desarrollo de un sistema de control de la calidad y el proceso de microsoldaduras realizadas por...

Laser Zentrum Hannover e.V

Desarrollo de un sistema de control de la calidad y el proceso de Microsoldaduras

realizadas por Láser pulsado

Proyecto Final de Carrera

por

Jose Manuel Baena Martínez

Directores:

Dipl.-Ing. Thomas Stehr

Don Vicente Amigó Borrás Don Hernán Svoboda

Laser Zentrum Hannover e.V.

Buenos Aires, a 29.02.2008


Abstract Las microsoldaduras por Láser pulsado son empleadas hoy en día en muchos campos de la microelectrónica. Las inestabilidades del proceso en especial en la soldadura por Láser de Cobre requieren un control del proceso para asegurar la calidad y mejorar la eficacia. Con un control del proceso y la calidad basado en dos cámaras de alta velocidad, una coaxial a la dirección del Láser y otra offaxial, para el control de las microsoldaduras realizadas por Láser pulsado pueden ser observadas e interpretadas las fases del proceso para identificar los parámetros que optimizan la realización de las soldaduras.

Partiendo de una exhaustiva búsqueda bibliográfica, como punto de partida, se planteará el Estado de la técnica (Stand der Technik) mediante el estudio de los métodos y resultados llevados a cabo hasta el momento en lo referente a la realización de microsoldaduras realizadas por Láser pulsado, con especial enfoque al Cobre, así como en lo referente a la utilización de sistemas de control de microsoldaduras por Láser pulsado basados en cámaras de alta velocidad. Posteriormente en el ámbito de proyecto de diseño será diseñado y realizado un sistema de posicionamiento de las muestras a ensayar mediante Solidworks 2000, para la mejora de los ensayos realizados. Serán fijados los parámetros del Láser óptimos para el proceso de soldadura y se mostrará la capacidad del proceso mediante diferentes ensayos. Serán utilizadas dos estrategias diferentes de observación de las soldaduras, una pasiva a través de las emisiones primarias y secundarias y otra activa mediante la aplicación de un Diodoláser para iluminar y con la utilización de diferentes combinaciones de filtros en las cámaras para observar en las longitudes de onda requeridas.

El desarrollo de Algoritmos computacionales para aplicaciones automáticas no entra

dentro del alcance del presente proyecto, pero en futuras investigaciones se

deberían desarrollar programas que pudieran interpretar las diferentes zonas de las

fotografías por medio de un análisis de la intensidad de la definición de los píxel.


Índice

1 Introducción ................................... ................................................................ 1

1.1 Situación de partida y motivación ............................................................. 1 1.2 Objetivos ................................................................................................. 2

2 Estado de la técnica ............................ ........................................................... 3

2.1 Antecedentes ........................................................................................... 3 2.2 Microsoldaduras de Cobre por Láser pulsado .......................................... 4 2.3 Observación del proceso basada en cámaras ......................................... 8

3 Dispositivos utilizados y construcción del área d e ensayos ...................... 10

3.1 Dispositivo Láser ...................................................................................... 10 3.2 Cámaras de alta velocidad ....................................................................... 13

3.2.1 Generalidades ................................................................................ 13 3.2.2 Exposición ...................................................................................... 15 3.2.3 Cámara coaxial .............................................................................. 15 3.2.4 Cámara offaxial .............................................................................. 19

3.3 Filtros ........................................................................................................ 23 3.4 Sistema de iluminación ............................................................................. 33 3.5 Dispositivo de sujeción de los Circuitos Integrados .................................. 36

3.5.1 Placa base ..................................................................................... 36 3.5.2 Placa intermedia ............................................................................ 37 3.5.3 Elemento de sujeción de ICs ........................................................ 38 3.5.4 Montaje global ................................................................................ 39

3.6 Colocación de los componentes ............................................................... 42

4 Descripción de las piezas a soldar .............. .................................................. 45

4.1 Circuitos Integrados (ICs) ......................................................................... 45 4.2 Sensores FPS ......................................................................................... 47

5 Realización de los ensayos ...................... ..................................................... 48

5.1 Generalidades .......................................................................................... 48 5.2 Descripción de los ensayos y procesos de inspección ............................. 55

5.2.1 Fijación de los parámetros del Láser óptimos para la soldadura de ICs .............................................................................................. 57

5.2.2 Proceso de Inspección pasiva por medio de la observación de las emisiones primarias .................................................................... 63

5.2.3 Proceso de Inspección pasiva por medio de la observación de las emisiones secundarias ............................................................... 70

5.2.4 Proceso de Inspección Activa ........................................................ 75

6 Análisis de los Resultados ...................... ...................................................... 80

6.1 Generalidades .......................................................................................... 80


6.2 Determinación de las diferentes Fases del proceso y correlación con las correspondientes fotos ........................................................................ 81

7 Resumen y vista general ......................... ....................................................... 84 8 Bibliografía .................................... .................................................................. 87 9 Anexos .......................................... ................................................................... 88

