Grauwert-Hochgeschwindigkeitskamera. Dieser Aufbau wird sowohl für die Untersuchungen des passiven als auch des aktiven Ansatzes genutzt. Angepasst wird jeweils der optische Filterbereich [3]. 2.2 Laserstrahl-Mikroschweißen von Kupfer Wie bereits oben angesprochen wird die Absorption der eingestrahlten Laserleistung stark durch Oberflächeeinflüsse wie Oxidationsprozesse sowie durch Lagerung und

Stand der Technik 5


Kratzer durch Handlingspuren beeinflusst. Sie haben dadurch großen Einfluss auf die Energieeinkopplung bei unbeschichteten Oberflächen. Diese Oxidationsprozesse können sehr leicht zu Absorptionsgradschwankungen führen, die je nach Oxidationszustand im Bereich von 0,01bis 0,5 liegen können. Dieser Absorptionsgrad bei oxidierten Kupferwerkstoffen ist abhängig von der Oxidschichtdicke und ist Interferenz bedingt durch einen oszillatorischen Verlauf gekennzeichnet.

Für gewöhnlich werden industriell für das Mikroschweißen pw-Nd:YAG-Lasersysteme mit der Grundwellenlänge von 1064nm eingesetzt. Die Strahlführung erfolgt dabei über Glasfaserkabel, die sehr flexibel in die Fertigungsanlagen integrierbar sind und für diese Anwendung ausreichende Strahleigenschaften von Pulsspitzenleistungen über 7kW, Pulsenergien über 100 J und Pulsdauern bis zu 50 ms bereitstellt.

Das Prozessmodell ist wie folgt: der Laserstrahl wird über ein Strahlführungssystem und eine Bearbeitungsoptik zur Erzeugung eines Schweißpunktes durch eine Abbildung über Linsen auf das Werkstück fokussiert.

Die Prozessphasen beim gepulsten Laserschweißen können abgegrenzt werden in eine Aufheizphase, Aufschmelzphase, Einschweißphase und eine Tiefsphase (siehe Abbildung 2.2.1).

Je nach Werkstoff, Oberflächenbeschaffenheit und Laserparameter können die Teilprozesse zeitlich unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Insbesondere muss die Laserstrahlintensität ausreichend hoch gewählt sein, um alle Prozessphasen zu ermöglichen.

Abbildung 2.2.1 Prozessphasen beim gepulsten Lasers chweißen.

In der Aufheizphase dringt der Laserstrahl beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche in der Größenordnung der optischen Eindringtiefe (ca. 1 µm) in die Oberfläche ein.

Bei der Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers ist der Absorptionsgrad von Kupfer im Bereich von 0,03 und im vergleich zu anderen technisch eingesetzten Werkstoffen sehr gering. Dieses Merkmal kann man durch Legierung oder Oberflächenbeschichtungen beeinflussen und erhöhen.

Stand der Technik 6


Absorptionsgradschwankungen sind bei Kupfer zu beachten, da schon kleine Änderungen des Absorptionsgrades sich sehr stark auf die insgesamt absorbierte Energie auswirken. Wenn der Absorptionsgrad einer technischen Oberfläche um 1% variiert, so schwankt die absorbierte Energie bei Kupfer mit 3%+1 um 66,7%.

In der Aufschmelzphase wird die Schmelz Temperatur in der Werkstückoberfläche erreicht. Es bildet sich ausgehend von der Strahlachse eine radiale Schmelzzone aus. Der Absorptionsgrad der Oberfläche ist ab diesem Zeitpunkt wesentlich höher als im festen Zustand. Die so genannte Marangoni-Strömung wird wegen der temperaturabhängigen Oberflächenspannung und der wachsenden Temperaturdifferenz im Schmelzbad ausgebildet.

In der Einschweißphase wird die Verdampfungstemperatur des Material erreicht, so dass Metalldampf aufsteigt. Der sich durch das Abströmen des Metalls aufbauende Rückstossdruck wirkt auf die Schmelzbadoberfläche, so dass eine Kuhle im Schmelzbad entsteht.

In der Tiefschweißphase wird der Übergang von der Einschweißphase in die Tiefschweißphase erreicht. Überschreitet die eingebrachte Leistung eine Schwelle, so entsteht eine schmale metalldampfgefüllte Kapillare, das so genannte Keyhole. Oberhalb der Schmelzzone bildet sich eine Metalldampfwolke aus, die abhängig von Laserleistung und Wellenlänge teilweise ionisiert wird und ein Plasma bilden kann.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kapillarfront durch den Werkstoff liegt im Bereich von mehreren Metern pro Sekunde.

Liegt die Leistungsdichte des Lasers unter der für das Tiefschweißen erforderlichen Schwellintensität, entsteht kein Keyhole. Die Ausbreitung der eingebrachten Laserenergie erfolgt lediglich durch Wärmeleitung; es liegt Wärmeleitungsschweißen und kein Tiefschweißprozess vor.

Der Schweißprozess wird vorrangig durch folgende Einflussgrößen beeinflusst: Pulsdauer, Pulsform, Laserstrahlintensität, Wellenlänge, Werkstoffeigenschaften, Wirkungswinkel sowie der Absorption der Oberflächen (siehe Abbildung 2.2.2).

Stand der Technik 7


Abbildung 2.2.2 Absorptionsgradverlauf des Kupfers bei verschiedenen

Oberflächenbeschaffenheiten in Abhängigkeit der Pro zesszeit.

Das gepulste Schweißen zeigt ein extrem dynamisches Verhalten aufgrund des instationären Prozessverlaufes. Die Schwellintensität, ab welcher der Übergang vom Wärmeleitungs-Schweißen zum Tiefschweißen beginnt, ist von der Pulsdauer abhängig.

Über die Eigenschaften des Werkstoffes Kupfer kann man sagen, dass es eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt und eine relativ hohe Festigkeit und gute Federeigenschaften hat. Deswegen werden Kupferwerkstoffe vielfach in der Elektrotechnik und der Elektronik angewendet. Man muss berücksichtigen, dass sich die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffes während der Aufheiz- und Aufschmelzphase, insbesondere beim Übergang von der festen in die flüssige Phase stark ändern.

Während der Aufheizphase steigt der Absorptionsgrad leicht an und die Wärmeleitfähigkeit sinkt ab. Beim Aufschmelzen, wenn die Schmelztemperatur erreicht wird, steigt der Absorptionsgrad sprunghaft an und die Wärmeleitfähigkeit fällt stark ab.

Beim Übergang zum Tiefschweißen wird der Absorptionsgrad weiter erhöht infolge der Vielfachreflexion in der Kapillare.

Der Absorptionsgrad einer Oberfläche hängt weiterhin von ihrer Rauhigkeit ab. Mit steigender Oberflächenrauhigkeit nimmt die Absorption zu. Bei einer Rauhigkeit im bereich der doppelten Wellenlänge erreicht der Absorptionsgrad ein Maximum.

In [4] wurde eine Pulsform mit bestimmten qualitativen Abschnitten entwickelt, die in Abbildung 2.2.3 dargestellt ist. Mit dieser kann gegebenenfalls das Schweißergebniss verbessert werden.

Stand der Technik 8


Abbildung 2.2.3 Prozessoptimierte Pulsform Nach [4] .

In der Phase 1 wird die Oberfläche aufgeheizt, wodurch sich eine Zunahme der Absorption ergibt. In der Phase 2 beginnt den Schweißprozess, wobei man beachten muss, dass sich die Absorption beim Übergang in die Schmelzphase stark ändern kann. Daher kann hier schon ein Peak hoher Leistungsdichte ausreichend sein, um in das Material einzukoppeln. In der Phase 3 stellt sich die Schmelzbadgeometrie ein, in Phase 4 wird die Abkühlphase und die Oberflächenqualität optimiert.

Mit dieser Pulsform kann der Schweißprozess verbessert werden. Bei optimalem Verlauf kann die Verdampfung des Werkstoffes vermieden werden. Bei Verwendung eines gewöhnlichen Rechteckimpulses mit hoher, lang andauernder Leistung, kann es leicht zur Überhitzung des Schmelzbades und zum Werkstoffverlust durch Verdampfung und Herausschleudern des Materials kommen.

2.3 Kamerabasierte Prozessüberwachung Die Prozessüberwachung wird in vielen Bereichen der Industrie gefordert, vor allem in Serien- und Großserienfertigung, wo Qualitäts- und Kostengründen von hoher Wichtigkeit sind.

Zur Prozessüberwachung werden häufig integral messende Photodetektoren eingesetzt, welche die Intensität der Prozessstrahlung als Messsignal nutzen. Die dazu verwendeten Photodioden zeichnen sich durch geringe Kosten, kleine Baugröße und hohe optische Empfindlichkeit aus.

Treten Störungen im Prozess auf, so ändert sich die Intensität der Prozessstrahlung und der zurückreflektierten Strahlung. Schwankungen und Abweichungen des

Stand der Technik 9


aktuellen Prozesszustandes weisen daher vielfach auf Störungen im Prozess hin und können durch Vergleich bestimmt werden

Die bekannten Systeme zur Überwachung nehmen die Prozessemissionen aus der Wechselwirkungszone auf. Bei pw-Schweißen werden üblicher Weise folgende Prozessemissionen gemessen:

- Thermische Emissionen

- Akustische Emissionen

- Primäre Emissionen (Rückreflektiertes laserlicht aus der Wechselwirkungszone mit λ=λLaser).

- Sekundäre Emissionen (Strahlung des Metalldampfes und des Plasmas im Wellenlängenbereich von 300nm bis zu 900 nm.

Die neuen kamerabasierten Systeme stellen ein großes Potential für zukünftige Prozesssicherungssysteme, da sie nicht über eine Fläche integrieren sondern ein zweidimensionales Prozessabbild liefern. Prinzipiell ermöglichen die kamerabasierten Systeme zwei Arten von Beobachtungen: eine passive, bei der die vom Prozess emittierte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und nahinfraroten Bereich des Spektrums beobachtet und ausgewertet wird (primäre und sekundäre Emissionen), sowie eine aktive, bei der die Prozesszone zusätzlich beleuchtet wird und so, unter Ausblendung der Prozessstrahlung, die Oberflächentopographie des Schmelzbades und dessen Umgebung sichtbar gemacht wird.

In dieser Arbeit wird ein Prozessüberwachungssystem entwickelt, das auf zwei Kameras basiert, davon eine in koaxialem Aufbau zum Laserstrahl, die zweite off axial.

Die koaxial angeordnete Kamera wird benutzt, um den Beginn des Schweißprozesses zu detektieren und die verschiedene Prozessphasen örtlich aufzunehmen. Diese verschiedenen Prozessphasen werden durch die Emissionen und das dadurch entstehende Kamerabild identifiziert. Die Strahlung von der Kapillare tritt wegen der hohen Temperatur an den Kapillarwänden und an der Verdampfungsfront nach dem Planckschen Gesetz ein. Es gibt eine Beziehung zwischen de Kapillargeometrie und der Verteilung die Prozessstrahlungflußdichte (PFD), die man mit den CMOS Kameras detektieren kann.

Die off-axial angeordnete Kamera ermöglicht eine räumliche Aufnahme und eine räumliche Bestimmung der Prozessphasen und eine schnelle und räumliche Positionierung des Laserstrahles auf dem Werkstück.

Eingesetze Anlagentechnik und Versuchaufbau 10


3 Eingesetzte Anlagentechnik und Versuchsaufbau

Im Rahmen der Projektplanung wird im folgenden Kapitel die Anlagentechnik und die Auswahl der verschiedene benötigen Elemente erläutert und die Merkmale und die Anordnung der Komponenten beschrieben.

