Laserbasierte Kontaktierung von Batterien und Leistungselektronik

Der Ausbau regenerativer Energiequellen und die Weiterentwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen
führen zu neuen Anforderungen an die Leistungselektronik. Höhere Ströme und Leistungen erfordern größere
Anbindungsflächen und -querschnitte zur Reduzierung der Übergangswiderstände. Das Fraunhofer-Institut für
Lasertechnik ILT entwickelt robuste Verbindungstechnicken zum Fügen von leitenden Elementen wie Kupfer oder
Aluminium.

Beim Laserstrahl-Mikroschweißen von thermisch und elektrisch gut leitenden Materialien wie Kupfer und Aluminium wird zunehmend auf die Verwendung von hochbrillanten Strahlquellen gesetzt. Durch den Einsatz von Faserlasern mit einer sehr guten Fokussierbarkeit (Beugungsmaßzahl M² ≈ 1) können Fokusdurchmesser von einigen 10 μm erreicht werden. Die bereitgestellten Leistungen von einigen Kilowatt erzeugen damit eine Intensität, bei der sich auch Materialien wie Kupfer und Gold, die bei einer Wellenlänge von ca. 1 μm einen hohen Reflexionsgrad besitzen (≥ 90 Prozent), prozesssicher fügen lassen. Der durch den geringen Fokusdurchmesser bedingte, nachteilige Effekt einer geringen Anbindungsbreite kann durch die Verwendung einer örtlichen Leistungsmodulation – eine dem Vorschub überlagerte kreisförmige Oszillationsbewegung – kompensiert werden. Eine solche Strahlmodulation führt sowohl zu einer Erhöhung der Prozesseffizienz als auch zu einer stabilen Prozessführung. Um die Einschweißtiefe möglichst konstant zu halten, kann die Laserleistung zusätzlich zeitlich moduliert werden, um auftretende Schwankungen in der Energieeinbringung oder Streckenenergie auszugleichen. Daraus ergeben sich neben der Leistungselektronik auch weitere Anwendungsgebiete wie z. B. die Batterietechnik.

Das Laser Impulse Metal Bonding (LIMBO®) ermöglicht einen Laser-Spaltschweißprozess zwischen einem 200 μm dicken Kupferblech und einer 105 μm dicken Kupferplatine, ohne eine Beschädigung der darunter liegenden Leiterplatte. Der zentrale Ansatz des LIMBO®-Verfahrens ist die Modulation des Fokusdurchmessers zur Anpassung der Laserstrahlintensität an das Werkstück. Dies führt zum Aufschmelzen und Auslenken der Schmelze sowie zur Kontaktierung des oberen mit dem unteren Fügepartner durch einen Impuls. Dieses innovative Verfahren bietet die Möglichkeit die Einschweißtiefe und den thermischen Energieeintrag in das untere Material deutlich zu reduzieren. So können die oberen Fügepartner in ihrer Bauteilgeometrie, im Vergleich zu konventionellen Schweißprozessen, dicker ausgelegt werden und dadurch eine bessere Stromtragfähigkeit gewährleisten. Aufgrund der geringen Einschweißtiefe und des reduzierten Energieeintags in das untere Material ist die LIMBO®-Fügetechnik außerdem sehr bauteilschonend, insbesondere im Hinblick auf sensible Schichten wie z. B. FR4 oder Keramik.

Als Fügeprozess wird beim Laserbonden das Laserstrahl- Mikroschweißen verwendet. Im Gegensatz zum herkömmlichen Ultraschallbonden sind die Ansprüche an Oberflächengüten und Reinigungsprozesse dabei geringer. Zudem wird durch den laserbasierten Mikroschweißprozess eine größere Unabhängigkeit vom Unterbau und Schwingungsverhalten des Werkstücks erreicht. Zur Kombination des Laserstrahlbondprozesses mit herkömmlicher Bondtechnologie können bestehende Bonder umgerüstet werden.

Insbesondere für Kupferwerkstoffe ergeben sich neue Möglichkeiten durch den Einsatz der kombinierten Bondtechnologie. Basierend auf dem Einsatz moderner Laserstrahlquellen mit einer sehr guten Strahlqualität können so z. B. Kupferund Aluminiumwerkstoffe präzise und reproduzierbar gefügt werden. Zusätzlich lässt sich der Laserprozess mit einem Oszillationsschweißprozess erweitern, der bei der Bearbeitung von Drähten und Bändchen höhere Anbindungskräfte ermöglicht und somit neue Anwendungsgebiete für das Verfahren eröffnet.

Beim Weich- und Hartlöten mittels Laserstrahlung können berührungs- und temperatursensitive Bauteile, z. B. für die Elektronik-, Photovoltaik- und Medizintechnik, mit einem geringen Energieaufwand innerhalb einiger hundert Millisekunden gefügt werden. Eine herausragende Eigenschaft des Laserstrahllötens besteht in der Bearbeitung von Pitchgrößen zwischen 100 und 2000 μm durch eine geeignete Wahl der Fokussierung und der Bestrahlungsstrategie.

Die Schmelztemperatur kann durch Verwendung von Niedertemperaturloten auf unter 150 °C reduziert werden, für Hochtemperaturanwendungen sind auch Hartlote mit Schmelztemperaturen von über 1000 °C geeignet. Durch eine Online-Detektion der Wärmestrahlung mit pyrometrischen Sensoren koaxial zur Laserstrahlung und einer darauf basierenden Laserleistungsregelung lässt sich die Temperatur des Fügeprozesses auch bei wechselnden Prozessbedingungen konstant halten. Ebenso ist eine Positionskontrolle über integrierte, miniaturisierte CCD-Kameras möglich.