Índice de imágenes Imagen 2.2.1 Fases del proceso en soldadura por Láser pulsado ................................ 5

Imagen 2.2.2 Variación del Grado de Absorción del Cobre con diferentes acabados superficiales en función del tiempo del Proceso ............................................................ 7

Imagen 2.2.3 Forma del pulso óptimo por [22] .............................................................. 8

Imagen 3.1.1 Visión de conjunto del Dispositivo Láser ................................................. 11

Imagen 3.1.2 Láser-Software PCT2 .............................................................................. 12

Imagen 3.1.3 Forma del Pulso ...................................................................................... 12

Imagen 3.2.1 Cámara Photonfocus MV-D752-170 ....................................................... 16

Imagen 3.2.2 Sensibilidad espectral de la cámara Photonfocus MV-D752-170 .......... 17

Imagen 3.2.3 Silicon Software ...................................................................................... 18

Imagen 3.2.4 Software de configuración de la Cámara Photonfocus ........................... 19

Imagen 3.2.5 Cámara Mikrotron MC1310 ..................................................................... 20

Imagen 3.2.6 Sensibilidad espectral de la cámara Mikrotron MC1310 ......................... 22

Imagen 3.2.7 VCAM95 Software ................................................................................... 22

Imagen 3.3.1 Propiedades características Filtro paso banda ....................................... 23

Imagen 3.3.2 Propiedades características Filtro paso alto............................................ 24

Imagen 3.3.3 Propiedades características Filtro paso bajo........................................... 24

Imagen 3.3.4 Filtro FL1064-10 ...................................................................................... 25

Imagen 3.3.5 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro FES0950 ............ 26

Imagen 3.3.6 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro RG665 ............... 27





Imagen 3.3.10 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro RG1000 ........... 29

Imagen 3.3.11 Filtro FES0950(derecha) y Filtro RGXXX(Izquierda) ............................. 29

Imagen 3.3.12 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro FES0950 y RG665 superpuestos ..................................................................................................... 30




Imagen 3.3.16 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro FES0950 y R1000 superpuestos ..................................................................................................... 32

Imagen 3.3.17 Coeficiente de transmisión del Filtro de protección colocado en el cabezal de la estación de trabajo .................................................................................. 32

Imagen 3.4.1 Lámpara .................................................................................................. 33

Imagen 3.4.2 JOLD-Diodoláser ..................................................................................... 34

Imagen 3.4.3 Área de trabajo con el Diodoláser para iluminar ..................................... 35

Imagen 3.4.4 Curva de potencia característica del Diodoláser ..................................... 35

Imagen 3.5.1 Dispositivo de sujeción utilizado anteriormente ....................................... 36

Imagen 3.5.2 Placa base .............................................................................................. 37

Imagen 3.5.3 Placa intermedia ..................................................................................... 37

Imagen 3.5.4 Elemento de sujeción; Vista desde arriba ............................................... 38

Imagen 3.5.5 Elemento de sujeción; Vista desde abajo ............................................... 38

Imagen 3.5.6 Montaje general Dispositivo de sujeción a) ............................................. 39

Imagen 3.5.7 Montaje general Dispositivo de sujeción b) ............................................. 39

Imagen 3.5.8 Dispositivo de sujeción terminado ........................................................... 40

Imagen 3.5.9 Fijación del IC ......................................................................................... 41

Imagen 3.5.10 Vista del dispositivo de sujeción y del IC en el área de trabajo ............ 41

Imagen 3.6.1 Colocación de los componentes para los ensayos de las inspecciones pasivas .......................................................................................................................... 42

Imagen 3.6.2 Colocación de los componentes para las inspecciones activas (con iluminación mediante Diodoláser) .................................................................................. 43

Imagen 3.6.3 Vista en Solidworks2000 del área de trabajo en las inspecciones pasivas .......................................................................................................................... 43


Imagen 3.6.4 Vista en Solidworks2000 de los elementos utilizados en las inspecciones pasivas (Vista ampliada) .......................................................................... 44

Imagen 3.6.5 Vista en Solidworks2000 de los elementos utilizados en las inspecciones activas ..................................................................................................... 44

Imagen 4.1.1 IC ............................................................................................................ 45

Imagen 4.1.2 PCB ......................................................................................................... 45

Imagen 4.1.3 Propiedades de los ICs TSSOP56-BareCu ............................................. 46

Imagen 4.1.4 PCB y IC ................................................................................................. 47

Imagen 4.2.1 Fijación de los sensores FPS .................................................................. 47

Imagen 5.1.1 Recuperación del perfil de la cámara Mikrotron. ..................................... 49

Imagen 5.1.2 Configuración de la pantalla de la Cámara Photonfocus. ....................... 50

Imagen 5.1.3 Configuración de la cámara Photonfocus 1............................................. 50






Imagen 5.1.9 Búsqueda del punto focal ........................................................................ 54

Imagen 5.1.10 Software de posicionamiento. ............................................................... 54