3.1 Lasererzeugung Als Lasersysteme wurden zwei Laser der Firma Lasag verwendet. Zum einen der LASAG SLS 200 CL16 mit Luftkühlung, der in Abbildung 3.1.1 zu sehen ist. Die hauptsächlichen Merkmale des Lasers finden sich in der Tabelle 3.1.1.

Laser Lasag SLS200CL16

Typ Nd:YAG-Laser,

Blitzlampen gepumpt

Wellenlänge 1064 nm

Prozessgas -

Pulsdauer 0,1-50 ms

Pulsspitzenleistung 2 kW

Mittlere Leistung 25 W

max. Pulsenergie 10J

min. Laserlichtkabel je nach Kavität (aktuell

200µm)

Scanneroptik feste Optik /

Scannersystem

Brennweite f=100 + 50 / 100

Abbildungsverhältnis 1:1 + 2:1 / 2:1 Strahlduchmesser im Fokus 200 + 100 / 100

Tabelle 3.1.1 Eigenschaften Laser SLS 200 CL16.

Zusätzliche Daten sind: Maximale Pulsfrequenz 250 Hz, minimale Pulsfrequenz 2Hz, minimale Pulsleitung 0.2kW, minimale Einstellung der Pulsdauer ist 0.1 ms.



Abbildung 3.1.1 Lasergerät Übersicht.

1. Laser-Warnlicht.

2. Hauptschalter.

3. Notaus.

4. Interlock-key-Schalter.

5. Key-Schalter Laserklasse.

6. Key-Schalter.

7. Display Laserstrahl blockiert.

8. Display Laser Off.

9. Display Laser On.

10. Nur für Wasserkühler.

11. Glasfaserkabel.

Die Software, die benutzt wird, ist die Software PCT2 von Lasag, mit der sich die Lasereigenschaften sowie die Pulsform einstellen lassen. Die in dieser Arbeit variierten Merkmale sind die Pulsspitzenleistung und die Pulsdauer (siehe Ausbildung 3.1.2).



Abbildung 3.1.2 Laser-Software PCT2.

Auch wichtig ist die Möglichkeit, eine angepasste Pulsform einzustellen, wie man in Abbildung 3.1.3 sehen kann.

Abbildung 3.1.3 Pulsformung.



Der zweite verwendete Laser ist der Lasag SLS 200 C60. Die Merkmale dieses Lasers lassen sich in Tabelle 3.1.2 ablesen.

Laser Lasag SLS200C60

Typ Nd:YAG-Laser,

Blitzlampen gepumpt

Wellenlänge 1064 nm

Prozessgas -

Pulsdauer 0,1-20 ms

Pulsspitzenleistung 5.5 kW

Mittlere Leistung 220 W

max. Pulsenergie 50J

min. Laserlichtkabel je nach Kavität (aktuell

400µm)

Scanneroptik feste Optik /

Scannersystem

Brennweite f=100 + 50 / 100

Abbildungsverhältnis 1:1 + 2:1 / 2:1 Strahlduchmesser im Fokus 400 + 200 / 200

Tabelle 3.1.2 Eigenschaften Laser SLS 200 C60.

3.2 Hochgeschwindigkeits-kameras 3.2.1 Allgemein Heutzutage sind verschiedene Arten von Hochgeschwindigkeitskameras am Markt zu finden. Durch die fortschreitende Entwicklung erlauben es moderne, schnelle und vor allem preiswerte CMOS-Kamera-Systeme Bildraten im bereich von 20 kHz in ausreichender Auflösung zu erreichen. Somit werden sie für die Überwachung von gepulsten Schweißprozessen zunehmend interessanter.

Die CMOS-Kameras sind so aufgebaut, dass jedes Pixel des CMOS-Sensors einer Photodiode entspricht, bei der zusätzlich die Signalverstärkung und Signalbearbeitung integriert werden kann. Die über die Belichtungsdauer des Pixels eingefallene Strahlung wird in ein proportionales Spannungssignal umgewandelt und über eine Elektronik ausgelesen.



Mit Hochgeschwindigkeitskameras kann man Vorgänge aufnehmen, die entweder extrem kurzzeitig sind oder extrem schnell ablaufen oder auch beide Bedingungen erfüllen (Zeitlupe). Hochgeschwindigkeitskameras sind überall dort im Einsatz, wo Bewegungen oder Materialverhalten analysiert werden müssen, die für das menschliche Auge oder herkömmliche Kameras nicht zu erfassen sind. Anwendung finden diese Kameras unter anderen in folgenden Bereichen:

•••• in der Grundlagenforschung.

•••• in der Automobilindustrie.

•••• in der Wehrtechnik.

•••• in der Medizin.

•••• in Produktionsstraßen

•••• im Maschinen- und Apparatebau.

•••• in der Schweißtechnik, Laserschweißen .

•••• bei der Laborsimulation.

Ein Problem bei Aufnahmen mit Hochgeschwindigkeitskameras liegt darin, die Aufnahme im richtigen Moment zu starten, da die zu filmenden Vorgänge sehr kurz und oft schon vorbei sind, ehe sie mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden. Jede Hochgeschwindigkeitskamera verfügt daher über mindestens eine so genannte Trigger-Möglichkeit. Meistens ist dies ein extern eingespeistes, elektrisches Signal. Hochgeschwindigkeitskameras verfügen meistens über einen so genannten Ringspeicher.

Wird eine Kamera gestartet, so nimmt diese unentwegt mit den eingestellten Parametern auf, bis der Kamera über ein Trigger-Signal mitgeteilt wird, dass der aufzunehmende Vorgang nun stattgefunden hat und die Aufnahme abgeschlossen werden kann. Nach Erhalt des Trigger-Signals wird der noch verbleibende Ringspeicher mit Aufnahmen gefüllt und der Aufnahmevorgang beendet. In der Regel werden die Bilddaten, die vor dem Trigger-Signal im Ringspeicher gespeichert worden sind, verworfen. Lediglich die Bilder nach dem Trigger-Signal werden verwendet. Manchmal sind aber auch die Bilder vor dem Trigger-Signal (Pre-Trigger-Aufnahme) wichtig, und die nach dem Trigger-Signal werden verworfen.

Zusätzlich zu den elektrisch eingespeisten Trigger-Signalen, gibt es bei modernen Kameras auch die Möglichkeit, ein Trigger-Signal über das aufgenommene Bild oder über die Position der Kamera einzuspeisen. Einige Hochgeschwindigkeitskameras verfügen über Bild-Trigger. Bei diesen Kameras wird ein Trigger-Signal durch bestimmte Aktionen im Bild ausgelöst. Die Bewegung von Objekten im Bild wird als Aktion durch die Firmware (Software) der Kamera registriert und löst die eigentliche Aufnahme aus (Trigger). Andere Kamerasysteme verfügen aber auch über GPS-Empfänger, die eine Aufnahme auslösen, wenn die Kamera sich an einer bestimmten Position befindet oder diese passiert.



Nach der erfolgreichen Aufnahme werden die aufgenommenen Daten weiterverarbeitet und archiviert. Dazu müssen die einzelnen Bilder aus der digitalen Hochgeschwindigkeitskamera ausgelesen und zusammengefügt werden. Hierin liegt der Hauptnachteil der Kameratechnik, da große Datenmengen entstehen, die verarbeitet und bewertet werden müssen. Die Datenmengen sollten daher auf den signifikanten Bildausschnitt reduziert werden.

3.2.2 Belichtung Ein wichtiger Faktor bei allen Kameraaufnahmen und Fotografien ist die Belichtung. Im Bereich der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ist sie sogar noch wichtiger als in anderen Bereichen der Bilderstellung. Während die handelsüblichen Fotoapparate und Camcorder mit Belichtungszeiten im Millisekunden-Bereich [ms] arbeiten, liegen die Belichtungszeiten von Hochgeschwindigkeitskameras je nach Aufnahmegeschwindigkeit im Mikrosekunden-Bereich.

Generell gilt auch, dass Hochgeschwindigkeitskameras wegen der sehr kurzen Belichtungszeiten viel Licht brauchen, um eine sinnvolle Helligkeitsdynamik und Schärfentiefe zu erreichen. Zu diesem Zweck werden die zu filmenden Objekte sehr stark ausgeleuchtet. Mitunter ist es so, dass die richtige Ausleuchtung der zu filmenden Objekte mehr Aufwand verursacht als der tatsächliche Filmvorgang und die anschließende Bildbearbeitung. Auch führt das intensive Licht für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen oft dazu, dass die zu filmenden Objekte während des Filmvorganges derart heiß werden, dass sie schmelzen oder in Brand geraten können.

Zu erwähnen ist im Zusammenhang mit der Belichtung auch, dass schwarzweiß (monochrom) funktionierende Hochgeschwindigkeitskameras bei gleicher Belichtungszeit bis zu drei Mal empfindlicher sind als Farbkameras gleichen Typs. Somit müssen bei Farbkameras teilweise um den Faktor drei längere Belichtungszeiten oder entsprechend stärkere Lichtquellen verwendet werden als bei Schwarzweißkameras.

3.2.3 Kameraaufbau koaxial Die Kamera, die zur koaxialen Beobachtung benutzt wird, ist die Kamera Photonfocus MV-D752-170.

Die Kamera Photonfocus MV-D752-170 ist eine CMOS einfarbige (Monochromatik) kompakte und anspruchsvolle Kamera mit CameraLink™ Format. Die Auflösung beträgt 752 x 582 bei einer Sensorgröße von 2/3“. Sie kann bis zu 350 Bilder pro Sekunde (fps) bei Vollauflösung aufnehmen (Tabelle 3.2.1 zeigt die möglichen Bilder pro Sekunde bei niedriger Auflösung).



ROI Dimensionen Bilddatenrate 80MHz PixelTakt, Tint=10µs

752x582 340 fps 512x512 580 fps 256x256 2200 fps 128x128 7900 fps 128x16 39000 fps 752x1 63000 fps

Tabelle 3.2.1 Maximale Bilddatenrate in Abhängigkei t von der Auflösung.

Die MV-D752-170 hat bis zu 120 dB Dynamik durch LinLog™-Technologie, wodurch Bilder mit stark unterschiedlichen Helligkeitsbereichen aufgenommen werden können. Auf diese Art kann man sehr dunkle stark leuchtenden Oberflächen aufnehmen und die Abhängigkeit von der Beleuchtung ist nicht so stark.

Diese Kamera hat einen spektralen Empfindlichkeitsbereich von 350 – 1000 nm.

Abbildung 3.2.1 Kamera Photonfocus MV-D752-170.

In der Abbildung 3.2.2 kann man die spektrale Empfindlichkeit der Kamera in Abhängigkeit der Wellenlänge sehen. Im sichtbaren Bereich liegt die höchste Empfindlichkeit der Kamera vor.

Im Ultraviolettbereich sowie im Infrarotbereich liegen nur geringe Empfindlichkeiten zwischen 0-10% vor.



Abbildung 3.2.2 Spektrale Empfindlichkeit der Kamer a Photonfocus MV-D752-170.

