Laser drop on demand joining as bonding method for electronics assembly and packaging with high thermal requirements

Laserstrahlhartlöten mittels Lotformteil als Fügemethode für die Aufbau- und Verbindungstechnik für Hochtemperaturanwendungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-189155
  • In the scope of this work, a novel joining process was developed and investigated from both an application-driven and an academic point of view. The process utilises laser radiation to melt a CuSn-braze preform, which is subsequently detached from a ceramic capillary via inert gas overpressure. After a flight phase, the braze droplet impinges on the joining interface and wets the joining partners where it forms a metallurgical bond after solidification. This process is referred to as laser drop on demand joining (LDJ). It was shown that the shear strength of the joints exceeds the strength of standard tin-based solders by a factor of two and the joints are able to withstand the temperaturesIn the scope of this work, a novel joining process was developed and investigated from both an application-driven and an academic point of view. The process utilises laser radiation to melt a CuSn-braze preform, which is subsequently detached from a ceramic capillary via inert gas overpressure. After a flight phase, the braze droplet impinges on the joining interface and wets the joining partners where it forms a metallurgical bond after solidification. This process is referred to as laser drop on demand joining (LDJ). It was shown that the shear strength of the joints exceeds the strength of standard tin-based solders by a factor of two and the joints are able to withstand the temperatures and forces occurring during an Al-Casting process. In addition, an ana-lytic model was developed, enabling to quantify the absorptance and thermal energy losses by heat convection, conduction, and radiation, by measuring the time required to melt the preform.show moreshow less
  • Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Fügeprozess entwickelt und sowohl aus anwendungsorientierter als auch aus wissenschaftlicher Sicht untersucht. Bei diesem Verfahren wird mittels Laserstrahlung ein CuSn-Löt-formteil aufgeschmolzen, und anschließend mittels Inertgasüberdruck aus einer keramischen Kapillare ausgetrieben. Nach einer Flugphase trifft der Löttropfen auf die Fügefläche und benetzt die Fügepartner, wo er nach der Erstarrung eine metallurgische Verbindung bildet. Dieser Prozess wird als Laser Drop on Demand Joining (LDJ) bezeichnet. Es konnte gezeigt werden, dass die Scherfestigkeit der Verbindungen die Festigkeit von Standardloten auf Zinnbasis um den Faktor zweiIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Fügeprozess entwickelt und sowohl aus anwendungsorientierter als auch aus wissenschaftlicher Sicht untersucht. Bei diesem Verfahren wird mittels Laserstrahlung ein CuSn-Löt-formteil aufgeschmolzen, und anschließend mittels Inertgasüberdruck aus einer keramischen Kapillare ausgetrieben. Nach einer Flugphase trifft der Löttropfen auf die Fügefläche und benetzt die Fügepartner, wo er nach der Erstarrung eine metallurgische Verbindung bildet. Dieser Prozess wird als Laser Drop on Demand Joining (LDJ) bezeichnet. Es konnte gezeigt werden, dass die Scherfestigkeit der Verbindungen die Festigkeit von Standardloten auf Zinnbasis um den Faktor zwei übersteigt und die erzeugte Verbindung zudem den Temperaturen und Scherkräften, die während des Al-Druckguss-prozesses auftreten widersteht. Darüber hinaus kann durch die Messung des zum Aufschmelzen des Lotformteils notwendigen Zeitraums eine Quantifizierung des Absorptionsgrades von Metallen sowie von Energieverlusten durch Konvektion, Konduktion und Wärmestrahlung möglich.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stefan SteinORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-189155
Persistent identifiers - DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-508-7
ISBN:978-3-96147-508-7
Series (Volume number):FAU Studien aus dem Maschinenbau (388)
Publisher:FAU University Press
Place:Erlangen
Editor:Jörg Franke, Nico Hanenkamp, Tino Hausotte, Marion Merklein, Michael Schmidt, Sandro Wartzack
Referee:Michael Schmidt, Welf-Guntram Drossel
Advisor:Michael Schmidt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2022
Date of online publication (Embargo Date):2022/03/28
Publishing Institution:FAU University Press
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2021/11/08
Release Date:2022/03/29
Tag:Actuator; Brazing; Casting; Drop on demand; Droplet; Electronics Packaging; Joining; Laser; Smart Structure; Soldering
SWD-Keyword:Verbindungstechnik; Löten; Laser; Elektrotechnik; Aufbau- und Verbindungstechnik; Ingenieurwissenschaften; Maschinenbau; Produktionstechnik
Length/size:x, 112 Seiten
Notes:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-507-0
Original publication:mb.fau.de/diss
Institutes:Technische Fakultät / Department Maschinenbau
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 670 Industrielle Fertigung
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 673 Nichteisenmetalle
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 679 Andere Produkte aus einzelnen Werkstoffen
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International
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