Optimiertes Glasrohrtrennen für die automatisierte Reedschalterfertigung

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1 Optimiertes Glasrohrtrennen für die automatisierte Reedschalterfertigung S.Wächter, H.Müller, J.Heyder*, A.Werlich*, IFW GmbH Jena, * Meder electronic AG Großbreitenbach Kurzfassung Die Firma MEDER electronic AG stellt Reedschalter durch Lasereinschmelzen von metallischen Kontakten in Glaskapillaren her. Maßhaltigkeit, Konturtreue und vor allem Partikelfreiheit im Kapillarinneren der hierfür verwendeten Glasabschnitte sind entscheidend für die Produktivität im weiteren Herstellungsprozess. Hierfür wurde ein lasergestütztes Trennverfahren entwickelt, welches diese Anforderungen im Gegensatz zum mechanischen Ritzen und Brechen in wesentlich höherem Maße erfüllt. Nachfolgend wird das lasergestützte Absprengen und dessen Umsetzung in einer Automatisierungslösung beschrieben. 1. Einleitung Reedschalter, Reedrelais und Reedsensoren der Firma MEDER electronic AG werden weltweit in nahezu allen Marktsegmenten, wie z.b. Sensorik, Messtechnik, Telekommunikation, Haushaltstechnik, Sicherheitsmarkt, Automobil-Industrie oder Medizintechnik eingesetzt /1/. Folgende Eigenschaften zeichnen diese Bauteile unter anderem aus: Verlustfreies Schalten von Nanovolt bis 10 5 Volt / Femtoampere bis 5A / Signale bis 7GHz Sicheres Schalten in Vakuum, Wasser, Öl und in sonstigen aggressiven Umgebungen Arbeitsbereich: zwischen -55 C und C Lebensdauer: bis zu 10 9 Schaltspiele Bild 1: Reedschalter MK23, MEDER Bild 2: Herstellung der Reedschalter im Nutzen

2 Zentraler Bestandteil dieser Bauteile ist der Reedkontakt (Bild 1), welcher im zwanziger Nutzen hergestellt wird (Bild 2). In die Kapillarrohrabschnitte werden beidseitig die thermisch vorbehandelten und beschichteten Kontaktkämme eingeführt. Die in einer Vorrichtung zueinander positionierten Teile werden unter Schutzgas mit dem Laser verschmolzen. An die Maßhaltigkeit und Konturtreue der Glasabschnitte werden dabei höchste Anforderungen gestellt. Es dürfen keine Glasspitzen überstehen, die abbrechen können oder zu Fehljustagen in der Vorrichtung führen. Entscheidend ist auch das Aufschmelzen eines exakten Glasvolumens, um einerseits einen hermetisch dichten Verschluss zu garantieren und andererseits in Kombination von Kontaktausrichtung und Oberflächenspannung der Glasschmelze einen reproduzierbaren Kontaktabstand von 10µm bis 20µm nach Erstarren der Schmelze zu erreichen. Besondere Anforderungen bestehen hinsichtlich Partikelfreiheit im Kapillarinneren, wenn man bedenkt, dass bereits Partikel von 3µm zwischen den parallel angeordneten Kontaktzungen ein zuverlässiges Schalten verhindern. 2. Aufgabe Für die Pilotfertigung von einigen 10 5 Stück pro Jahr wurden 20 Kapillarröhrchen nebeneinander in einer Vorrichtung mechanisch geritzt und gebrochen, so dass die Glasabschnitte für Transport und Weiterverarbeitung anschließend auf den ersten Kontaktkamm aufgeschoben werden konnten. Konturtreue und Maßhaltigkeit der Glasabschnitte waren jedoch unbefriedigend (Bild 3) und durch das Ritzen mit einer rotierenden Diamanttrennscheibe kam es trotz ausgeklügelter Absaugung zu einer stärkeren Partikelbelastung von Glas und Vorrichtung. Auch ließ die Standzeit des Diamanträdchens zu wünschen übrig, so dass ständig geprüft und nachjustiert werden musste. In Folge all dessen schwankte die Ausbeute des gesamten Fertigungsprozesses typischerweise um die 60%. Es wurde nach einem Trennprozess für Reedglasabschnitte gesucht, der einerseits durch verbesserte Konturtreue und Maßhaltigkeit, sowie Partikelfreiheit im Kapillarinneren zu einer deutlichen Steigerung der Ausbeute an Reedschaltern laut Spezifikation führt. Anderseits muss der Trennprozess Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Taktzeit erfüllen, die eine teilautomatisierte Fertigung von 10 6 bis 10 7 Reedkontakten pro Jahr ermöglichen. Naheliegend war die Entwicklung eines lasergestützten Trennverfahrens, da mit dem Lasereinschmelzen bereits Erfahrung mit dieser Technologie vorlagen und der Laserstrahl als Werkzeug quasi kraft- und berührungsfrei auf das Glas einwirkt, was sich günstig auf das Handling und die Gefahr der Partikelkontamination der Glasabschnitte auswirkt. Ansatz für das zu entwickelnde Trennverfahren war das anrissfreie laserinduzierte Absprengen von rotationsförmigen Glashohlkörpern, zu dem am IFW Jena Erfahrungen vorliegen. Eine Herausforderung stellte jedoch der dazu im Vergleich sehr kleine und von der Form her ungünstige Querschnitt des Reedglases dar (Bild 4).