Die nächste Tabelle zeigt die Eigenschaften der Kamera:

Technische Eigenschaften:

- monochromer 2/3“ CMOS-Bildsensor - 752 x 582 Bildpunkte(Anzahl der Pixel)(CCIR Auflösung) mit 160 MHz

Datenrate - Pixelgröße: 10,6 µm x 10,6 µm - Spektralbereich: 350 – 1000 nm - bis zu 350 Bilder pro Sekunde (fps) bei Vollauflösung - 3 Geschwindigkeitsvarianten (60 fps, 175 fps, 350 fps) - äußerst geringe Triggerverzögerung und Triggerjitter - diverse Triggermodi und Bildsynchronisation für Stereobildaufnahme - lineare Sensorkennlinie - LinLog™-Kennlinie (linear-logarithmische Sensorkennlinie) - bis zu 120 dB Dynamik durch LinLog™-Technologie - Skimming für gering beleuchtete Szenen - keine Bewegungsartefakte durch Global-Shutter - keine Geisterbilder (no image lag) - kein Smear und kein Überstrahlen (no blooming) - einstellbares Auslesefenster (region of interest ROI) - Bildrate umgekehrt proportional zur Grösse des Auslesefensters (ROI) in x-

und y-Richtung - Bildvorverarbeitung mit Look-Up-Tabellen (LUT) - Konfiguration der Kameras über GUI Software



- API für Windows Betriebssysteme - SDK für QNX Echtzeitbetriebssysteme - CameraLink™ Schnittstelle - Framegrabberanpassungen für verschiedene Hersteller - Abmessungen: 55 x 55 x 46 mm³ (B x H x T) - Objektiv-Anschluss: C-Mount

Tabelle 3.2.2 Technische Merkmale Kamera Photonfocu s MV-D752-170

Die Software der Kamera ist von Silicon Software, die Framegrabber-Karte die Microenable 3. Die Merkmale, die sich einstellen lassen, sind vor allem die Belichtungszeit, Framezeit und die „Region of interest“ (Verkleinerung des Bildbereiches zur Erhöhung der Bildfrequenz bzw. Verringerung der Datenmenge). Das Programm zeigt für jede Konfiguration, wie viele Frames pro Sekunde aufgenommen werden können (siehe Abbildungen 3.2.3 und 3.2.4).

Abbildung 3.2.3 Silicon Software.



Abbildung 3.2.4 Einstellung Software der Kamera.

3.2.4 Kameraaufbau off-axial Die Kamera, die zur off-axialen Anwendung benutzt wird, ist die Kamera Mikrotron MC1310.

Die Kamera Mikrotron MC1310 ist eine CMOS einfarbige(Monochromatik) kompakte und anspruchvolle Kamera mit CameraLink™ Technik und einer Auflösung von 1280(H)X1024(V) Pixel. Für Bildverarbeitungsanwendungen und Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen im Bereich bis 500 Bilder/s bei Vollbild, bzw. über 46.800 fps mit reduziertem ROI, bietet auch die MC1310 Hochgeschwindigkeitskamera optimale Abbildungsqualität in bis zu 1024 Graustufen (siehe Abbildung 3.2.5).



Abbildung 3.2.5 Kamera Mikrotron MC1310.

Nächste Tabelle zeigt die Eigenschaften der Kamera:

Technische Eigenschaften:

- monochromer CMOS-Bildsensor - 1280X1024 Bildpunkte (Anzahl der Pixel) - Sensorformat:15,36(H) x 12,29(V) mm mit 12 x 12 µm Pixelgröße - Spektralbereich: 389 – 1100 nm - bis zu 500 Bilder pro Sekunde (fps) bei Vollauflösung - Bildrate ist umgekehrt proportional zur Bildhöhe - Beliebige Bildgrößen und Geschwindigkeiten programmierbar - Pixelauflösung: 10 Bit oder beliebige 8 aus 10 Bit - Frei laufender oder extern triggerbarer Vollbild-Shutter - ImageBLITZ® interner Trigger durch parametrierbares, sensitives

Liniensegment - Pixelsummierung (H und V) zur Empfindlichkeitserhöhung - 1 Kameraprofil und 8 Userprofile abrufbar zur Anwendungsparametrierung - Schock/Stoßbelastung: 70G/10ms - Geringe Verlustleistung - Kompakte, robuste Bauform - Framegrabber-Anschluss: Full Camera Link® - Max. Datenrate: 640 Mbyte/Sek - 8 oder 10 Taps (8x 8 bis 10x 10 bit Datentransfer) - Objektiv-Anschluss: C-Mount

Tabelle 3.2.3 Technische Merkmale Kamera Mikrotron MC1310.

In der Abbildung 3.2.6 und Tabelle 3.2.4 kann man die Spektrale Empfindlichkeit der Kamera in Abhängigkeit der Wellenlänge sehen.



Wavelength (nm)

Quantum efficiency (%)

Wavelength (nm)

Quantum efficiency (%)

389.9 12.12 749.9 8.90 399.9 14.12 759.8 8.24 409.9 15.46 769.8 7.74 419.9 17.97 779.8 7.48 430.0 19.03 789.8 5.93 440.0 19.82 799.8 5.50 450.0 20.81 809.7 5.97 460.0 21.41 819.7 5.27 469.9 22.50 829.7 4.92 479.9 22.75 839.7 5.03 489.9 22.73 849.7 4.38 499.9 23.44 859.7 3.69 509.9 23.23 869.7 3.81 520.0 21.88 879.7 3.77 530.0 21.01 889.7 2.96 540.0 21.77 899.7 2.37 550.0 20.88 909.7 2.42 560.0 19.55 919.7 2.44 570.0 17.21 929.7 1.97 579.9 18.49 939.7 1.60 589.8 17.49 949.7 1.52 599.9 16.39 959.7 1.62 609.9 15.93 969.7 1.36 619.9 15.01 979.7 1.03 629.9 14.92 989.7 0.81 639.9 13.98 999.7 0.79 649.9 14.16 1009.7 0.77 659.9 11.55 1019.7 0.66 669.9 11.85 1029.7 0.45 679.9 12.51 1039.6 0.34 689.9 11.11 1049.6 0.25 699.9 11.17 1059.6 0.23 709.9 8.80 1069.6 0.16 719.9 9.82 1079.6 0.13 729.9 8.82 1089.6 0.08 739.9 7.67 1099.6 0.05

Tabelle 3.2.4 Spektrale Empfindlichkeit der Kamera Mikrotron MC1310.



Abbildung 3.2.6 Spektrale Empfindlichkeit der Kamer a Mikrotron MC1310.

Die Kamera verwendet die Software VCAM95 und die Famegrabber-Karte INSPECTA 4DC (siehe Abbildungen 3.2.7).

Abbildung 3.2.7 VCAM95 Software .



3.3 Filter Ein optischer Filter ist ein Hilfsmittel zur Selektion von elektromagnetischer Strahlung. Dieses Element selektiert die einfallende Strahlung nach bestimmten Kriterien, z. B. nach der Wellenlänge, dem Polarisationszustand oder der Einfallsrichtung.

In dieser Arbeit wurden folgende Arten von Filtern verwendet:

- Bandpassfilter:

Bandpassfilter sind dadurch gekennzeichnet, dass sich einem Bereich hoher Transmission (Durchlaßbereich) sowohl langwellig als auch kurzwellig ein Bereich geringer Transmission (Sperrbereich) anschließt, sie also nur für einen geringen Wellenlängenbereich transmissiv sind.

Charakteristische Eigenschaften dieser Filter sind das Maximum der spektralen Transmission im Durchlassbereich, τmax. und die Halbwertsbreite HW. Diese ergibt sich aus der Differenz der Wellenlängen, bei denen ½ τmax. Erreicht wird. Liegt die Anwendung des Filters nur im Bereich einer Filterkante, kann auch die Kurz- oder Langpassfunktion des Filters maßgebend sein (siehe Abbildung 3.3.1).

Abbildung 3.3.1 Charakteristische Eigenschaften Ban dPassfilter.

- Langpassfilter:

Langpassfilter zeigen im kurzwelligen Bereich eine geringe Transmission (Sperrbereich). Getrennt durch die charakteristische Filterkante schließt sich zum langwelligen hin ein Bereich hoher Transmission an (Durchlaßbereich). Die Lage dieser Kante wird durch die Wellenlänge λm beschrieben, bei der ½ τmax erreicht wird. (siehe Abbildung 3.3.2).



Abbildung 3.3.2 Charakteristische Eigenschaften Lan gpassfilter

- Kurzpassfilter: Filtertyp, bei dem kurzwellige Strahlung transmittiert, während langwellige unterdrückt wird. Je nach Einsatzgebiet übernehmen diese auch die Funktion von Bandpassfiltern. KG Filtertypen zeigen im sichtbaren Spektralbereich hohe Transmission, während das Infrarot, d.h. die Wärmestrahlung, absorbiert wird. (siehe Abbildung 3.3.3).

Abbildung 3.3.3 Charakteristische Eigenschaften Kur zpassfilter.

- Graufilter: Graufilter werden eingesetzt zur Lichtreduzierung. Sie vermeiden Überbelichtungen bei zu viel Helligkeit, wenn der Belichtungsspielraum der Digitalkamera oder des Films überschritten wird.



Mit einem Graufilter kann auch bei hoher Lichtfülle die durch eine kleine Blendenöffnung bedingte große Schärfentiefe vermieden werden. Der Graufilter vermindert den Lichtdurchfluss, was eine größere Blende ermöglicht, die dann ganz nach Wunsch und Einstellung den störenden Vorder- oder Hintergrund in der Unschärfe zerfließen lässt (abhängig ist dieser Effekt natürlich von der Lichtstärke des Objektivs).

Der Filter der in den Untersuchungen zur passiven Beobachtung der primären Emissionen verwendet wurde, ist der Filter FL1064-10, ein Bandpassfilter von Thorlabs, der mit λm=1064nm beschrieben wird. (siehe Anhang C für die Abgrenzung).

Abbildung 3.3.4 Filter FL1064.

Das Filter das in Versuchen der Passiven Beobachtung der sekundären Emissionen ist das Filter FES0950, dieses KurpassFilter hat λc= 950nm und ½ τmax=0.45 und die Grafik Transmisionsgrad-Wellenlänge kann man in der Abbildung 3.3.5 sehen[5]. (siehe Anhang C für die Abgrenzung).



Abbildung 3.3.5 Grafik Transmissionsgrad-Wellenläng e Filter FES0950.

Die Filter, die in den Untersuchungen mit Beleuchtungslaser benutzt wurden (zur Aktiven Beobachtung), selektieren die einfallende Strahlung nach der Wellenlänge. Auf diese Art ermöglicht man die Aufsicht im Infrarotbereich (siehe Anhang B) und man vermeidet die Störungen der reflektierenden Laserstrahlung oder des Metalldampfes, die eine sehr hohe Intensität besitzen und dadurch das Bild überbelichten würden.

Im Prinzip wird nur ein BandPassFilter gebraucht, der nur im bereich von ca. 808nm transmissiv ist (Wellenlänge des Beleuchtungslasers). Da dieser am LZH nicht vorlagt, wurden zwei einzelne Filter hintereinander gesetzt, die in der Addition den gewünschten Wellenlängenbereich ergeben.

Die Filter, die dazu benutzt wurden, sind der Kurzpassfilter FES0950 (Beschreibung siehe oben), der mit 5 verschiedenen SCHOTT Langpass Filter in Kombination getestet wurde, um abzuschätzen, welcher am besten für die Untersuchungen geeignet scheint: RG665, RG715, RG780, RG850, RG1000.

-RG665: Dieser Langpassfilter hat λc=665nm und ½ τmax=0.49. Die Grafik Transmissionsgrad-Wellenlänge kann man in der Abbildung 3.3.6 sehen [6]. (siehe auch Anhang D für das Datenblatt).



Abbildung 3.3.6 Grafik Transmissionsgrad-Wellenläng e Filter RG665.

-RG715: Dieser Langpassfilter hat λc= 715nm und ½ τmax=0.49. Die Grafik Transmissionsgrad-Wellenlänge kann man in der Abbildung 3.3.7 sehen[6]. (siehe auch Anhang D für das Datenblatt).











Abbildung 3.3.10 Grafik Transmissionsgrad-Wellenlän ge Filter RG1000.