Imagen 5.2.1 Coeficiente de transmisión del espejo situado en el cabezal de la estación de trabajo ........................................................................................................ 56

Imagen 5.2.2 Forma del pulso para PCBs con Circuito impreso de cobre recubierto con Oro .......................................................................................................................... 57

Imagen 5.2.3 Forma del pulso para PCBs con Circuito impreso de cobre galvanizado ................................................................................................................... 58

Imagen 5.2.4 A la izquierda Soldadura IC con unión, a la derecha sin unión .............. 58

Imagen 5.2.5 Quema del IC a causa de una duración del pulso demasiado grande .... 59

Imagen 5.2.6 Soldadura IC sin unión debido a no suficiente grado de acoplamiento ... 59

Imagen 5.2.7 Soldadura IC con unión al Circuito impreso de cobre recubierto con Oro ................................................................................................................................ 60

Imagen 5.2.8 PCB dañado, Circuito impreso de cobre galvanizado ............................. 60

Imagen 5.2.9 Soldadura IC con unión, circuito impreso de cobre galvanizado ............. 61

Imagen 5.2.10 Soldadura IC sin unión debido a poca potencia .................................... 61


Imagen 5.2.11 Soldadura IC con unión, Circuito impreso de cobre galvanizado, baja Potencia y alta duración del Pulso ................................................................................. 62 Imagen 5.2.12 Soldadura de FPS a) ............................................................................. 62

Imagen 5.2.13 Soldadura de FPS b) ............................................................................. 63

Imagen 5.2.14 Soldadura de FPS c) ............................................................................ 63

Imagen 5.2.15 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.75ms,exp.time=0.05ms, Soldadura IC con PCB de Cobre recubierto con Oro...................................................................... 64

Imagen 5.2.16 Error de posición, pp=2KW, f=2Hz, pulseduration=0.75ms, exp.time=0.05ms, IC Soldadura con PCB de Cobre recubierto con Oro ....................... 65

Imagen 5.2.17 pp=1KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.time=0.1ms,Soldadura de FPS................................................................................................................................ 65





Imagen 5.2.22 pp=2KW,f=2Hz,pulseduation=3ms,exp.time=0.1ms con Filtro gris de 50%, Soldadura de FPS ................................................................................................ 69

Imagen 5.2.23 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.time=0.1ms con Filtro gris de 20%, Soldadura de FPS ................................................................................................ 69

Imagen 5.2.24 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.time=0.6ms, Soldadura de FPS................................................................................................................................ 70

Imagen 5.2.25 Espectro de las emisiones en soldadura de ICs, pp=1.5KW, pulseduation=1.5ms, Integration time= 50ms ................................................................ 71

Imagen 5.2.26 Espectro de las emisiones en soldadura de ICs, pp=1.5KW, pulseduration=1.5ms, Integration time= 100ms ............................................................. 71

Imagen 5.2.27 Espectro de las emisiones en soldadura de ICs, pp=1.5KW, pulseduration=1.5ms, Integration time= 200ms ............................................................. 72

Imagen 5.2.28 Espectro de las emisiones en soldadura FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5 ms, Integration time= 50ms .............................................................. 72

Imagen 5.2.29 Espectro de las emisiones en soldadura de FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5 ms, Integration time= 100ms ............................................................ 73

Imagen 5.2.30 Espectro de las emisiones en soldadura de FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5 ms, Integration time= 200ms ............................................................ 73


Imagen 5.2.31 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.75ms,exp.time=20ms, Cobre ............. 74

Imagen 5.2.32 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.5ms,exptime=1ms, Soldadura IC con PCB de Cobre recubierto con Oro ................................................................................. 74

Imagen 5.2.33 Distancia del foco del Diodoláser .......................................................... 76

Imagen 5.2.34 Imagen de la zona iluminada ............................................................... 76

Imagen 5.2.35 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.5ms,exp.time=0.05ms, Intensidad de la iluminación=8A, combinación de filtros FES0950-RG715, Soldadura IC con PCB de Cobre recubierto con Oro ................................................................................ 77

Imagen 5.2.36 pp=2KW, f=2Hz, pulseduration=0.75ms, exp.time=0.05ms, Intensidad de la iluminación=8.4A, combinación de filtros FES0950-RG780, Soldadura IC con PCB de Cobre recubierto con Oro ................................................................................. 77

Imagen 5.2.37 pp=2KW, f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.time=0.6ms,Intensidad de iluminación=7.2A, combinación de filtros FES0950-RG780, Soldadura de FPS ........... 78

Imagen 6.2.1 Identificación de las fases del proceso con las fotos ............................... 82

Índice de tablas Tabla 3.1.1 Propiedades del Láser SLS 200 CL16 ....................................................... 10

Tabla 3.1.2 Propiedades del Láser SLS 200 C60 ......................................................... 13

Tabla 3.2.1 Máximo número de fps en dependencia de la resolución .......................... 16

