Vakuumsko tesni laserski zvari za hermetično inkapsulacijo elektronskih sestavnih delov Vacuum Tight Laser Welds for Hermetical Incapsulation of Electronic Parts S. Spruk, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 61111 Ljubljana M. Jenko, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 61001 Ljubljana L. Koller, D. Railič, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 61111 Ljubljana Raziskali smo mikrostrukturo laserskih zvarov mehkomagnetnega železa Vacofer S2, zaščitenega s 4 p m debelo galvansko plastjo Ni in 0.2 p m debelo galvansko prevleko Au z zlitino CuNi30Fe; njihovo geometrijo in vakuumsko tesnost ter študirali vpliv širjenja toplote med procesom laserskega varjenja na kompresijske spoje steklo-kovina. Določili smo optimalne pogoje procesa laserskega varjenja. Ključne besede: lasersko varjenje, mikrostruktura laserskih zvarov, optimalni pogoji, vakuumsko tesnost Our investigation deals vvith the microstructure of the vacuum tight laser vvelds of the vvelding pairs: soft magnetic iron Vacofer S2 protected vvith nickel plated coating of thickness 4 /im and gold plated coating of thickness 0.2 /im — CuNi30Fe alloy of thickness 0.25 mm their geometry and tightness. The thermal influence on the compression glass-to-metal seals during the process of laser vvelding, and the optimal conditions of the laser vvelding process have been also determined. Key vvords: laser welding, microstructure of laser vvelds, optimal conditions, vacuum tightness 1 Uvod Eden od pogojev za zanesljivost profesionalnih elektronskih sestavnih delov je njihova vakuumsko tesna inkapsulacija, ki nam jo zagotavlja hermetičen kompresijski spoj steklo-kovina ter zanesljiv laserski zvar. Hermetičen spoj steklo-kovina dosežemo s pravilno oblikovanimi komponentami spoja ter skrbno vodenim procesom zataljevanja: vakuumsko tesen laserski zvar pa s pravilno izbranimi optimalnimi pogoji procesa laserskega varjenja ter s primemo geometrijo obeh komponent varjenca1. S predhodnimi poizkusi smo ugotovili, da je potrebno na podnožju releja izdelati varilni rob, ki ščiti med postopkom laserskega varjenja spoje steklo-kovina pred toplotnimi šoki. Ugotovili smo tudi, da je galvanska prevleka niklja in zlata odlična protiko-rozijska zaščita podnožja2. Za varjenje lahko uporabljamo kontinuime ali pulzirajoče laserske varilnike. Za točkasto varjenje uporabljamo pulzirajoče laserje in ponavadi je že en sam pulz dovolj za kvaliteten zvar. Lahko pa s pulzirajočint laserjem dobimo verigo točkastih zvarov, ki se prekrivajo ter na ta način dobimo kvaliteten kontinuimi zvar. Osnovni princip varjenja je, da dve enaki ali različni kovini spravimo v tesen kontakt in področje okoli kontakta grejemo toliko časa, dokler se materiala ne raztalita in zlijeta skupaj. V kovini se absorbirani del svetlobne energije pretvori v toplotno. Dovedene toplotne energije mora biti dovolj, da se raztali zadosten volumen materiala . Če je dovedene toplotne energije preveč, pride do izparcvanja, kar povzroči poroznost zvarov, obenem pa lahko pride do toplotne preobremenitve podnožja, kar privede do porušitve kompresi-jskega spoja steklo-kovina zaradi pojava nateznih napetosti v steklu . Raziskali smo laserske zvare mehkomagnetnega železa Vacofer S2, zaščitenega s 4 //m debelo galvansko plastjo niklja in 0.2 /i m debelo galvansko prevleko zlata z zlitino CuNi30Fe; njihovo mikrostrukturo, geometrijo in vakuumsko tesnost. 