Mit diesen zwei Filtern zusammen in der koaxialen Kamera eingesetzt, wird die Kamera nur im Bereich 665, 715, 780, 850, 1000 (je nach eingesetztem Langpassfilter) bis zu 975nm aufnehmen. Somit wird der sichtbare Bereich und die reflektierte Laserstrahlung ausgeblendet und es wird im Infrarotbereich aufgenommen. In der Abbildung 3.3.11 kann man rechts den FES0950 Kurzpassfilter und links den SCHOTT Langpassfilter.

Abbildung 3.3.11 Filter FES0950 (rechts) und Filter RGXXX (links)

In den nächsten Abbildungen kann man die Grafiken Transmissionsgrad-Wellenlänge der Filterkombinationen sehen:



Abbildung 3.3.12 Grafik Transmissionsgrad-Wellenlän ge Filter FES0950 und RG665 überlagert.








Abbildung 3.3.16 Grafik Transmisionsgrad-Wellenläng e Filter FES0950 und R1000 überlagert.

- Schutzfilter: Schutzfilter werden benutzt, um die Zerstörung der Kameras zu vermeiden. Die Grafik Transmissionsgrad-Wellenlänge des Schutzfilters, der in einigen Versuchen benutzt wurde, kann man in der Abbildung 3.3.17 sehen. Dieser Filter lässt das reflektierte Laserlicht nicht durch, so dass eine Zerstörung der Koaxialkamera vermieden wird.

Abbildung 3.3.17 Transmissionskoeffizient des des i m Bearbeitungskopf verbauten

Schutzfilters.



3.4 Beleuchtungssysteme Zur Beleuchtung in den passiven Beobachtungsversuchen wird eine 2-fach-KaltlichtlichtquelleFlexilux 30HL benutzt (siehe Abbildung 3.4.1). Diese Lampe besitzt zwei Lichtfasern und wird mit 220V/50-60Hz betrieben.

Abbildung 3.4.1 Lampe.

Zur Beleuchtung in den Versuchen zur aktiven Beobachtung wird ein Diodenlaser benutzt. Der Diodenlaser der eingesetzt wird ist der JOLD-Diodenlaser. Die Wellenlänge ist λ=808nm mit einer Leistung von P=30W. Weitere zuvor für die Beleuchtung getestete Diodenlaser -Marke SDL und JDS- besaßen mit 6 bzw. 4W zu wenig Leistung, um den Schweißbereich ausreichend für hohe Bildfrequenzen zu beleuchten.

Beim Betrieb des JOLD-Diodenlasers ist besonders auf die Einschaltreihenfolge der Geräte sowie die Leistungsregelung des Lasers zu achten, da dieser sonst beschädigt werden kann. Eine entsprechende Anleitung liegt dem Gerät bei.



In der Abbildung 3.4.2. sind die Komponenten des JOLD-Lasers Temperaturregelung, Versorgungsnetzteil und Diodenlaser zu sehen.

Abbildung 3.4.2 JOLD-Diodenlaser.

In Abbildung 3.4.3 ist rechts die Diodenlaserstirnlampe zu sehen. In Abbildung 3.4.4 ist die Leistungskennlinie des DiodenLasers dargestellt (gemessen direkt am Faserende/Durchmesser 600µm).



Abbildung 3.4.3 Arbeitplatz mit Diodenlaser zur Bel euchtung.

Abbildung 3.4.4 Leistungskennlinie des Diodenlasers .



3.5 Haltevorrichtung Eine der ersten Schwierigkeiten, die beim Schweißen der ICs auftreten kann, ist die Erzeugung eines Nullspaltes in der Fügezone und eine ausreichend exakte Positionierung. Die kleinen Abmessungen der Bauteile stellen sehr hohe Anforderung an die Genauigkeit sowie die Handhabung.

Die bisher verwendete Klemmvorrichtung (Siehe Abbildung 3.5.1) erfüllt nicht vollständig die Anforderungen. Daher wird in dieser Arbeit eine neue Haltvorrichtung konstruiert und gefertigt.

Abbildung 3.5.1 Bisherige Haltevorrichtung.

Die Konstruktionszeichnungen wurden mit Solidworks 2000 erstellt. Die Haltevorrichtung besteht aus drei Bauteilen: der Grundplatte, der Zwischenplatte und der IC-Halterung. (im Anhang E wird die Abgrenzung der verschiedenen Bauteile gezeigt).

3.5.1 Grundplatte Das erste Bauteil der Haltevorrichtung ist die Bodenplatte, die aus Aluminium gefertigt wurde und vier Stirnsenkungen M6 mit Durchgangsbohrung für die Befestigung auf dem Positioniersystem sowie 49 Gewindebohrungen M5 für die Positionierung der Zwischenplatte besitzt (siehe Ahnhang E für die Abgrenzung des Bauteiles). (siehe Abbildung 3.5.2).



Abbildung 3.5.2 Grundplatte.

3.5.2 Zwischenplatte Dieses Bauteil dient dazu, den PCB (Leiterplatte) zu fixieren und dient auch zum einschrauben der IC-Halterung. Sie ist auch aus Aluminium gefertigt und hat vier Stirnsenkungen für Gewinde M5, um die Zwischenplatte auf der Grundplatte einschrauben zu können, sowie 4x Bohrungen M3, um die IC-Haltung zu fixieren und 2 mal Bohrung für Passstifte 3mm H7, um die PCBs zu fixieren. (siehe Ahnhang E für die Abgrenzung des Bauteiles). (siehe Abbildung 3.5.3).

Abbildung 3. 5.3 Zwischenplatte.



3.5.3 IC-Halterung Dieses Bauteil fixiert die ICs auf den PCBs. Ebenfalls aus Aluminium gefertigt hat es zwei Stirnsenkungen für Gewinde M3, um es auf der Zwischenplatte einzuschrauben. Dieser Bauteil besitzt eine Aussparung, um die ICs einzusetzen (siehe Abbildung 3.5.4 und 3.5.5). (siehe Ahnhang E für die Abgrenzung des Bauteiles).

Abbildung 3.5.4 IC-Halterung; Aufsicht.

Abbildung 3.5.5 IC-Halterung; Ansicht von unten.



3.5.4 Gesamt Montage In der Abbildung 3.5.6 und 3.5.7 wird die Gesamtmontage gezeigt, sowie die Anordnung der Bauteile und die Schritte, um die ICs auf den PCBs zu fixieren.

Abbildung 3.5.6 Gesamt Montage Haltevorrichtung a).

Abbildung 3.5.7 Gesamt Montage Haltevorrichtung b).



Abbildung 3.5.8 Gefertigte Haltevorrichtung.

Die Schritte, um die ICs zu fixieren sind wie folgt:

1. Zuerst Gundplatte auf dem Positionierungssystem des Arbeitsplatzes befestigen.

2. PCB mit 2 Passstiften auf der Zwischenplatte fixieren.

3. IC-Halterung auf der zwischenplatte fixieren.

4. IC in die Aussparung stellen.

5. Unter dem Mikroskop die Beine des ICs genau mit den Leitern des PCBs in Deckung bringen.

6. Die IC-Halterung festschrauben.(siehe Abbildung 3.5.9)

7. Die Zwischenplatte auf der Grundplatte einschrauben.(siehe Abbildung3.5.10).



Abbildung 3.5.9 Fixierung IC.

Abbildung 3.5.10 Ansicht Haltevorrichtung und IC im Arbeitsplatz.



3.6 Ordnung der verschiedenen Komponenten

Eines der wichtigsten Themen ist die Anordnung der verschiedenen Elemente, wie das Positionieren der Kameras hinsichtlich des Laserstrahls und die Ausrichtung des Beleuchtungslasers.

Die Konfiguration zur passiven Beobachtung der Fügezone wird in der Abbildung 3.6.1 gezeigt. Der Laser Strahl wird von der linken Seite durch die Faser zugeführt und wird durch eine Linse (Dem Kollimator) kollimiert. Der Kollimator erzeugt einen parallelen Strahlenverlauf, so wie ihn ein unendlich entferntes Objekt erzeugt. Dieser kollimierte Laserstrahl wird durch einen Spiegel unter 45°-Winkel reflektiert, senkrecht nach unten geleitet und durch eine zweite Linse auf die Bauteile fokussiert. Ein Rechner kontrolliert den Laser (siehe Abschnitt 3.1) sowie das Positioniersystem. Die Photonfocus Kamera (Rosa) wird koaxial eingesetzt und durch eine Framegrabber-Karte im Rechner gesteuert. Die Mikrotron (dunkelgrün) wird off-axial aufgebaut und auch durch eine Framegrabber-Karte in einem zweiten Rechner gesteuert. Die Filter, die in den Versuchen benötigt wurden, werden in der Richtung der koaxialen Kameraaufnahme zwischen der Kamera und dem Umlenkspiegel eingesetzt.

Abbildung 3.6.1 Anordnung der Komponenten für die U ntersuchungen zur passiven

Überwachung.



In den Untersuchungen zur aktiven Beobachtung wird ein Diodenlaser in off-axialer Konfiguration benötigt wie Abbildung 3.6.2 zeigt. Dieser Diodenlaser wird durch drei Geräte gesteuert (siehe Abschnitt 3.4). Die Filter werden in der Richtung der koaxialen Kameraaufnahme zwischen der Kamera und dem Spiegel eingesetzt.

Abbildung 3.6.2 Anordnung der Komponenten für die a ktive Überwachung (mit Diodenlaser zur

Beleuchtung).

Die nächsten Abbildungen zeigen ein Raumgesamtbild der Montage und zwei Zoome vom Bearbeitungsplatz und den wichtigsten Komponenten mit dem Programm Solidworks 2000 realisiert.

Abbildung 3.6.3 Solidworks2000 Ansicht des Arbeitpl atzes für die passive Überwachung.



Abbildung 3.6.4 Solidworks2000 Ansicht der Elemente für die passive Überwachung

(Ausschnittvergrößerung 1).

Abbildung 3.6.5 Solidworks2000 Ansicht der Elemente für die aktive Überwachung (mit

Diodenlaser zur Beleuchtung).

Beschreibung der bearbeiteten Bauteile 45


4 Beschreibung der bearbeiteten Bauteile

4.1 Integrated Circuits Die Integrated Circuits, die benutzt wurden sind die Practical TSSOP56-BareCu (siehe Abbildung 4.1.1). Sie werden auf eine Leiterplatte (PCB) (siehe Abbildung 4.1.2) eingesetzt. Die Beine des ICs sind aus Kupfer ohne jegliche Beschichtung. Von den PCBs wurden 2 verschiedene Arten benutzt, eine mit Leiterplatte aus Kupfer mit Gold beschichtet und eine weitere mit Leiterplatte aus Kupfer verzinkt.

Abbildung 4.1.1 IC.

Abbildung 4.1.2 PCB.



Die geometrischen Merkmale des ICs sind in der Abbildung 4.1.3 beschrieben.

Abbildung 4.1.3 Eigenschaften des ICs TSSOP56-BareC u.



Abbildung 4.1.4 PCB und IC.

4.2 FPS Sensoren. In den Versuchen mit dem leistungsstärkeren Laser und für die Versuche, bei denen die Positionierung aufgrund der Filter kompliziert war, wurden anstelle der ICs die FPS Sensoren mit 4 Kontaktbeinen aus verzinktem Kupfer geschweißt. Aufgrund der größeren Oberfläche ist die Positionierung allein mit dem HeNe-Laser möglich. Das größere Materialvolumen erlaubt längere Pulszeiten und damit höhere Belichtungszeiten (Exposure Time). Die Abbildung 4.2.1 zeigt die FPS Sensoren.

Abbildung 4.2.1 Fixierung der FPS Sensoren.