3 2 mm Bild 3: mechanisch geritztes und Bild 4: typische Glashohlkörper, abgesprengt mit Laser - gebrochenes Reedglas* Größenvergleich zum Reedglas 3. Verfahren Beim anrissfreien laserinduzierten Absprengen wird der stationäre Laserfokus eines CO 2 - Lasers auf die Mantelfläche eines rotierenden Glashohlkörpers gerichtet. Durch die laserinduzierten thermischen Spannungen bricht das Glas spontan ohne Schädigung der Glasoberfläche. Ergebnis ist eine saubere rechtwinklige Bruchkante. Dieses Verfahren lässt sich auf Gläser anwenden, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α > 7x10-6 haben. Reedglas erfüllt mit α 9x10-6 diese Forderung. Um ein Absprengen herbei zu führen, muss die Glaswandung in radialer Richtung durchwärmt und damit ein entsprechend scharfer Temperaturgradient in axialer Richtung aufgebaut werden. Mit dem CO 2 -Laser gelingt dies nicht. In Verbindung des vergleichsweise großen Fokusdurchmessers, der in der selben Größenordnung wie die Wandungsstärke des Reedglases liegt, und der reinen Oberflächenabsorption der CO 2 -Laserwellenlänge, kommt es durch Wärmeleitung zu einem Durchwärmen des gesamten Glasquerschnittes in axialer Richtung. Hilfreich ist in diesem Zusammenhang, dass Reedglas eine Absorption von zirka 20% im Wellenlängenbereich von λ = 1,1µm hat. Die Strahlung eines Nd:YAG-Lasers wird demzufolge im Volumen absorbiert und erzeugt in Verbindung mit Fokusdurchmessern von 20 bis 60µm einen genügend großen Temperaturgradienten mit Tiefenwirkung. Weiterhin waren die Fragen von Eingriffsverhältnis und Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Glaskapillaren zu klären. Die traditionelle Anordnung: rotierende Glaskapillare unter stationärem Laserfokus führte auf Grund des nicht rotationsförmigen Querschnittes mit variablen Wandungsdicken von 0,24mm bis 0,46mm nicht zum Erfolg. Vor allem mit der Zielsetzung, 20 Kapillaren parallel in einem automatisierten Prozess mit Taktzeiten im Sekundenbereich zu trennen, kam nur eine Anordnung mit feststehenden Kapillaren und bewegtem Laserstrahl in Frage. Das beste Trennergebnis, stets unter Beachtung der Umsetzbarkeit in einer Automatisierungslösung, wurde mit einer Kombination aus laserinduzierter Rissführung und mechanischem Brechen erreicht. Die hochkant stehenden Kapillaren werden einseitig mit dem durch einen Spiegelscanner abgelenkten Laserstrahl überfahren. In der dickwandigen Schmalseite

