ES2200460T3 - Procedimiento y dispositivo para el calentamiento de por lo menos dos elementos mediante rayos laser con elevada densidad de energia. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para el calentamiento de por lo menos dos elementos mediante rayos laser con elevada densidad de energia.

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ES2200460T3 ES99125782T ES99125782T ES2200460T3 ES 2200460 T3 ES2200460 T3 ES 2200460T3 ES 99125782 T ES99125782 T ES 99125782T ES 99125782 T ES99125782 T ES 99125782T ES 2200460 T3 ES2200460 T3 ES 2200460T3
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Abstract

Procedimiento para la unión diferentes piezas (4, 5) de plástico o plástico con otros materiales, estando formada la pieza superior (4) dirigida a la fuente láser (1) de un material transparente para el rayo láser (2), y la segunda pieza (5) de un material absorbente del rayo láser (2), de tal manera que las superficies de contacto (7), colindantes de las dos piezas (4, 5) se funden y con la subsiguiente refrigeración permanecen unidas entre sí bajo presión, disponiéndose se entre la fuente láser (1) y las piezas a unir (4 y 5), para la unión de las piezas de trabajo en una zona determinada de junta (6) de la superficie de contacto (7) una máscara (3) de un material opaco al láser, cuyas estructuras (9) son mayores que la longitud de onda empleada del rayo láser (2), que la fuente láser (1) se ajusta de tal manera sobre la superficie de contacto (7), que se forma un rayo láser tipo cortina y en la superficie de contacto se origina una línea (8), y el rayo láser (2) y la máscara (3) se puededesplazar entre ellos, y para la generación de una densidad de energía elevada se juntan en la zona de junta (6) en por lo menos dos diodos láser (1''-1"") y a continuación se generan mediante una óptica zoom (12) diferentes longitudes de líneas láser (8).