2 Eksperimentalno delo Varjenje poteka v posebno oblikovani miniaturni komori v zaščitni atmosferi čistega dušika ali argona. Osnovni namen plinske zaščite je preprečevanje oksidacije in usedanja kovinskih par na fokusirno lečje. Za kontinuime zvare smo uporabili pulzirajoči laserski varilnik J.K. Lasers, system 2000 Welding z lasersko palico Nd-steklo, trajanje pulza 1-20 ms, maksimalna izhodna energija 100 J, moč napajalnika 10 kW, maksimalna frekvenca pulzov 100 Hz.6. Parametri laserskega varjenja: • frekvenca pulzov /Hz: 20 izhodna energija /J: 3 trajanje pulza/ms: 10, 11, 12, 13, 14, 15 • frekvenca pulzov /Hz: 20 izhodna energija /J: 4 trajanje pulza/ms: 10, 11, 12, 13, 14, 15 • frekvenca pulzov /H z: 20 izhodna energija /J: 4.5 trajanje pulza/ms: 10, 11, 12, 13, 14, 15 Vakuumsko tesnost laserskih zvarov smo kontrolirali s He-leak detektorjem Varian 936-65 po standardih MIL-R-5757 in MIL-STD-202-G, metoda 112A5'7. Vpliv širjenja toplote na zanesljivost kompresijskih spojev steklo-kovina med procesom laserskega varjenja smo zasledovali z merjenjem temperature. Termoelement Fc-CuNi (

.* » ; f*<* »• .. .. i i • t* •>* 4 Slik« 1. Prerez kompresijskega spoja steklo-kovina po toplotni preobremenitvi, 50 x. Figure 1. A cross section of the compression glass-to-meta! seal after thermal overloading, 50 x . Širjenje toplote med laserskim varjenjem smo zasledovali z merjenjem temperature v neposredni bližini kompresijskega spoja steklo-kovina. Spremembo temperature smo beležili s pisalnikom. Slika 2a prikazuje presek laserskega zvara med ohišjem releja in podnožjem v primeru, ko smo na podnožje položili posebno oblikovan bakren kvader. Na sliki 2b je prikazana sprememba temperature v odvisnosti od časa laserskega varjenja za omenjeni vzorec. Parametri laserskega varjenja so bili: 20 Hz, 4 J, 11 ms. S slike je razvidno, da temperatura v bližini kompresijskega spoja steklo-kovina med laserskim varjenjem ne preseže kritične vrednosti 250°C ter da je zvar kvaliteten in neporozen. Slika 3a prikazuje presek laserskega zvara med ohišjem releja in podnožjem v primeru, ko smo varili brez bakrenih kvadrov. Na sliki 3b je prikazana sprememba temperature v odvisnosti od laserskega varjenja za omenjeni vzorec. rrci 96 - 11A UJ Slika 2. a) Prerez laserskega zvara v primeru, ko varimo s pomočjo posebno oblikovanega bakrenega kvadra. Parametri laserskega varjenja: 20 Hz, 4 J, 11 ms. Jedkano z nitalom, 100 X. b) Sprememba temperature v odvisnosti od časa laserskega varjenja za omenjeni vzorec. Figure 2. a) A cross section of the laser weld in the čase of welding vvith a copper block. Laser vvelding parameters were: 20 Hz, 4 J. 11 ms. Etched vvith nital, 100 x. b) Temperature variation vvith the laser vvelding time for the mentioned sample. rrir Slika 3. a) Prerez laserskega zvara v primeru, ko varimo brez bakrenega kvadra. Parametri laserskega varjenja: 20 Hz, 4.5 J. 15 ms. Jedkano z nitalom, 100 x. b) Sprememba temperature v odvisnosti od časa laserskega varjenja za omenjeni vzorec. Figure 3. a) A cross section of the laser vveld in the čase of vvelding vvithout a copper block. Laser vvelding parameters vvere: 20 Hz, 4.5 J, 15 ms. Etched vvith nital, 100 X. b) Temperature vanation vvith the laser vvelding time for the mentioned sample. % • Slika 4. Prerez kvalitetnega kompresijskega spoja steklo-kovina. 