4 des Reedglases wird dadurch ein Startriss initiiert, welcher durch Beaufschlagung mit einer Biegespannung zum Auflagepunkt der Kapillare auf der Bruchschneide hin läuft. Ausschlaggebend für einen konturtreuen senkrechten Bruchverlauf und Maßhaltigkeit der Glasabschnitte ist der Initialriss, welcher über die gesamte Schmalseite des Glases laufen muss. Zum Einsatz kommt hierbei ein endflächengepumpter Nd:YAG-Laser RS PowerLine 20E von Rofin Sinar, der auch mit Scannkopf und einer Brennweite von f = 160mm noch einen Fokusdurchmesser von 40µm ermöglicht. Die mittlere erforderliche Leistung beträgt P = 9W. Die Krafteinbringung zum Erzeugen einer Biegespannung liegt im Bereich von F = 0,5N bis 1N. Bild 5: Bild 6: Bild 7: Laserinduzierter Trennprozess: lasergetrennter Nutzen a 20 Stück Kontaktkamm, bestückt mit Glas- Vorrichtung mit Glasvorschub, Reedglasabschnitte in Aufnahme* abschnitten, fertig zur Weiterver- Bruchschneide, Krafteinleitung* arbeitung im Produktionsprozess* 4. Ergebnis / Umsetzung Das Verfahren wurde im Labormaßstab in einer fertigungsnahen automatisierten Vorrichtung zum Trennen von 20 parallel angeordneten Reedglaskapillaren umgesetzt, so dass die Glasabschnitte anschließend zur Weiterverarbeitung von den Kontaktkämmen aufgenommen werden können (Bilder 5-7). Derart wurden einige tausend Stück Glasabschnitte produziert, um Aussagen zu Maßhaltigkeit und Zuverlässigkeit treffen zu können. Eine Verarbeitung der Glasabschnitte im weiteren Fertigungsprozess zu Reedschaltern ergab eine Ausbeute von 75,6%. Das ist zwar vergleichbar zur Ausbeute mit herkömmlich mechanisch getrennten Glasabschnitten, unter Beachtung der Umgebungsbedingungen jedoch als Erfolg zu betrachten. Die Präparation der Glasabschnitte, das Auffädeln auf die Kontaktkämme und der Transfer zum Einschmelzen fanden nicht, wie sonst üblich, durchgängig unter Reinraumbedingungen statt. Vor allem die mit dem PKW-Transport verbundenen Vibrationen der Glasabschnitte auf den Kontaktkämmen sind in diesem Zusammenhang als kritisch anzusehen. Folgende technologisch relevanten Werte konnten für den laserinduzierten Trennprozess von Reedglasabschnitten nachgewiesen werden: Länge Standartabweichung Taktzeit Zuverlässigkeit l = 11,5 ± 0,1mm σ = 0,045 (100 Messwerte) t = 2.5s (20 Glasabschnitte) 4700 Glasabschnitte, 2 Teile Bruchversagen

5 Mitte 2005 wurde im Reinraum der Firma MEDER electronic AG ein Automat zum Bestücken von Kontaktkämmen mit Reedglasabschnitten in Betrieb genommen. Herzstück der Anlage ist die verbesserte Vorrichtung zum laserinduzierten Trennen von Reedglas, die sich am IFW bereits bewährt hatte (Bilder 8,9). Die Prozessausbeute für Reedglasschalter Typ STM10 hat sich auf 80% bis 90% erhöht. Eine Neuerung wurde in den Automaten gleich mit eingebaut. Nach positiven Vorversuchen im Laserlabor wurden zusätzliche Aufnahmestationen für das laserinduzierte Trennen von noch kleineren Reedglaskapillaren integriert. Nach einer kurzen Umrüstzeit können Glasabschnitte für eine neue Generation von Reedschaltern STM04 getrennt werden. Bei maßstäblich verkleinerter Querschnittsgeometrie von 0,8mm x 1,4mm haben diese Glasabschnitte nur noch eine Länge von 4,5mm. Die Fertigungstechnologie für STM04 befindet sich gegenwärtig in der Erprobung. Bild 8: Automat zur Bestückung von Kontaktkämmen mit Reedglasabschnitten, MEDER electronic AG, Großbreitenbach* Bild 9: Herzstück des Automaten: laserinduziertes Trennen von Reedglasabschnitten* /1/ Informationsmaterial und Internetseiten, MEDER electronic AG, * Bilder mit freundlicher Genehmigung der MEDER electronic AG Großbreitenbach