Description

Procedimiento y dispositivo para el calentamiento de por lo menos dos elementos mediante rayos láser con elevada densidad de energía.
La presente invención se refiere a un procedimiento para el calentamiento de por lo menos dos elementos mediante rayos láser.
La presente invención se refiere especialmente a un procedimiento láser para la unión de diferentes piezas de trabajo de plástico o de plástico con otros materiales, siendo la pieza de trabajo superior, dirigida a la fuente láser, de un material transparente para el rayo láser, y la segunda pieza de trabajo de un material absorbente para el rayo láser, de tal manera que las superficies de contacto colindantes de las dos piezas de trabajo se funden y con la refrigeración subsiguiente permanecen unidas entre sí, disponiéndose entre la fuente láser y las piezas de trabajo a unir para la unión de los piezas de trabajo en una determinada zona de junta de la superficie de contacto una máscara de un material opaco al láser, cuyas estructuras son mayores que la longitud de onda empleada del rayo láser, que la fuente láser se ajusta de tal manera sobre la superficie de contacto, que se forma un rayo láser tipo cortina, y en la superficie de contacto se origina una línea y el rayo láser y la máscara se puede desplazar relativamente entre ellos.
Éste procedimiento se describe en el documento EP-A-0 997 261, que es el estado actual de la técnica en el sentido del artículo 54 (3) CEP. Este procedimiento de máscara para componentes microestructurados necesitan velocidades de desplazamientos muy altas entre el rayo láser y los componentes a unir. Para alcanzar, por otra parte, también la temperatura de fusión necesaria, éste exige una densidad de energía elevada del rayo láser. Las series de diodos láser disponibles actualmente de láser de semiconductores alcanzan, sin embargo, sólo una potencia máxima de 60-80 W. Es cierto, que hay también pilas de diodos con una potencia de la gama de kW, cuyo rayo láser se puede llevar también mediante una óptica adecuada a una línea. De forma conveniente se guía el rayo láser perpendicular a la zona de junta de la superficie de contacto, para conseguir la reproducción más exacta posible, especialmente en pequeñas estructuras, y evitar efectos de sombra innecesarios. Mediante la construcción de este láser en forma de pilas de diodos, incide el rayo láser formando un ángulo sobre la máscara. Para el procedimiento de juntas de máscaras no es aceptable un ángulo de esta clase debido a las inexactitudes resultantes.
Para la aplicación o extracción de elementos semiconductores SMD (Surface Mount Device) sobre un soporte se describe en el documento EP-A-1 093 880, que en el sentido del artículo 54 (3) CEP es el estado de la técnica, un procedimiento, para calentar éste mediante rayos láser con los conductores sobre una placa de circuitos impresos. La unión puede realizarse para ello mediante una soldadura o también sólo por el calentamiento correspondiente de la otra parte a unir sin soldadura (las denominadas microjuntas). Según el procedimiento, se dispone entre la fuente láser y los elementos constructivos una máscara de un material transparente al rayo láser, en la que se quitan las zonas a unir. Todas las zonas de calentamiento se radian entonces mediante uno o varios rayos láser individualmente o simultáneamente, de tal manera que las zonas de calentamiento de los elementos constructivos se calientan y se unen entre ellos o se separan. Para ello se puede elegir también, entre otros, un rayo láser de forma lineal, que con relación a los elementos constructivos, en general, es más lento que con el procedimiento de junta láser citado, pero también puede representar un problema la preparación de la densidad de energía necesaria.
Por el documento WO-A-96/16570 se describe un procedimiento para el calentamiento selectivo de por lo menos dos materiales mediante rayos láser, habiéndose dispuesto entre la fuente de rayo y los materiales una máscara de un material permeable a los rayos, y en el que se quitan las zonas, a través de las cuales la radiación láser se conduce a las zonas de calentamiento seleccionadas de los materiales dispuestos debajo de la máscara. Mediante un zoom óptico se generen diferentes longitudes de líneas láser, calentándose las zonas de calentamiento por radiación, realizándose un movimiento relativo entre un rayo láser y los materiales. Con el procedimiento descrito se emplea un láser Excimer externo para producir litográficamente una figura conformada sobre la pieza.
El documento EP-A-835 715 da a conocer un dispositivo y un procedimiento para el tratamiento láser de una pieza de trabajo mediante una láser de diodos, que con su óptica láser está configurado para la configuración de un foco de forma de línea de focos. Para conseguir una potencia láser suficiente se configuran varios láseres de diodos por la reunión de elementos de acoplamiento y mediante una óptica láser correspondiente sobre las líneas de focos 13.
El documento EP-A-836 905 da a conocer un procedimiento y una disposición para el tratamiento de la superficie con temperatura regulada, especialmente para el templado de superficies de piezas de trabajo mediante rayos láser, tratándose una distribución de intensidad de rayos láser a las superficies de las piezas de trabajo de forma continua a un perfil de temperatura deseada. Para ello se lleva una adición de potencia mediante la superposición de diferentes focos de líneas individuales de la pila de diodos sobre la superficie de la zona de trabajo.
La presente invención tiene por ello el objeto de proponer una posibilidad para la preparación de una densidad de energía suficiente, para conseguir un calentamiento suficiente para la finalidad de unir por lo menos dos elementos de materiales iguales o distintos, según el procedimiento láser indicado al principio, es decir, una unión superficial de primera calidad en la zona de unión de cuerpos, planos colocados uno encima del otro, siendo por lo menos un cuerpo de plástico, con una zona de unión bien definida.
Este objeto se consigue según la invención gracias a un procedimiento con las características de la reivindicación 1. Otras configuraciones ventajosas del procedimiento se deducen de las subreivindicaciones.
A continuación se reúnen para la generación de una alta densidad energía en la zona de unión rayos láser de por lo menos dos clases de diodos y a continuación se genera mediante un zoom óptico, diferentes longitudes de líneas láser. Éste comprende, por ejemplo, una lente cilíndrica, que se puede desplazar en la dirección del rayo, para poder ajustar la separación a la máscara de forma variable. El movimiento relativo entre el rayo láser y los componentes se puede conseguir mediante los desplazamientos del rayo láser, por ejemplo, mediante un espejo desviador móvil o mediante el movimiento de los componentes sobre una mesa x-y.
Según una forma de realización preferente, se mezcla a un primer rayo láser, que discurre perpendicular a la superficie de la máscara, por lo menos otros rayo láser secundario que discurre perpendicular al primero, a través de un divisor de rayos se mezcla y el rayo láser resultante se dirigen a la máscara. Para ello se emplea un divisor de rayos bien definido, que es de elevada transparencia para un rayo láser y es muy reflejante para el rayo láser secundario que incide perpendicularmente al primer rayo láser. Preferentemente se emplean rayos láser con distinta longitud de onda o con igual longitud de onda, pero polarización distinta. Este procedimiento y el correspondiente dispositivo permiten actualmente una potencia de 200-300 W.
Según otros forma de realización preferente se focalizan varios rayos láser separadamente entre sí, mediante una lente sobre la zona de la junta. Para ello se disponen las fuentes de luz (separación aproximadamente 1 mm). La construcción compacta puede limitar el problema del ángulo, si la distancia focal es suficientemente larga desde la línea de focos. Con ello es posible actualmente una potencia de 200 W.
Este procedimiento permite, de este modo, unir con una elevada calidad piezas de placas de plástico o inyectadas o entre sí o con otros materiales, por ejemplo, metal, aleaciones, plástico, cerámica, materiales semiconductores, sustancias orgánicas o no orgánicas, con ciclos cortos o piezas que están finalmente estructuradas, sin daño de la estructura en la zona deseada de forma precisa, poniéndose a disposición una densidad de energía suficiente a pesar de la potencia de láser en principio demasiado reducida, y, por otra parte, modificar la longitud de la línea. De este modo se consigue una alta flexibilidad.
A continuación se explicará la invención con mayor detalle mediante ejemplos de realización con los dibujos adjuntos, que representan
La figura 1, una representación de principio de una disposición con dos fuentes de láser dispuestos perpendiculares entre sí;
La figura 2, una representación esquemática para la disposición según la figura 1, con varias fuentes de láser paralelas perpendiculares a una primera fuente láser, y
La figura 3, una representación de principio con otra construcción de la fuente láser de semiconductores paralelos.
La figura 1 muestra, a título de ejemplo, una disposición para la soldadura plana de placas de plástico 4, 5, que sólo se deben soldar en una zona de junta determinada 6 mediante un rayo láser 2 y una máscara 3. De acuerdo con ello se podría configurar la disposición también para la unión o separación de elementos constructivos (SMD en soportes, etc.). La disposición está formada de una primera fuente láser 1', por ejemplo, de uno o de varios láseres semiconductores, dispuestos en línea (láser de diodo), cuya radiación de láser emitida se colima con una lente de colimador 13'. La fuente de láser 1' se sitúa de tal manera que el rayo láser 2 se coloca como cortina de rayo perpendicular a las aberturas 9 de la máscara 3 en la zona de junta 6 de la zona de contacto 7 entre las dos placas de plástico 4, 5. Previamente llega el rayo láser 2' a través de un divisor de rayo 10 que es de alta transparencia para el rayo láser 2'. Desde la fuente láser 1'' dispuesta perpendicular al primer rayo láser 2', llega asimismo mediante una lente de colimador 13'' un rayo láser correspondiente 2'' al divisor láser 10 e incide y sobre una superficie 11, que es altamente reflejante para este rayo láser 2'' y lo une con el rayo láser 2' de una longitud de onda distinta al primer rayo láser 2''. Otra posibilidad es que las longitudes de onda de dos rayos láser 2', 2'' sean iguales, pero la polarización distinta. Siempre que varias fuentes láser se dispongan paralelas a la fuente láser 1'' para incrementar la densidad de la energía, entonces estas cuatro se indican esquemáticamente en la figura 2, junto con las partes de rayo 10'-10'''. Las condiciones para las longitudes de onda o polarización son correspondientemente válidas.
El rayo láser 2 incide a continuación sobre una lente cilíndrica 12, que se puede desplazar en la dirección del rayo, para generar diferentes longitudes de línea. Estas se han representado a trazos.
La línea láser activa 8 radia sobre la superficie de contacto 7. Para ello se ha configurado, como es necesario para este procedimiento, la placa de plástico 4 para la radiación láser y la placa de plástico 5 absorbente. El rayo láser 2 se desplaza continuamente con relación a una máscara 3 o a las placas de plástico 4, 5, de tal manera que las placas de plástico 4, 5 llegan directamente debajo de la línea láser a un estado de fusión y a continuación se fijan después del enfriamiento.
La figura 3 muestra esquemáticamente una forma de realización que presenta varias fuentes láser 14'-14''' dispuestos paralelas entre sí, de tal manera que los rayos láser generados 2'-2''' discurren muy cerca uno del otro, para generar el error angular lo más pequeño posible. La separación de las fuentes láser es de 1 mm aproximadamente, pudiéndose emplear para limitar el error angular, sólo tantas fuentes láser que resulte un espesor máximo de los rayos paralelos 2'-2''' de unos 5 mm. Los rayos paralelos 2'-2'' se coliman mediante una lente colectora 15' sobre la superficie de contacto 7.
El movimiento relativo necesario anteriormente citado puede realizarse por el desplazamiento de las placas de plástico 4, 5 o del rayo láser 2. Esto se podrá realizar, por ejemplo, mediante el empleo adicional de un espejo de desvío móvil dentro del recorrido del rayo antes de la lente de cilindro o de la lente colectora.