50 x. Figure 4. A cross section of a high quality compression glass-to-metal seal, 50 x . Slika 5. Prerez laserskega zvara v primeru, ko varimo brez bakrenega kvadra. Parametri laserskega varjenja: 20 Hz, 3 J. 12 ms. Jedkano z nitalom, 100 x. Figure 5. A cross section of the laser weld in the čase of welding vvithout a copper block. Laser welding parameters vvere: 20 Hz, 3 J. 12 ms. F.tched vvith nital, 100 X. Parametri laserskega varjenja so bili: 20 Hz, 4.5 J, 15 ms. Kljub temu, da tudi tukaj temperatura v bližini kompre-sijskega spoja steklo-kovina med laserskim varjenjem ne presega vrednosti 250° C, je zvar porozen. Iz tega lahko sklepamo, da bakreni kvadri ugodno vplivajo na proces laserskega varjenja, saj dobimo pri varjenju z bakrenimi kvadri kvalitetnejše in vakuumsko tesne zvare. Tudi kompresijski spoji steklo-kovina so po končanem varjenju hermetični le v primerih, ko varimo z bakrenimi kvadri ob optimalno izbranih parametrih laserskega varjenja (slika 4). Rezultati so pokazali, da energija pulza 3 J ni zadostna za izbrani rele, kajti laserski žarek raztali le eno od obeh komponent varjenca, kar je prikazano na sliki 5. Pri energiji pulza 4.5 J pride do poroznosti zvara, kar pomeni, da je dovedena energija previsoka. Vakuumsko tesne laserske zvare smo dobili pri energiji pulza 4 J ter pri trajanju pulza 10, 11, 12, 13 in 14 ms, vendar vedno le v primerih, ko smo varili s pomočjo bakrenih kvadrov. 4 Sklepi Raziskave laserskega varjenja za hermetično inkapsulacijo elektronskih sestavnih delov so pokazale, da je za vakuumsko tesen laserski zvar ter obenem kvaliteten spoj steklo-kovina izredno pomembna geometrija zvara. Obe komponenti varjenca se morata tesno stikati, na podnožju, ki mora imeti primemo protikorozijsko zaščito mora biti izdelan varilni rob. Parametri laserskega varjenja morajo biti optimalno izbrani. Rezultati so pokazali, da je za raziskovani rele primerna energija pulza 4 J pri trajanju pulza llms. Kvalitetne in vakuumsko tesne zvare dobimo vedno le v primerih, ko med procesom laserskega varjenja na podnožje položimo posebno oblikovane bakrene kvadre. Dosežena vakuumska tesnost, ki jo moramo obvezno kontrolirati, je bila 1 x 10~8 Pam3/s, kar ustreza zahtevam standarda. 5 Literatura 1 M. Jenko, B. Jenko, L. Koller, D. Railič, A. Miklavčič, B. Miklavž, B. Kordiš: Študij laserskega varjenja kovin in zlitin za elektroniko, IEVT poročilo P-646/D1, 1989 2 S. Spruk, M. Jenko, L. Koller, D. Railič: Vaeuum tight laser vvelds, Vaeuum 43. p. 769-771. 1992 - S. Spruk, M. Jenko, L. Koller, D. Railič: The influence of heat transfer on the reliability of glass-to-metal seals, Proceedings MIEL-SD 92, p. 369-374, Portorož 1992 4 J. Wilson, J.F.B. Havvkes, Lasers, Principles and Applications, Prentice Hali, London, 1987 5 MIL-STD-202 E, Test methods for electronics and Elec-trical Component Parts, Method 112 A. 1980 6 J.K. Lasers: Systems 2000 for VVelding 7 MIL-R-5757 G, Military Specifications, Relays. Electro-magnetic, 1982