Tabla 3.2.2 Características técnicas Cámara photonfocus MV-D752-170 .................... 18

Tabla 3.2.3 Características técnicas Cámara Mikrotron MC1310 ................................. 20

Tabla 3.2.4 Sensibilidad espectral de la Cámara Mikrotron MC1310 ........................... 21

Proyecto Final de Carrera

Para Don José Manuel Baena Martínez

Título del Proyecto Final de Carrera

Desarrollo de un sistema de control de la calidad y el proceso de Microsolda-

duras realizadas por Láser pulsado

Planteamiento del Trabajo

Hoy en día para la realización de Microsoldaduras en Aplicaciones industriales son

utilizados mayoritariamente Láser de Nd:YAG con una longitud de onda de

λ=1064nm. Los materiales utilizados mayoritariamente en la producción de compo-

nentes electrónicos, como Cobre u Oro muestran una gran Reflexión del Láser para

esta longitud de Onda lo que dificulta la fusión del material

Imagen 1: Variación temporal de la energía del puls o.

Además se deducen en la producción diferentes propiedades superficiales depen-

dientes de la manipulación y la oxidación las cuales varían la Reflexión del material.

Estas propiedades específicas pueden proporcionar para los mismos parámetros del

Láser diferentes resultados en la soldadura así como producir la rotura de las piezas

(ver Imagen 1).

Falsa unión Destrucción

Duración (%)

E

ne

rgi

a

sóli-

do

Reflexión Rreal > R0 Reflexión Rreal < R0

líqui-E

ne

rgi

a

sóli-

Duración (%)

Unión correcta

Duración (%)

líqui-E

ne

rgi

a

sóli-

do

Reflexión Rreal = R0

líqui-

4.0ms4.0ms

© LZH

- II -

Tales variaciones de la calidad dependientes del proceso deben ser detectadas y

documentadas por medio de los dispositivos apropiados. Una posible solución para

el problema aquí planteado la representan las cámaras con dispositivos CMOS, las

cuales deben ser analizadas en el ámbito de este proyecto final de carrera y de las

posibilidades para un posterior control del proceso y la calidad. Con la ayuda de las

imágenes de alta velocidad coaxiales y offaxiales al haz láser, con la secuencia de

fotos se debe mostrar si la soldadura realizada ha sido buena o mala. Las diferen-

cias significativas en la secuencia de fotos deben ser determinadas para analizar las

posibilidades de un control de calidad. Posteriormente se ha de desarrollar el con-

cepto de un proceso de regulación. En concreto las partes del trabajo a desarrollar

son las siguientes:

Áreas de trabajo fijas

• Estudio e investigación de los trabajos paralelos hasta ahora realizados con respecto al tema.

• Diseño y construcción del dispositivo de sujeción para la soldadura de las piezas por medio del Solidworks.

• Medida del porcentaje del espectro durante los procesos de soldadura. • Elección de los dispositivos necesarios • Construcción del área de ensayos, cámara de alta velocidad coaxial al haz

láser • Incorporación de una segunda cámara de alta velocidad en posición offaxial al

haz láser para comprobar los correspondientes estados del proceso. • Control externo y sincronización del Láser y las cámaras durante el pulso

Láser para minimizar la cantidad de datos. • Elección de los objetivos más apropiados para las cámaras. • Soldadura en ensayos sucesivos para 2-3 piezas estándar (IC, alambres de y

conductores planos). • Documentación de los posibles fallos en las soldaduras. • Determinación de las configuraciones apropiadas del Software y de las cáma-

ras para la realización de los ensayos (por ejemplo fotos por segundo, área de la imagen o líneas simples, filtro del software o tiempo de exposición).

• Mostrar las diferentes fases del proceso (calentamiento, fusión, soldadura, soldadura profunda) y asignación de las fases con las correspondientes imá-genes tomadas por la cámara. Correlación de las fotos de las dos cámaras

• Control de calidad: Valoración de las piezas mediante las imágenes (soldadu-ra buena o mala). Esta valoración se realizará por medios ópticos como ob-servación visual o por medio del microscopio, cortes transversales o mediante las pinzas.

• Mostrar las posibilidades de una regulación del proceso.

- III -

Posibles ampliaciones (Estimación de las posibilida des tras la realización de

las áreas de trabajo fijas)

• (Planteamiento de un concepto para la regulación del proceso). • (Construcción de un sistema de regulación del proceso). • (Utilización de los conocimientos en la aplicación del escáner).

Objetivo:

El objetivo del presente trabajo es la realización de un sistema de observación del

proceso basado en cámaras para la realización de microsoldaduras por láser pulsa-

do. Correspondientemente este sistema debe poder ser fácilmente adaptado en

otras configuraciones de estaciones de trabajo y dispositivos para una posterior apli-

cación industrial. Finalmente del trabajo se deben deducir para que usos en solda-

dura y para que configuraciones puede ser utilizado el sistema y que tipo de errores

pueden ser reconocidos.

