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

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Diss. Reihe Maschinenbau, Band 388

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-03-29
Issue Year
2022
Authors
Stein, Stefan
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Hausotte, Tino
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-508-7
Abstract

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 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.

Abstract

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 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.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
388
Citation
mb.fau.de/diss
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-507-0
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