Versuchsdurchführung 48


5 Versuchsdurchführung 5.1 Allgemein Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die benötigten Versuche durchgeführt, die als Grundlage zur Realisierung eines kamerabasierten Qualitäts- und Prozessüberwachungssystems durch eine bzw. zwei Kameras beim Laserstrahl-Mikroschweißen dienen. Dafür werden die verschiedenen Prozessphasen bestimmt und den Bildern der koaxialen Kamera und den Bildern der off-axialen Kamera zugeordnet.

Mit Hilfe der High-Speed-Kameras kann der Prozess zeitlich hoch aufgelöst beobachtet werden. Über entsprechende Filter und unter Zuhilfenahme von Beleuchtungsquellen kann sowohl das Schmelzbad als auch das Leuchten der Metalldampffackel beobachtet werden. Diese Untersuchungen sollen Aufschluss über die Teilprozesse des Schweißvorganges liefern.

Die verschiedenen Versuche, die durchgeführt werden, können in zwei Gruppen klassifiziert werden: die passive Prozessüberwachung und die Aktive Prozessüberwachung. Bei der passiven Prozessüberwachung wird die prozessemittierte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und nahinfraroten Bereich des Spektrums beobachtet und ausgewertet. Bei der aktive Prozessüberwachung wird die Prozesszone zusätzlich beleuchtet, und so, unter Ausblendung der Prozessstrahlung, die Oberflächentopographie des Schmelzbades und dessen Umgebung sichtbar gemacht.

Die Prozessvideos der koaxialen Kamera werden über die Framegrabber-Karte MikroEnable III und die Silicon Software auf den PC übertragen. Die Auswertung, das Schneiden der Filme und die Trennung der relevanten Bilder erfolgt mit der Software VirtualDub 1.7.7.

Die Versuche werden wie folgt durchgeführt:

Vor Arbeitsbeginn müssen die verschiedene Geräte gestartet (Rechnern, Laser, Kameras) und die Software initialisiert (des Lasers, der Kameras, Software zum Positionieren) werden.

Um den Laser zu benutzen wird der Hauptschalter bis Position 1 gedreht, danach der Interlockkeyschalter nach rechts bis Position 1 gedreht und der Keyschalter Laserklasse auch nach rechts gedreht bis Position Nummer 4 (Offene Laserklasse hoher Leistung). Zuletzt wird der Schalter „Laser on“ gedrückt bis das weiße Licht der Laserwarnlampe angeht. Siehe Abschnitt 3.1 und Abbildung 3.1.1.

Anschließend werden die zwei Kameras initialisiert:

-Die Mikrotron:



Zuerst wird die Software VCAM95, die sich im Startmenu befindet gestartet (Start→ Programme→Inspecta→VCAM95). Danach können die Kameraaufnahmen beginnen (Camera→Profile→Load→Profile→MC1310_11_02_03640x480 4-Pixel binning→ Load Profile)(siehe Abbildung 5.1.1). Danach Camera→Capture drücken.

Abbildung 5.1.1 Profile Load Kamera Mikrotron.

Zuletzt die Einstellung Software Starten (Start→ Mikrotron13XX) und die Frame rate bis zu 38, Black Level bis zu 64, FPN bis zu 109 und Gain bis zu 119 einstellen (siehe Abbildung 3.2.7).

-Die Photonfocus:

Zuerst die Software Mikro Display starten und auf alten zustand wieder herstellen drücken und die Arten der Kameraaufnahmen von Bild zu AVI Sequenz wechseln (Die Gründe hierfür sind im Abschnitt 5.2 beschrieben). Einstellung der Breite und Höhe der Anzeige zu 128x128 wechseln (um die Aufnahmegeschwindigkeit zu steigern). Und CameraLink Format auf 8bit DualTap festlegen (siehe Abbildung 5.1.2).

Die Pixelgroße ist 10,6 µm x 10,6 µm, 10,6 µm mal die Pixelnummer 128 =1.36mm die wegen der Laserkopfspiegel ergibt sich einen Aufnahmebereich von circa 678.4X678.4µm.



Abbildung 5.1.2 Einstellung der Anzeige der Kamera Photonfocus.

Anschließend die Software PFRemote 2.0 starten und den Kamera-Port MV-D752-160 suchen und drücken. Diese Software ermöglicht die Einstellung der Exposure Time und Region of interest. Exposure Trigger auf Free Running festlegen und Exposure Time je nach Versuch einstellen. Danach auf Windows drücken und in Region of interest W und H auf 128 einstellen. X und Y dienen dazu, die Oberfläche, die man aufnehmen will, genau in den Anzeigenbereich zu legen (siehe Abbildungen 5.1.3 bis 5.1.8).

Abbildung 5.1.3 Einstellung der Photonfocus-Kamera 1.












Parameter wie Exposure Time oder Region of interest sind sehr wichtig, da sie großen Einfluss auf die Bilder pro Sekunde (frames per second, fps) haben. Weil mit Pulsdauern im Bereich von Millisekunden gearbeitet wird, um Bilder der verschiedenen Prozessphasen zu kriegen, wird mindestens eine Bildfrequenz von 1000 bis zu 5000 fps gebraucht. Um die Bilder pro Sekunde (fps) zu erhöhen, muss man die Region of interest und die Exposure Time reduzieren. Mit einem kleinen Wert für die Exposure Time von 0.01ms und einer Region of interest von X=100,Y=75,W=128,H=128, bekommt man Werte von etwa 6000 Bilder pro Sekunde. Das entspricht 6 Bildern pro ms, was bei einer Pulsdauer von 0.5ms bedeutet, dass man im besten Fall 3 Bilder aufnimmt, die den Prozess zeigen. Die Schwierigkeit dabei ist, dass bei sehr kleinen Werten für die Exposure Time sehr wenig Belichtung für den Cmos-Sensor der Kamera zur Verfügung steht und dadurch nur ein schlechtes Bild vorliegt.

Nach dem starten der Kameras werden die Parameter des Lasers eingestellt. Dazu wird die Software PCT2 geöffnet. Die Parameter, die je nach Versuch geändert werden, sind Pulse peak Power (maximale Leistung des Pulses), die Frequency (Frequenz) und die Pulsduration (Pulsdauer) (siehe Abbildung 3.1.2).

Die PCT2 Software bietet auch die Möglichkeit, die Pulsform anzupassen (siehe Abbildung 3.1.3).

Sofort nach Fertigstellung der Einstellungen der Geräte wird die Fokuslage gesucht.



Dazu wird eine kleine blau eloxierte Aluminiumplatte benutzt und die folgenden Schritte vollzogen (siehe Abbildung 5.1.9):

- Tätigen von 10-20 Schüssen bei denen die Z-Achse und die X-Achse oder Y-Achse jeweils um 1mm in Richtung beider Achsen verfahren wird.

- Finden des kleinsten Punktes unter dem Mikroskop.

- Wiederholen des Verfahrens zwischen den drei kleinsten Punkte jedoch mit geringeren Werten beim Verfahren der Z-Achse.

- Finden des kleinsten Punktes unter dem Mikroskop.

- Zum Schluss die Z-Achse auf die gefundene Fokusposition einstellen.

Abbildung 5.1.9 Suche des Fokuspunktes.

Um die Achse zu bewegen wird die Software für die Positionierung benutzt (siehe Abbildung 5.1.10). Das Startkommando ist SH; um Bewegungswerte anzuweisen wird das Kommando PR und die Achse X,Y,Z gefolgt vom Abstandswert eingegeben. Um die Achse zu bewegen wird das Kommando BG benutzt, gefolgt von X,Y oder Z [7].

Abbildung 5.1.10 Software zur Positionierung.



Nach der Suche des Fokuspunktes wird das Positionierlicht des Lasers eingeschaltet („roter“ HeNe-Laser) und mit der Koaxialkamera betrachtet und der Punkt in der Region of Interest platziert durch Änderung der X und Y Werte (siehe Abbildung 5.1.4).

In den Versuchen, die es erfordern, dass die Kamera entfernt wird, um Filter einzusetzen, ist es sehr wichtig darauf zu achten, dass die Positionierung des Laserstrahls in der Region of interest liegt, da nach Einsetzen einiger Filter wie zum Beispiel dem Bandpassfilter 1064nm der Positionierlaser nicht mehr zu sehen ist.

Nun die Lampe einschalten und mit der off-axial Kamera das Positionierungslaser auf den Beinen der Bauteile positionieren. Mit der koaxialen Kamera kann man die Zunahme der Intensität des reflektierten Positionierungslasers sehen, wenn dieser exakt auf den Beinen der Bauteile (Kupfer) ist.

Sobald der Laserstrahl auf dem Bauteil positioniert ist, kann die Aufnahme des Videos gestartet und der Laser betätigt werden. Bei den Versuchen mit zusätzlicher aktiver Beleuchtung wird natürlich zuvor der Beleuchtungslaser aktiviert und die Messfasern durch Pointer ausgerichtet. Nach dem Schuss kann das Video gespeichert und mit dem Programm Virtualdub ausgewertet und die wichtigen Frames ausgewählt werden. Zusätzlich wurden die Bauteile auch unter dem Mikroskope ausgewertet, um zu entscheiden ob der Versuch fehlerfrei war und ob die Schweißung gut oder schlecht war.

5.2 Beschreibung der Versuche und Prozessüberwachung.

Es wurden vier Versuchsabschnitte durchgeführt. Als Erstes wurden die optimalen Laserparameter für das Schweißen der ICs ermittelt, um die Schweißqualität der Proben bewerten zu können. Zweitens wurde die passive Prozessüberwachung durch Beobachtung der primären Emissionen (Rückreflektiertes laserlicht aus der Wechselwirkungszone mit λ=λLaser) untersucht. Drittens die passive Prozessüberwachung durch Beobachtung der sekundären Emissionen (Strahlung des Metalldampfes und des Plasmas im Wellenlängenbereich von 400nm bis zu 900nm). Und viertens die aktive Prozessüberwachung mit zusätzlichen Beleuchtung durch einen Diodenlaser durch Beobachtung der Prozesszone unter Ausblendung der reflektierten Strahlungen mit Hilfe von Filtern.

Eine der Schwierigkeiten, die beim Aufnehmen des Schweißprozesses auftraten, war die Konfiguration der Kameras, die Synchronisation der Kameras im Millisekundenbereich und die Synchronisation der Kameras mit dem Schweißprozess, um die Datenmengen zu reduzieren und die Bilder beider Kameras direkt vergleichen zu können. Diese Ansteuerung konnte im Rahmen dieser Arbeit trotz Unterstützung durch die Elektrowerkstatt und die Hersteller von Software und Framegrabber-Karten nicht realisiert werden. Für an diese Arbeit anschließende



Untersuchungen müssen diese Probleme behoben werden, um den Prozess weiter analysieren zu können.

Eine weitere Schwierigkeit -wie schon im Abschnitt 5.1 erwähnt- ist die hohe benötigte Bildfrequenz, um auch bei sehr kurzen Pulszeiten des Lasers von unter 1ms noch eine ausreichende Anzahl von Bildern zu erhalten, um den Prozess bewerten zu können. Um diese hohen Bildraten zu erreichen, wird eine extrem kleine Exposure time (Belichtungszeit) gebraucht. Bei so kleiner Belichtungszeit muss die Intensität des Strahls, der den Cmos-Sensor der Kamera anregt, sehr hoch sein, da sonst die Bildqualität nicht ausreichen ist.

Eine weitere Schwierigkeit ist der Transmissionskoeffizient des Spiegels, der den Laserstrahl im rechten Winkel reflektiert. Dessen Transmission in Abhängigkeit der Wellenlänge ist in der Abbildung 5.2.1 zu sehen.

Abbildung 5.2.1 Transmissionskoeffizient des Spiege ls im Bearbeitungskopf.