Normativa de realización

1. El trabajo se realizará en acuerdo con el director. No puede ser publicado ni

entregado a terceros sin consentimiento del instituto.

2. En lo posible las máquinas e instalaciones del LZH que tengan que ser utiliza-

das deben usarse dentro del horario de trabajo o excepcionalmente con la au-

torización del director. En todo caso debe haber siempre otra persona que su-

pervise.

3. Antes del uso de de máquinas e instalaciones deben ser revisadas las normas

de seguridad. Una versión actual se puede consultar dirigiéndose a los em-

pleados dedicados a tal efecto.

Normativa para la documentación

• La página del título debe contener el tema, nombre del estudiante, número de

identificación, planteamiento del trabajo y fecha de entrega.

• El trabajo será una versión resumida unidireccional. Debe contener:

Objetivos del trabajo y los resultados esenciales.

• La estructura del trabajo será la siguiente:

- IV -

1. Título

2. Abstract

3. Índice del contenido, índice de las imágenes, índice de las tablas

4. Introducción

5. Estado de la técnica

6. Dispositivos utilizados y construcción del área de ensayos

7. Realización de los ensayos

8. Análisis de los resultados

9. Resumen

10. Bibliografía

Carga horaria

Búsqueda bibliográfica 40 h

Elección de dispositivos y construcción del área de ensayos 60 h

Realización de ensayos 120 h

Análisis de los resultados 40 h

Documentación del trabajo 40 h

300 h

Diagrama de Gantt

Hannover, 26.11.2007

Candidato: José Manuel Baena Martínez Director: Thomas Stehr

Introducción 1


1 Introducción 1.1 Situación de partida y motivación

En el presente trabajo se elaborará el proceso de ensayo de microsoldaduras de circuitos integrados a partir de Láser por pulsos, se fijaran los parámetros óptimos del Láser, se determinarán las inestabilidades del proceso y se plantearán las soluciones oportunas tanto para la realización de la soldadura como para la realización de la observación y el análisis del proceso y los resultados.

Este trabajo ha sido desarrollado en la empresa Láser Zentrum Hannover para el departamento de Técnicas y Control de Sistemas en la Unidad de Control de Máquinas y será utilizado como Proyecto Final de Carrera para la titulación de Ingeniería Industrial en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Valencia.

La tecnología láser es una técnica muy utilizada hoy en día en muchos procesos de acabado como soldadura, corte o modificación de superficies. Los actuales avances tecnológicos permiten la mejora de los elementos y equipos de control y producción, el desarrollo de nuevos dispositivos de producción de Láser, el aumento de potencias de salida y por consiguiente la ampliación del campo de aplicaciones y la mejora de los resultados obtenidos [1].

Los procesos de soldadura mediante haz Láser están manteniendo en los últimos años el aumento de su aplicación en los ciclos de producción modernos. El campo de aplicación va desde microsoldaduras en la industria electrónica hasta soldaduras profundas de láminas de acero.

Las ventajas de la soldadura por Láser son las siguientes:

• Local e instantánea aportación de energía, lo que conlleva una pequeña zona de influencia calorífica, una menor carga térmica de las piezas y un corto tiempo de unión.

• Unión fija de los materiales, lo que conlleva alta rigidez mecánica y resistencia térmica y propiedades eléctricas óptimas.

• Mayor facilidad de separación de los materiales al final del ciclo de vida de la pieza. No se necesitan materiales nocivos para el medio ambiente como por ejemplo plomo.

• Las piezas sensibles se unen sin la necesidad de cargas que puedan dañar las piezas. En comparación con la soldadura por resistencia no se necesita ningún campo magnético que pueda estorbar.

• Rápida ejecución de las piezas por separado, esto significa alto grado de automatización y fácil adaptabilidad en líneas de acabado.

Introducción 2


• Alta flexibilidad y rápida adaptación del proceso en otro tipo de piezas o geometrías de unión.

También cabe nombrar las siguientes desventajas:

• Proceso secuencial y en comparación con otros procesos de unión menos productivo [2].

• Los procesos están condicionados a través una alta densidad energética y pequeño volumen de unión.

• Utilización de componentes ópticos a través de los cuales se repercute en las propiedades ópticas de los materiales en el proceso general.

Las inestabilidades del proceso en soldadura por Láser necesitan una observación y control del proceso para asegurar la calidad de las piezas realizadas e identificar las variaciones en los resultados obtenidos.

A través de High-Speed-Videos se puede observar el proceso con alta resolución y definir sus fases, se pueden observar tanto la zona de fusión como la campana de evaporación del metal [3].

En el presente trabajo se presentaran las soluciones para la realización de una observación del proceso y se planteará un sistema de regulación del mismo para la realización de microsoldaduras por Láser pulsado de circuitos integrados (ICs).

