Influence of Nanosecond Prepulsing on the Stability of Copper Spot Welding with IR Laser Radiation

Spot welding with laser radiation strongly depends on the material of the joining partners. While most iron based metals can be welded with high process stability, copper alloys and especially pure copper for electronics manufacturing cannot be welded with a satisfactory yield. Here, the lack of process stability so far has prevented the establishment of laser spot welding. While this problem is known, the reason for it and an effective measure against it are missing. In this work, a theoretical expression for laser spot welding stability is developed and the control of the laser absorption on the copper surface is identified as the key for improving copper spot welding stability. With a laser pulse in the nanosecond pulse duration regime (prepulse), the copper surface is oxidized prior to each spot welding laser pulse. The local oxidation leads to increased absorption of the welding pulse radiation. Thereby, the stability of copper spot welding with IR laser radiation is significantly increased. In a wide parameter range, reliable spot welding with consistent spot weld diameters is achieved. Experimental results and process monitoring data are used to confirm the theoretical stability model. Das Punktschweißen mit Laserstrahlung hängt besonders von den Materialien der Fügepartner ab. Beim Fügen von Kupferverbindungen und reinem Kupfer wird keine hinreichende Prozessstabilität erreicht. Aus diesem Grund konnten Laserverfahren für das Fügen in der Elektronikfertigung bisher nicht etabliert werden. Obwohl dieses Problem bekannt ist, sind die Ursachen noch nicht vollständig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher eine theoretische Beschreibung der Prozessstabilität beim Laserpunktschweißen entwickelt und die Steuerung des Absorptionsgrads der Kupferoberfläche als Schlüsselmechanismus für die Verbesserung der Prozessstabilität identifiziert. Hierfür wird die Kupferoberfläche vor jedem Schweißpuls mit einem Laserpuls im Nanosekundenbereich (Vorpuls) bestrahlt. Die so erzeugten Oxidschichten führen zu einer erhöhten Absorption der darauffolgenden Strahlung des Schweißpulses und einer wesentlich verbesserten Prozessstabilität beim Kupferschweißen mit IR-Laserstrahlung. Die experimentellen Ergebnisse und die Daten aus einer Prozessüberwachung werden für die Beurteilung des theoretischen Stabilitätsmodells herangezogen.