Claims (4)

1. Procedimiento para la unión diferentes piezas (4, 5) de plástico o plástico con otros materiales, estando formada la pieza superior (4) dirigida a la fuente láser (1) de un material transparente para el rayo láser (2), y la segunda pieza (5) de un material absorbente del rayo láser (2), de tal manera que las superficies de contacto (7), colindantes de las dos piezas (4, 5) se funden y con la subsiguiente refrigeración permanecen unidas entre sí bajo presión, disponiéndose se entre la fuente láser (1) y las piezas a unir (4 y 5), para la unión de las piezas de trabajo en una zona determinada de junta (6) de la superficie de contacto (7) una máscara (3) de un material opaco al láser, cuyas estructuras (9) son mayores que la longitud de onda empleada del rayo láser (2), que la fuente láser (1) se ajusta de tal manera sobre la superficie de contacto (7), que se forma un rayo láser tipo cortina y en la superficie de contacto se origina una línea (8), y el rayo láser (2) y la máscara (3) se puede desplazar entre ellos, y para la generación de una densidad de energía elevada se juntan en la zona de junta (6) en por lo menos dos diodos láser (1'- 1'''') y a continuación se generan mediante una óptica zoom (12) diferentes longitudes de líneas láser (8).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque para un primer rayo láser (2'), que discurre perpendicularmente a la superficie de la máscara (3) se añade por lo menos a través de un separador de rayos (10-10''') y se sitúa un rayo láser secundario (2'-2''''), que discurre perpendicularmente al primer rayo láser y el rayo láser resultante (2) se dirige a la zona de junta (6).
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque los rayos láser se emplean con diferentes longitudes de onda o con la misma longitud de onda pero con polarización diferente.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque varios rayos láser (2'-2''') se focalizan parcialmente entre ellos mediante una lente (15) sobre la zona de junta (6).
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