1.2 Objetivos El objetivo prioritario de este trabajo es la realización de un sistema de observación de la calidad y el proceso para la inspección de microsoldaduras realizadas por Láser pulsado, así como la identificación de las diferentes fases del proceso y la correlación entre las imágenes de la cámara coaxial y las de la cámara offaxial. Otros objetivos específicos son los siguientes:

• Montaje de la estación de ensayos y diseño del dispositivo de sujeción de los circuitos integrados así como la elección de los componentes necesarios.

• Realización de un sistema de control pasivo mediante toma de video secuencias y estimación de las fases del proceso y la problemática en el análisis de las emisiones primarias y secundarias.

• Mostrar las diferentes fases del proceso y asignación de las fases con las correspondientes imágenes tomadas por la cámara.

• Realización de un sistema de control activo mediante toma de video secuencias y la iluminación adicional por medio de un diodo láser.

• Mejora de la fiabilidad del proceso mediante el reconocimiento de perturbaciones y la influencia de la variación de los parámetros en los resultados obtenidos.

Estado de la técnica 3


2 Estado de la técnica En la tecnología de micro uniones la utilización del Láser ofrece ventajas en comparación de los procesos convencionales como soldadura por resistencia, soldadura por ultrasonidos o unión adhesiva.

El uso del Láser produce mejores resultados, ya que presenta ventajas, mencionadas anteriormente, como son menor carga térmica de las partes a unir, alta resistencia térmica y mecánica de la unión, buenas propiedades térmicas y eléctricas de las piezas realizadas, no se utilizan materiales añadidos peligrosos para el medio ambiente, unión de piezas sensibles libre de cargas, rápida elaboración, buena automatización del proceso y fácil adaptabilidad en líneas de trabajo. De esta forma se reducen los costes y se mejoran las propiedades de las piezas.

2.1 Antecedentes Para la consecución de los objetivos y la mejora de los resultados obtenidos en la investigación se realizará un estudio y análisis de los trabajos realizados hasta el momento con respecto a temas paralelos al aquí tratado, o que ayuden a resolver más rápidamente las dificultades que posteriormente aparecerán.

El principal estudio llevado acabo anteriormente sobre el tema del presente trabajo es la tesis de Reiner M. Ramsayer para la empresa Bosch (“Estabilización del proceso de microsoldaduras de cobre por medio de pulsos de Láser“). Otros trabajos sobre temas que requieren la utilización de principios de soluciones paralelos a los requeridos son la tesis de Christian Kratzsch para RWTH Aachen (“Realización de un sistema de control del proceso en el ejemplo de la soldadura por Láser“), Los estudios del instituto de técnicas aplicadas al acero (Institut für angewandte Strahltechnik, BIAS) y las investigaciones de S. Dudeck y F.Puente León para la Universidad técnica de Munich (“Control in-situ de procesos de soldadura con Láser por pulsos” y “Espectroscopia temporal y espacial del soldaduras por láser pulsado “).

En estos trabajos se consideran los procedimientos para el control de soldaduras de cobre y la mejora del proceso, se identifica las perturbaciones y dificultades presentadas a lo largo de todo el proceso y plantea las soluciones a emplear.

La soldadura de cobre es generalmente un proceso crítico ya que presenta muchas dificultades e inestabilidades debido a las propiedades físicas del material. La baja absorción para las longitudes de onda utilizadas en el proceso (ND:YAG con longitud de onda 1064nm) así como la alta conductividad térmica son los principales inconvenientes [4].



La absorción del material se ve fuertemente influenciado por las características de la superficie del mismo. Procesos de oxidación superficial aumentan el coeficiente de absorción por lo que Ramsayer propone realizar durante el proceso de soldadura una oxidación superficial del cobre mediante lavado con oxígeno [2, 5, 6].

Para el control del proceso propone utilizar CMOS-cámara para poder detectar las piezas que no son correctas durante el mismo proceso de elaboración.

El procedimiento aplicado mayoritariamente en la actualidad para asegurar la calidad de las soldaduras realizados por Láser es la inspección a posteriori una vez realizada la soldadura. Los métodos aplicados van desde la revisión de muestras escogidas al azar, ensayos destructivos, ultrasonidos, radiografía, hasta incluso automáticos o cien por cien manuales controles ópticos.

Un control in-situ del proceso ofrece, en contraposición a una inspección posterior varias ventajas como son el control de desviaciones en los parámetros como por ejemplo una caída de la potencia del láser en la pieza. Estas desviaciones son rápidamente reconocidas antes de que afecten irreversiblemente a la calidad de la soldadura [7]. A través de la observación de la aparición de errores se pueden encontrar los motivos que los producen y solucionarlos. Se detectan errores que posteriormente, después del proceso de soldadura son imposibles de detectar.

Los dispositivos de control in-situ disponibles en el mercado trabajan mayoritariamente con sensores ópticos en configuración coaxial. Foto detectores o cámaras realizan una observación temporal y espacial de los cambios de intensidad de los haces del Láser filtrados y reconocen, mediante las desviaciones con respecto a los valores característicos, los errores en el proceso [8].

Los sistemas deben ser válidos para diferentes condiciones de soldadura y su validez debe ser fácilmente comprobable para cada nuevo proceso.