Dieser Spiegel ist entsprechend seiner Funktion so ausgelegt, dass er im sichtbaren Bereich eine hohe Transmission besitzt, wohingegen er die Wellenlänge des Laserlichtes reflektiert und somit nur ein verschwindend geringer Anteil an reflektierter Laserleistung für die Untersuchungen hierzu vorliegt. Sollten weitere Untersuchungen zu diesem Thema durchgeführt werden, sollte dieser Spiegel durch einen speziell abgestimmten Spiegel gewechselt werden, der einen höheren Prozentsatz an reflektierter Laserleistung transmitiert.



5.2.1 Bestimmung der optimalen Laserparameter für d as Schweißen der ICs.

In diesem Abschnitt werden die optimale Parameter des Lasers bestimmen. Hierzu wurde auch eine Recherche der bisher zu diesem Thema am Laser Zentrums Hannover durchgeführten Projekte gemacht.

Die wichtigen Parameter sind die Pulse Peak Power (maximale Leistung des Pulses), die Frequency (Frequenz), die Pulsduration (Pulsdauer) und die Pulsform.

Aufgrund der geometrischen Merkmale der Bauteile und der Eigenschaften des Kupfers und gestützt auf die bisherige Recherche des LZH, wurde davon ausgegangen, dass eine hohe Leistung bei kurzen Pulsdauern am besten ist, um ICs zu Schweißen. Wird die erforderliche Energie durch längere Pulse eingebracht, kann es zur Beschädigung des Substrates kommen. Es wurde die Pulsform benutzt, wie sie in Abschnitt 2.2 vorgeschlagen wurde, mit dem Unterschied, dass die mittlere Leistung erhöht wurde. Mit dieser Pulsform wurde der Schweißprozess verbessert und die Überhitzung des Schmelzbades vermieden.

In diesen Versuchen wurden 2 verschiedene PCB benutzt: einmal mit Leiterplatten aus Kupfer mit Gold beschichtet und zum anderen mit Leiterplatten aus Kupfer die verzinkt waren.

Die Pulsform für PCBs mit Leiterplatten aus Kupfer und Goldbeschichtung brauchte eine höhere mittlere Leistung, um eine gute Schweißung zu erzeugen, weshalb eine Pulsform wie in Abbildung 5.2.2 genutzt wurde.

Abbildung 5.2.2 Pulsform für PCBs mit Leiterplatte aus Kupfer mit Gold beschichtet.



Für die Pulsform für PCBs mit Leiterplatte aus verzinktem Kupfer wurde eine geringere mittlere Leistung benötigt, um erfolgreich eine Schweißung zu erzielen. Deshalb wurde eine Pulsform wie in Abbildung 5.2.3 benutzt.

Abbildung 5.2.3 Pulsform für PCBs mit Leiterplatte aus Kupfer verzinkt.

Eine Schwierigkeit beim Finden der richtigen Prozessparameter ist die geringe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, da diese durch viele Faktoren wie Oxidation der Oberfläche, Positionierung, optisches Verhalten, Genauigkeit der Fokuslage und so weiter beeinflusst werden, die stark variieren.

Die nachfolgenden Bilder zeigen die möglichen Schweißfehler, die beim Schweißen der ICs auf die PCBs auftreten können.

Pulse peak power 2 KW Pulse peak power 2 KW

Frequency 2Hz Frequency 2Hz

Pulse duration 1ms Pulse duration 0.5ms

Abbildung 5.2.4 Links IC Schweißun g mit Verbindung ,rechts ohne Verbindung.



Pulse Peak Power 2 KW

Frequency 2Hz

Pulse duration 1.5ms

Abbildu ng 5.2.5 Schädigung der ICs wegen zu hoher Pulsdau er.


Frequency 1Hz


Abbildung 5.2.6 Ni cht verbundene IC Schweißung wegen zu kleinem Einkopplungsgrad.

.




Frequency 2Hz


Abbildung 5.2.7 Verbundene IC-Schweißung auf Leiterplatte aus Kupfer

mit Goldbeschichtung.


Frequency 2Hz

Pulse duration

0.5ms

Abbildung 5 .2.8 Zerstörung des PCBs, Leiterplatte aus Kupfer v erzinkt.




Frequency 2Hz


Abbildung 5.2.9 V erbundene IC Schweißung, leiterplatte aus Kupfer verzinkt.

Pulse Peak Power 1.5 KW

Frequency 2Hz


Abbildung 5.2.1 0 Nicht verbundene IC Schweißung wegen zu wenig

Leistung.

.




Frequency 2Hz

Pulse duration 1ms

Abbildung 5.2.11 Verbundene Schweißung, Leiterplatte aus Kupfer verzinkt, kleine Leistung bei größerer Pulsdauer.

Die nächsten Abbildungen zeigen die Schweißungen der FPS Sensoren mit dem Laser Lasag SLS 200 C60.


Frequency 2Hz

Pulse duration 3ms

Abbildung 5.2.12 FPS Schweißung a).




Frequency 2Hz

Pulse duration

3ms

Abbildung 5.2.13 FPS Schweißung b).


Frequency 2Hz

Pulse duration

3ms

Abbildung 5 .2.14 FPS Schweißung c). 5.2.2 Passive Prozessüberwachung durch Beobachtung der

primären Emissionen In diesem Abschnitt wird eine passive Prozessüberwachung durch Beobachtung der primären Emissionen (Rückreflektiertes Laserlicht aus der Wechselwirkungszone mit λ=λLaser) realisiert. Diese rückreflektierte Laserstrahlung (Rückreflex) aus der



Wechselwirkungszone mit λ=1064nm wurde durch die Kamera ortsaufgelöst beobachtet. Die restlichen Strahlungsanteile wurden mit Hilfe eines Bandpassfilters ausgeblendet (Siehe Abschnitt 3.3, Filter FL1064-10). Die spektrale Empfindlichkeit der Kamera im Bereich der Wellenlänge des Lasers ist zwar gering aber reicht noch aus, um den Rückreflex ortsaufgelöst zu detektieren (siehe Abbildung 3.2.2).

Eine Schwierigkeit, die in diesem Versuch auftrat, war die Positionierung des Laserstrahls mittig auf den Kamerabildern, weil der Filter den ganzen sichtbaren Bereich ausblendet und man damit das Licht des Positionierlasers nicht sehen kann (siehe Abbildung 3.3.1). Das machte die Positionierung des Laserstrahls kompliziert, so dass zuerst ohne Filter der Laserstrahl positioniert wurde und anschließend die Koaxialkamera rausgenommen und der Filter wieder eingesetzt und anschließend die Kamera wieder aufgebaut wurde. Durch diese Problematik kann es sein, dass die anschließend aufgenommenen Bilder und Filme keinen mittigen Prozess aufweisen. Auch diese Schwierigkeit bei der Einsetzung der Filter muss in zukünftigen Projekte gelöst bzw. optimiert werden, z.B. durch die Entwicklung eines Laserkopfes, der ein einfaches Wechseln der Filter erlaubt.

Die folgenden Abbildungen zeigen die Bilder geschweißter ICs auf PCBs aus Kupfer mit Goldbeschichtung. Sie wurden mit dem Filter FL1064-10 aufgenommen. Die unterschiedlich farbigen Bilder zeigen jeweils einen Prozess, wobei pro Farbreihe die Darstellung geändert wurde, um den Verlauf zu verdeutlich.



Abbildung 5.2.15 pp=2KW,f=2Hz,pulse duration=0.75ms ,exp.time=0.05ms, IC-Schweißung mit

PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung.

Die Zonen, die in den Bildern schwarz innerhalb der Strahlzone sind, sind überbeleuchtete Zonen, die man durch die Benutzung von Graufiltern vermeiden kann.

In der nächsten Abbildung ist ein Positionierungsfehler gezeigt. Die Bilder sind von einer IC-Schweißung mit einem PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung und mit dem Filter FL1064-10 aufgenommen.

Abbildung 5.2.16 Positionierungsfehler,pp=2KW,f=2Hz ,pulse

duration=0.75ms,exp.time=0.05ms, IC-Schweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung.

Nachfolgend wurde der leistungsstärkere Lasag SLS 200 C60 (siehe Tabelle 3.1.2) benutzt und die FPS Sensoren (siehe Abbildung4.2.1) geschweißt. Diese Bauteile erlauben längere Pulsdauern und deshalb mehr Bilder des Prozesses bzw. das Einstellen einer größeren Exposure time (Belichtungszeit).





Abbildung 5.2.17 pp=1KW,f=2Hz,pulse duration=3ms,ex p.time=0.1ms, FPS-Schweißung.

Abbildung 5.2.18 pp=1KW,f=2Hz,pulse duration=10ms,e xp.time=0.1ms, FPS-Schweißung.







Abbildung 5.2.21 pp=5KW,f=2Hz,pulse duration=1ms,e xp.time=0.1ms, FPS-Schweißung.

Nachfolgend wurden verschiedene Graufilter eingesetzt.

Abbildung 5.2.22 pp=2KW,f=2Hz,pulse duration=3ms,e xp.time=0.1ms mit Graufilter von 50%,

FPS-Schweißung.



Abbildung 5.2.23 pp=2KW,f=2Hz,pulse duration=3ms,e xp.time=0.1ms mit Graufilter von 20%,

FPS-Schweißung.

In den nächsten Abbildungen kann man den gleichen Versuch jedoch mit einem Filter RG 1000 anstatt das Bandpassfilter und mit höher Exposure time was die Bilder helliger macht.

Abbildung 5.2.24 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,ex p.time=0.6ms, FPS Schweißung.

5.2.3 Passive Prozessüberwachung durch Beobachtung der

sekundären Emissionen. In diesem Abschnitt wird die Realisierung einer passiven Prozessüberwachung durch Beobachtung der sekundären Emissionen (Strahlung des Metalldampfes und des Plasmas im Wellenlängenbereich von 400nm bis zu 900 nm) realisiert. Die beim Laserstrahl-Mikroschweißen emittierte Strahlung kommt überwiegend von dem Metalldampf, also im sichtbaren Bereich, und durch das Plasma aus dem ionisierten



Metalldampf, das im UV-Bereich strahlt. Die Abbildungen 5.2.25 bis 5.2.27 zeigen die Messungen der Wellenlänge der Emissionen mit dem Spektrometer und bei verschiedenen Integrationszeiten beim Schweißen von ICs.

Abbildung 5.2.25 Spektrum der Emissionen beim Schwe ißen der ICs, pp=1.5KW, pulse

duration=1.5ms, Integration time= 50ms.







Die Abbildungen 5.2.28 bis 5.2.30 zeigen die Messungen der Wellenlänge der Emissionen mit dem Spektrometer und bei verschiedener Integration times beim Schweißen von FPS.

Abbildung 5.2.28 Spektrum der Emissionen von FPS, p p=1.5KW, pulse duration=1.5ms,

Integration time= 50ms.







Man kann in diesen Grafiken sehen, dass auch bei längeren Integrationszeiten von 200ms noch ein vergleichbarer Signalpegel im sichtbaren Bereich vorliegt wie bei kürzeren Integrationszeiten. Dieser Strahlungsanteil ergibt sich vor allem aus der Metalldampfwolke. Daraus kann man schließen, dass eine koaxiale Beobachtung im



Bereich dieses Wellenlängenbereiches keinen Sinn macht, da das Bild durch die lang strahlende Metalldampffackel überstrahlt wird. Eine Beurteilung der einzelnen Prozessfasen oder gar eine Qualitätssicherung ist somit in diesem Wellenlängenbereich nicht möglich.

Die nächsten Abbildungen zeigen Aufnahmen, die in diesem Wellenlängenbereich gemacht wurden. Zudem wurde hier eine sehr große Exposure time von 20 ms gewählt, so dass diese natürlich die Pulsdauer um ein Vielfaches überschreitet. Dennoch ist über mehrere Bilder ein Prozessleuchten zu sehen, was auf die lang strahlende Metalldampffackel schließen lässt. In diesen Aufnahmen wurde auch der Schutzfilter eingesetzt (siehe Abbildung 3.3.17).

Abbildung 5.2.31 pp=2KW,f=2Hz,pulse duration=0.75ms ,exp.time=20ms,Kupfer.

Die folgende Abbildung zeigt die Aufnahmen einer Schweißung mit den Parametern: pp=2KW, f=2Hz, pulse duration=0.5ms und mit einer Exposure time von 1 ms. Als Filter wurde der Kurpassfilter Filter FES0950 verwendet.



Abbildung 5.2.32 pp=2KW,f=2Hz,pulse duration=0.5ms, exp.time=1ms, IC Schweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung.

5.2.4 Aktive Prozessüberwachung. In diesem Abschnitt wird eine aktive Prozessüberwachung durch Beobachtung der Prozesszone unter Ausblendung der reflektierten Laserstrahlung mit Hilfe von Filtern und zusätzlicher Beleuchtung durch einen Diodenlaser aufgebaut. Der Diodenlaser verwendet eine Jenoptik-Diode mit der Wellenlänge λ=808nm und ist im Abschnitt 3.4 beschrieben.

Um mit dem Diodenlaser zu beleuchten, muss man die Fokuslage des Diodenlasers auf dem Bauteil möglichst genau finden, um eine hohe Leistungsdichte und damit eine intensive Beleuchtung zu erzielen (Siehe Abbildung 5.2.33).



Abbildung 5.2.33 Fokusabstand des Diodenlasers.

Es wurden zwei Filter verwendet: Zum einen der Kurzpassfilter FES0950 in Kombination mit jeweils einem weiteren von 5 verschiedenen SCHOTT Langpassfiltern, um den am besten geeigneten Filter zu finden (siehe Abschnitt 3.3).

Die nächste Abbildung zeigt das Bild der off-axialen Kamera beim Beleuchten. Da bei dieser Kamera keine zusätzlichen Filter verwendet wurden, ist das Bild stark überbelichtet.

Abbildung 5.2.34 Bild der beleuchteten Zone.

Die Nächsten Abbildungen zeigen die Bilder mit den Filterkombinationen FES0950-RG715 und FES0950-RG780.



Abbildung 5.2.35 pp=2KW,f=2Hz,pulse duration=0.5ms, exp.time=0.05ms, Intensität der

beleuchtung=8A, Filterkombination FES0950-RG715, IC Schweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung.



Abbildung 5.2.36 pp=2KW, f=2Hz, pulse duration=0.75 ms, exp.time=0.05ms,

Beleuchtungsintensität=8.4A, Filterkombination FES0 950-RG780, IC Schweißung mit PCB aus Kupfer mit Goldbeschichtung.

Eine Schwierigkeit, die in diesem Versuch auftrat, ist die Verbrennung der ICs durch den Diodenlaser. Aufgrund der geringen Exposure times, die nötig sind, um genug Bilder beim Schweißen der ICs mit geringen Laserpulsdauern von 1ms aufzunehmen und aufgrund der niedrigen Transmission der Filter RG850 und RG1000 im Bereich der Beleuchtungswellenlange des Diodenlasers (siehe Abbildungen 3.3.15 und 3.3.16), wurden hohe Leistungen für die Beleuchtung benötigt. Bei Strömen von mehr als 15A treten Leistungen von circa 13W auf (Siehe Abbildung 3.4.4), durch die die ICs beschädigt werden. Da das Verbrennen des Kunststoffes der ICs den Prozess zu stark beeinflusste, wurden die Versuche ebenfalls mit den FPS-Sensoren durchgeführt, da diese Bauteile höhere Beleuchtungsleistungen aushalten und längere Pulsdauer erlauben. Es konnten daher mehr Bilder des Prozesses bei einer höheren Exposure time (Belichtungszeit) aufgenommen werden.

Für diese Versuche wurde wiederum der leistungsstärkere Lasag SLS 200 C60 (siehe Tabelle 3.1.2) verwendet. Die nächsten Abbildungen zeigen die mit der Filterkombination FES0950-RG780 aufgenommenen Bilder.



Abbildung 5.2.37 pp=2KW, f=2Hz, pulse duration=3ms, exp.time=0.6ms,

Beleuchtungsintensität=7.2A, Filterkombination FES0 950-RG780, FPS-Schweißung.

Trotz Variation der Prozessparameter in diversen Versuchsreihen konnte kein wirklich klares Bild erzielt werden. Den Bildern nach zu urteilen scheint auch noch ein großer Teil der Laserwellenlänge durchzukommen, so dass das Bild teilweise überblendet ist. Völlig unzureichende Ergebnisse wurden dagegen bei Anwendung der Filtern RG850 und RG1000 erzielt. Aufgrund des geringen Transmissionskoeffizienten beider Filter im Bereich der Beleuchtungswellenlänge des Diodenlasers (siehe Abbildungen 3.3.15, 3.3.16) waren hohe Ausgangsleistungen desselben erforderlich. Um mit den RG1000 genug Beleuchtung zu haben, wird eine Exposure time von mehr als 60ms bei einer Beleuchtungsleistung von ca. 18W benötigt, was die Verbrennung der FPS bzw. des darunter liegenden Folienleiters verursacht.

Auswertung 80


6 Auswertung 6.1 Allgemein Nach Durchführung der diversen Versuchsreihen erfolgt in diesem Abschnitt eine Auswertung der Ergebnisse sowie eine Bewertung hinsichtlich ihrer Relevanz und Verwendbarkeit.

In den Untersuchungen zur Bestimmung der optimalen Laserparameter für das Schweißen ICs auf die PCBs haben sich folgende Werte als am besten geeignet erwiesen:

Pulse peak power = 2KW

Puls duration = 0.75ms (goldbeschichtete PCBs)

Puls duration = 0,5ms (verzinnte PCBs)

Ferner ergeben sich der Schweißverlauf und die verschiedenen Prozessphasen aus den Bildern und werden diesen zugeordnet. Bei den Untersuchungen zur Beobachtung der passiven Primäremissionen kann gezeigt werden, dass zuerst die Oberfläche langsam aufgeheizt wird (Aufheizphase; siehe auch Pulsformung), danach schmilzt die Oberflache kreisförmig, dem Laserfokus entsprechend, auf. Hierbei nimmt der Einkoppelgrad zu und das Rückreflexsignal entsprechend ab. Es bildet sich ein Schmelzpool aus, der sich auch in den High-speed-Aufnahmen erkennen lässt (Siehe Abbildung 6.2.1). Infolge der verstärkten Absorption an der Oberfläche der heißen Schmelze und der abnehmenden thermischen Leitfähigkeit bei und nach Erreichen der Schmelztemperatur wird verstärkt Energie in die Schmelze eingebracht, so dass Verdampfung einsetzt (Einschweißphase). Die einsetzende Verdampfung kann in den High-Speed-Aufnahmen beobachtet werden. Danach ist die Verdampfung so stark angewachsen, dass sich eine Dampfkapillare ausbildet und der Tiefschweißprozess einsetzt. Änderungen im Rückreflexsignal können nicht mehr aufgelöst werden (Tiefschweißphase).

Die besten Resultate für die Beurteilung der Schweißergebnisse wurden bei den Untersuchungen zur passiven Prozessüberwachung durch Beobachtung der primären Emissionen erzielt. Hierbei lassen sich die verschiedenen Phasen des Prozesses erkennen, so dass Rückschlüsse auf den Prozess gezogen werden können. Durch Auswertung dieser Bilder kann beurteilt werden, ob die Schweißung „in Ordnung“ oder „nicht in Ordnung“ verlaufen ist. Die Phasen im Bildverlauf ergeben sich aus der unterschiedlichen Intensität der rückreflektierten Laserstrahlung. Die Zonen, in denen die Mitte des Bildausschnitts schwarz erscheint, sind überbeleuchtete Bereiche. Dies kann durch den Einsatz entsprechender Graufilter vermieden werden. Hierzu müssen jedoch weitere Untersuchungen erfolgen, um die Balance zwischen ausreichendem Signal für die Auswertung und möglichst geringer Überstrahlung dieser Bereiche zu finden. Ein weiteres Ziel muss es sein, nicht nur

Auswertung 81


das Aufschmelzen der Oberfläche des oberen Fügepartners zu detektieren sondern im Verlaufe des Tiefschweißens auch das Aufschmelzen des unteren Fügepartners, um hier Aussagen über eine Kontaktierung machen zu können. Hier sind jedoch noch wesentlich weitreichendere Untersuchungen erforderlich, als sie im Rahmen dieser Arbeit möglich waren.

Die Untersuchungen zur Beobachtung der sekundären Emissionen sind zumindest für die koaxiale Konfiguration nicht relevant und nicht aussagekräftig in Bezug auf den Prozesszustand, da die Strahlungen des Metalldampfes und des Plasmas das Bild überstrahlen und somit die Prozessphasen nicht detektiert werden können.

Die Beobachtung der sekundären Emissionen lässt sich nur mit der off-axialen Kamera aufnehmen, weil hier die Metalldampffackel aufgenommen werden kann. Hierfür wäre ein Sperrfilter für die Wellenlängen λ>900nm erforderlich, der sowohl die Laserstrahlung bei λ=1064nm als auch den Bereich der langwelligen Temperaturstrahlung ausgeblendet. Da eine Synchronisation beider Kamera mit dem Laserpuls nicht möglich war, wurden diese Untersuchungen nicht weiter verfolgt.

Die Untersuchungen zur aktiven Prozessbeobachtung zeigen viele Schwierigkeiten beim Schweißen der ICs aufgrund zu geringer möglicher Beleuchtungsleistung. Wird diese zu hoch gewählt, kommt es zur Zerstörung der Bauteile. Bei zu geringer Leistung des Diodenlasers konnten keine Bilder aufgenommen werden. In den während dieser Untersuchungen aufgenommenen Bildern ist zu sehen, dass Die Oberfläche der Bauteile nicht in einem guten Kontrast und klar sichtbar aufgenommen werden kann, da noch Strahlungsanteile im Bereich zwischen 800nm und 1000nm (siehe Abschnitt 3.3) vorhanden sind, die ein klares Bild stören. Dieses Problem lässt sich eventuell durch die Verwendung eines Filters lösen, der den Frequenzbereich noch genauer um den des Diodenlasers eingrenzt.

6.2 Aufzeigen der verschiedenen Prozessphasen und Zuordnung zu den entsprechenden Kamerabildern

Beim den Untersuchungen zur passiven Prozessbeobachtung können die Bilder den einzelnen Prozessphasen zugeordnet werden. Zu Prozessbeginn wird nahezu die komplette Laserstrahlung zurückreflektiert. Im Kamerabild ist in dieser Phase ein stark überbelichteter Kreis, der dem Fokusdurchmesser entspricht, zu erkennen. Daran anschließend erfolgt das Aufschmelzen der Oberfläche, die im Kamerabild durch eine Kreisstruktur erkennbar wird. Im Bereich der Tiefschweißung wird vornehmlich nur noch Strahlung vom Randbereich und aus der Schweißpunktmitte zurückreflektiert, die beim Durchschweißen das Bauteil auf der Rückseite verlässt. Daraus kann ein Modell der Prozessphasen entwickelt werden. Eine Zuordnung der

Auswertung 82


Koaxial-CMOS-Kamera-Bilder zu den einzelnen Prozessphasen ist in Abbildung 6.2.1 dargestellt.

Abbildung 6.2.1 Zuordnung der Bilder zu den Phasen.