Para un sistema de observación óptica del proceso de soldadura In-situ basado en cámaras se suelen emplear dos estrategias: una pasiva en la cual se observa y analiza el espectro de las radiaciones electromagnéticas emitidas en el campo visible o infrarrojo [9], así como una activa en la cual se ilumina adicionalmente la zona del proceso y se observa la desaparición gradual de la radiación del proceso, la topografía del área de la superficie fundida cuyos alrededores son visibles [10].

Las ventajas y desventajas de ambas estrategias para un sistema de control del proceso y la calidad en soldadura por pulsos de Nd:YAG deben ser determinadas. Para ello se construirá un sistema de observación coaxial, compuesto por filtros, elementos ópticos y cámaras de alta velocidad en blanco y negro. Este montaje se utilizará tanto para las inspecciones activas como para las pasivas y se ajustará el campo del espectro observado mediante la utilización de diferentes filtros [11].



2.2 Microsoldaduras de Cobre por Láser pulsado Como se comentó anteriormente la absorción del haz incidente del Láser se ve fuertemente influida por características superficiales como son procesos de oxidación así como porosidades o rugosidades. Estas características o procesos de variación superficial tienen una gran influencia en el acoplamiento energético en superficies no recubiertas. Los procesos de oxidación pueden provocar fácilmente grandes variaciones en el grado de absorción, el cuales, dependiendo del grado de oxidación puede oscilar entre 0,01 hasta 0,5. Este grado de absorción en piezas de cobre oxidadas es dependiente del espesor del óxido y está caracterizado por un curva oscilatoria.

Para la realización de microsoldaduras en la industria es común el uso de dispositivos láser pulsado de Nd:YAG con una longitud de onda de 1064nm. El haz láser se produce a través de un conducto de vibra de vidrio, el cual ofrece mucha flexibilidad e adaptabilidad para los usos requeridos y proporciona un haz láser con características que cumplen los requerimientos de potencia de pico del pulso superiores a 7kW, energías del pulso superiores a 100 J y duraciones del pulso de hasta 50 ms [12, 13].

El proceso de producción del haz láser es el siguiente [14]:

Los láser constan de un medio activo capaz de generar el láser. Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser, denominados bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.

El Bombeo se provoca mediante una fuente de radiación (una lámpara), el paso de una corriente eléctrica o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que provoque una emisión.

En la Emisión espontánea de radiación tiene lugar una emisión de fotones por los electrones que vuelven a su estado fundamental es un proceso aleatorio y la radiación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generándose una radiación monocromática incoherente

La Emisión estimulada es la base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma, sino que también amplifica la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.



Y por último la Absorción, proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado meta estable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

El haz láser se focaliza por medio de un sistema que dirige el rayo y unos elementos ópticos de transformación que producen un punto de soldadura a través de un lente que concentra la energía.

Las fases del proceso en soldadura por láser pulsado pueden ser delimitadas en una fase de calentamiento, una fase de fusión, una fase de soldadura y una fase de soldadura profunda (ver Imagen 2.2.1).

En dependencia del tipo de material y el acabado superficial y los parámetros del láser pueden acentuarse fuertemente las diferentes fases del proceso. En especial la intensidad del haz láser debe ser elegida lo suficientemente alta, para que tengan lugar todas las fases del proceso [15].

Imagen 2.2.1 Fases del proceso en soldadura por Lás er pulsado.

En la fase de Calentamiento el haz láser incide en la superficie de la pieza con una amplitud de intrusión de aproximadamente 1 µm que corresponde con el diámetro del pulso. Para la longitud de onda del láser Nd:YAG el grado de absorción del cobre es del orden de 0,03 y en comparación con otros materiales utilizados es muy bajo. Esta característica se puede influir y elevar por medio de aleaciones o de acabados superficiales. Las variaciones del grado de absorción en el cobre tienen que ser tomadas muy en cuenta ya que pequeños cambios del grado de absorción provocan una gran variación en la energía absorbida, por ejemplo si se varia el grado de absorción de una superficien en un 1%, varia la energía absorbida por el cobre desde un 3% hasta un 66,7% [16].

En la fase de Fusión se alcanza la temperatura de fusión en la superficie de la pieza. Se forma partiendo del eje del haz una zona de fusión radial. El grado de absorción de la superficie es a partir de este momento considerablemente más alto que en estado sólido. La conocida como corriente de Marangoni se forma a causa de las tensiones superficiales dependientes de la temperatura y de la creciente diferencia de temperatura en la superficie fundida [17,18].



En la fase de Soldadura se alcanza la temperatura de evaporación del material con lo que aumenta la evaporación del metal. La contrapresión que se forma para oponerse a las corrientes de metal actúa sobre la superficie fundida formándose una zona de enfriamiento [19].