Bei Prozessbeginn, in der Aufheizphase, wird ein großer Teil der Laserstrahlung zurückreflektiert, und es bildet sich ein heller, den Fokus entsprechender Strahlfleck ab. In der Aufschmelzphase bildet sich in Folge der Schmelzbadbewegungen eine Ringstruktur aus, die je nach Aufschmelzgrad und Schmelzbadgröße aus mehreren konzentrischen Ringen bestehen kann. In der Einschweißphase kommt nur noch von der Kapillarmitte ein Strahlsignal zurück, da die Kapillarwand die Strahlung vermehrt zur Seite streut und diese somit durch die koaxiale Beobachtung nicht mehr erfasst werden kann.

Wenn eine Durchschweißung auftritt, wird aus der Kapillarmitte keine Strahlung mehr zurückreflektiert, da diese die Kapillare auf der Werkstückunterseite verlässt. Diese Prozessphase kann aus den aufgelösten Rückreflexmessungen sehr gut detektiert werden. Die hier durchgeführten Untersuchungen müssten diesbezüglich weitergeführt werden, da sich auch das Aufschmelzen des unteren Fügepartners durch das Keyhole hindurch aufgrund der dann wieder ansteigenden Rückreflektion detektieren lassen sollte.

Bei der Auswertung des ortaufgelösten Rückreflexsignals besteht die Schwierigkeit, dass Teile der Bilder stark überbelichtet sind, wohingegen andere Teile der Bilder und Prozessphasen nur unzureichend aufgelöst werden können. Das bedeutet, dass die hohe Bilddynamik der Kamera von 120dB nicht ausreicht. Auch die Anwendung der so genannten LinLOG-Kennlinie der Kamera, die eine anpassbare, logarithmische Kennlinie zur Verfügung stellt, reicht nicht aus, um den

Auswertung 83


Gesamtprozess ausreichend gut aufzulösen und Überbelichtungen zu vermeiden. Für weiterführende Untersuchungen sollte ein Programm zur besseren Darstellung der Filme erstellt werden, welches die verschiedenen Bits des erzeugten Kamerabildes in unterschiedlichen Farben ermöglicht und dadurch eine bessere Darstellung und Detektierung der Prozessphasen erlaubt.

Zusammenfassung und Ausblick 84


7 Zusammenfassung und Ausblick. Im Zuge der steigenden Anforderungen seitens der Mikroelektrotechnik hinsichtlich höherer Temperatur- und Kraftbelastungen der Verbindungspunkte stellt das gepulste Lasermikroschweißen eine alternative Fügtechnik mit hohem Potential dar. Das Laserstrahl-Mikroschweißen gilt allgemein als sehr kritischer Prozess, insbesondere wenn der zu schweißende Werkstoff Kupfer ist. Zusätzliche hohe Anforderungen an die Verbindungstechnik stellen die geringen geometrischen Abmessungen der verwendeten Bauteile. Die Oberflächeneinflüsse wie Oxidationsprozesse durch Lagerung und Kratzer durch Handlingspuren beeinflussen sehr stark das Absorptionsverhalten des Kupferwerkstoffs und haben dadurch grossen Einfluss auf die Energieeinkopplung bei unbeschichteten Oberflächen. Prozessinstabilitäten beim Laserstrahl-Schweißen erfordern eine Überwachung des Prozesses zur Qualitätssicherung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit. Diese Instabilitäten können durch ein kamerabasiertes Qualitäts- und Prozessüberwachungssystem durch zwei Kameras, koaxial off-axial zum Laserstrahl, detektiert und zur Bestimmung der verschiedenen Prozessphasen für eine Regelung bzw. zur Feststellung von Schweißfehlern genutzt werden.

Ein generell wichtiger Faktor beim Einsatz von Kameratechnik für die Bilderfassung ist die Belichtung. Diese ist im Bereich der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen noch wichtiger, da die Hochgeschwindigkeitskameras wegen der sehr kurzen Belichtungszeiten viel Licht brauchen, um eine sinnvolle Helligkeitsdynamik und Schärfentiefe zu erreichen. Auch führt das intensive Licht für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen oft dazu, dass die zu filmenden Objekte während des Filmvorganges derart heiß werden, dass sie schmelzen oder in Brand geraten können. Diese Schwierigkeiten zeigten sich auch im Rahmen dieser Arbeit. Ein Problem stellt das Fehlen eines Shutters für den Beleuchtungsdiodenlaser dar. Bei diesem muss die Diodenspannung langsam erhöht werden, um die die Diode nicht zu zerstören. Das führt jedoch dazu, dass entweder der beleuchtete Bereich und damit die Bauteile unzulässig hoch aufgeheizt werden können bzw. dass ein manueller „Shutter“ z.B. in Form einer in den Strahlengang geschobenen Keramikplatte verwendet werden muss. Für zukünftige Untersuchungen sollte hier eine Möglichkeit der optischen Zuschaltung des Beleuchtungslasers gefunden werden. Zudem bringt die off-axiale Anordnung des Diodenlasers Einschränkungen bezüglich der Positionierung und der gleichmäßigen Ausleuchtung mit sich. Hierzu gibt es Untersuchungen zu den Vorteilen einer koaxialen Belichtung, die ebenfalls in weiteren Untersuchungen in Betracht gezogen werden sollte, die jedoch einen besonderen Laserkopf benötigt und daher im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht werden konnte.

Die im Rahmen der Untersuchungen getesteten Filter haben die Möglichkeiten und Restriktionen dieser Variante gezeigt, um bestimmte Wellenlängenbereiche zu selektieren. So wären teilweise Filter von Vorteil gewesen, die den Bereich der



transmittierten Strahlung noch weiter eingrenzen. Da diese am LZH nicht vorlagen, wurden sie durch die Kombination mehrerer Farbglasfilter realisiert. Ferner wurde festgestellt, dass trotz der geringen Transmissionswerte der Filter noch geringe Anteile von Strahlanteilen höherer Amplituden durchgelassen werden, die das Messergebnis negativ beeinflussen. Daher muss hier auch die Möglichkeiten der selektiven Auswahl durch Spiegel untersucht werden. Diese könnten –am LZH gefertigt- so ausgelegt werden, dass sie ausschließlich den gewünschten Wellenlängenbereich auf die Kamera reflektieren und die nicht gewünschten Strahlanteile transmittieren, was mögliche Fehler minimiert. Zuletzt lag eine weitere Schwierigkeit in der Positionierung der Filter vor der Kamera. Auch hier muss bei weiteren Untersuchungen ein optimiertes Konzept gefunden werden, um die Filter zu wechseln, ohne die Position der Kamera und damit den aufgenommenen Bildbereich zu verändern.

Um den Positionieraufwand für die zu schweißenden Bauteile (ICs) zu verbessern und einen Nullspalt zu erzeugen, wurde eine Haltevorrichtung konstruiert, die eine einfache Fixierung der Bauteile ermöglicht.

Die auftretenden Störungen im Prozess und Veränderungen während des Durchlaufens der Prozessphasen verursachen eine Veränderung der Intensität der Prozessstrahlung und der zurückreflektierten Strahlung. Schwankungen und Abweichungen des aktuellen Prozesszustandes weisen daher vielfach auf Störungen im Prozess hin und können durch Vergleich bestimmt werden. Kamerabasierte Systeme ermöglichen zwei Arten von Beobachtungen, eine passive, bei der die vom Prozess emittierte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und nahinfraroten Bereich des Spektrums beobachtet und ausgewertet wird (Primäre und sekundäre Emissionen), sowie eine aktive, bei der die Prozesszone zusätzlich beleuchtet wird und so, unter Ausblendung der Prozessstrahlung, die Oberflächentopographie des Schmelzbades und dessen Umgebung sichtbar gemacht wird. Bei der Auswertung der Untersuchungen hat sich die passive Methode durch die Aufnahme der reflektierten Laserstrahlung als potentiell beste Variante hinsichtlich einer Qualitäts- und Zustandbeurteilung herausgestellt

Bei den Messungen zeigte sich, dass vor allem die Parameter wie Exposure Time oder Region of interest von besonderer Wichtigkeit sind, da sie großen Einfluss auf die Bildfrequenz haben (frames pro second, fps). Für die Auswertung während der sehr kurzen Prozesszeiten im Millisekundenbereich sind Bildraten von 1000 bis zu 5000 fps erforderlich. Diese hohen Bildraten konnten mit den vorhandenen Kamerasystemen erzielt werden jedoch nur durch eine Reduzierung der Region of interest und der Exposure Time, wodurch der Bild- und Dynamikbereich eingeschränkt wird.

Der Ansatz der Beobachtung der sekundären Emissionen mit Hilfe der koaxialen Kamerakonfiguration scheint nicht sinnvoll, da die Strahlungen des Metalldampfes und des Plasmas das Erkennen der einzelnen Phasen des Prozesses verhindern.



Bei den Untersuchungen zur passiven Aufnahme der Prozessemissionen konnte gezeigt werden, dass sich mit Hilfe der aufgenommenen reflektierten Laserleistung die unterschiedlichen Prozessphasen abbilden lassen. Hier muss eine weitere Verfeinerung der Messeinstellungen und Filter erfolgen, um die Zuordnung noch eindeutiger zu machen und auch die Phase des Aufschmelzens des unteren Fügepartners detektieren zu können. Die Variante sollte daher weiter verfolgt und hinsichtlich einer Qualitätssicherung bzw. einer Prozessreglung optimiert werden.

Literaturverzeichnis 87


8 Literaturverzeichnis [1] Ramsayer, Reiner M.: Prozessstabilisierung beim gepulsten Laserstrahl-Mikroschweissen von Kupferwerkstoffen.

[2] Dudeck S. und Puente León F : Kamerabasierte In-situ-Überwachung gepulster Laserstrahlschweißprozesse.

[3] Dudeck, S.; Rieger, D.; Puente León, F.: Zeitlich und räumlich aufgelöste Spektroskopie gepulster Laserschweißprozesse, Proc. Sensoren und Messsysteme 2006, S. 113–116, ITG/GMA, VDE Verlag GmbH, 2006.

[4] Dürr, U. :Schweissstrategien mit gepulsten Nd:YAG-Lasern in der Mikrotechnik.

[5] www.itos.de

[6] www.thorlabs.com/

[7] Command Reference Manual Rev 1.0j by Galil Motion Control, Inc.

Anhang 88


9 Anhang A Eigenschaften von Kupfer

Kristallstruktur kubisch flächenzentriert

Dichte 8,92 g/cm3

Mohshärte 3,0

Magnetismus diamagnetisch

Schmelzpunkt 1357,6 K (1084,4 °C)

Siedepunkt 2840 K (2567 °C)

Molares Volumen 7,11 · 10-6 m3/mol

Verdampfungswärme 300,3 kJ/mol

Schmelzwärme 13,05 kJ/mol

Dampfdruck 0,0505 Pa bei 1358 K

Schallgeschwindigkeit 3570 m/s bei 293,15 K

Spezifische Wärmekapazität 385 J/(kg · K)

Elektrische Leitfähigkeit 58 · 106 S/m

Wärmeleitfähigkeit 401 W/(m · K)

Anhang 89


B Elektromagnetisches Spektrum

Anhang 90


C Abmessungen Filter FES0950 und FL1064-10

Anhang 91


Anhang 92


D Datenblatt Filter RG665,RG715,RG780,RG850,RG1000

Anhang 93


Anhang 94


Anhang 95


Anhang 96


Anhang 97


Anhang 98


Anhang 99


Anhang 100


Anhang 101


Anhang 102


E Abgrenzung Haltevorrichtung

Anhang 103


Anhang 104


Documents

Entwicklung einer kamerabasiertenQualitäts- und Prozesskontrolle beim gepulsten Laserstrahl-Mikroschweißen