En la Soldadura profunda se pasa de soldadura superficial a soldadura profunda. La potencia suministrada sobrepasa un valor umbral de modo que se forma un estrecho capital lleno de metal evaporado, conocido como Keyhole. Por encima de la zona de fusión se forma una nube de metal evaporado, la cual es dependiente de la potencia del Láser y la longitud de onda que se ioniza parcialmente y se forma un Plasma.

La velocidad de propagación del frente del capilar a través del material es del orden de varios metros por segundo [15].

Si la densidad de potencia se mantiene por debajo de la intensidad umbral necesaria para la formación de una soldadura profunda entonces no se forma Keyhole. La propagación de la energía incidente tiene lugar meramente por conducción térmica; se da soldadura por conducción térmica pero no aparece soldadura profunda.

El proceso de soldadura se ve principalmente influenciado por las siguientes variables: Forma del pulso, intensidad del haz láser, longitud de onda, propiedades del material, ángulo de incidencia así como la absorción de la superficie (ver Imagen 2.2.2) [20].

Imagen 2.2.2 Variación del Grado de Absorción del C obre con diferentes acabados

superficiales en función del tiempo del Proceso

La soldadura por pulsos muestra un comportamiento dinámico extremo debido a que es un proceso no estacionario. La intensidad umbral desde la cual se pasa de soldadura por conducción térmica a soldadura profunda depende de la duración del pulso [21].



Sobre las propiedades del Cobre se puede decir que posee una alta conductividad eléctrica, una resistencia relativamente alta y es ligero. Estas propiedades hacen del cobre un material muy utilizado en la electrónica y en la ingeniería eléctrica. Debe ser tenido muy en cuenta que las propiedades del material durante la fase de calentamiento y fusión cambian notoriamente especialmente cuando se pasa de estado sólido a líquido.

Durante la fase de calentamiento el grado de absorción aumenta sensiblemente y la conductibilidad térmica disminuye. Durante la fase de fusión cuando se alcanza la temperatura de fusión el grado de absorción aumenta y la conductibilidad térmica disminuye fuertemente [2].

Cuando se alcanza la fase de soldadura profunda el grado de absorción sigue aumentando a causa de las reflexiones que tienen lugar en el capilar

El grado de absorción de una superficie depende también de la rugosidad de la superficie. Para mayores rugosidades superficiales mayor absorción. Para rugosidades del orden del doble de la longitud de onda el grado de absorción presenta su máximo valor.

En [22] se propone una forma de pulso con tramos cualitativamente definidos la cual se muestra en la Imagen 2.2.3. Con esta forma de pulso se mejora la eficiencia y los resultados de la soldadura.

Imagen 2.2.3 Forma del pulso óptimo por [22]

En la Fase 1 se calienta la superficie lo cual aumenta el coeficiente de absorción. En la Fase 2 comienza el proceso de soldadura por lo cual se ha de tener en cuenta que en el paso a la fase de fusión el coeficiente de absorción puede aumentar fuertemente, por esta razón en este momento se puede aplicar un pico de alta



densidad de potencia que incida en el material y no sea reflejado. En la Fase 3 se forma la geometría del baño fundido y en la Fase 4 se produce una fase de enfriamiento y se optimiza la calidad de la superficie.

Con esta forma de pulso se mejora el proceso de soldadura, ya que se aumenta la eficiencia del proceso y se evita la evaporación del material lo que originaria una soldadura poco satisfactoria. El hecho de realizar un ligero calentamiento al principio del pulso hace aumentar el grado de absorción del material lo cual hace que absorba más energía y se aumente la eficiencia del proceso. El suministrar solo un pulso de potencia de corta duración y de amplitud descendente en la Fase 2 evita que el material se evapore debido a una sobre absorción de energía, la sobre evaporación del material es muy perjudicial para la soldadura ya que se pierde material y se pueden formar surcos o uniones que no cumplan los requerimientos.

2.3 Observación del proceso basada en cámaras Una inspección del proceso es efectuada en muchos campos de la industria, en los cuales se realizan producciones en línea o en grandes series dónde la calidad y los costes son prioritarios.

Para la realización de las observaciones del proceso se utilizan usualmente foto detectores integrales de medida los cuales utilizan la intensidad del haz del proceso como señal a medir. Los fotodiodos utilizados se caracterizan por bajos costes, pequeños tamaños y altas sensibilidades ópticas.

Cuando aparecen perturbaciones cambia la intensidad del haz del proceso y del haz reflejado. Desviaciones y variaciones del estado estacionario del proceso avisan de que han aparecido perturbaciones en el proceso y pueden ser determinadas por medio de comparación.

Las estrategias conocidas para la observación captan las emisiones del proceso en la zona de interacción. En soldadura por pulsos se suelen medir las siguientes emisiones:

- Emisiones térmicas [23,24].

- Emisiones acústicas [25].

- Emisiones primarias (El haz láser reflejado por la zona de interacción con longitud de ondaλ=λLaser) [2, 23, 26, 27].

- Emisiones secundarias ( Radiación del metal vaporizado y del Plasma formado con longitudes de onda desde 300nm hasta 900 nm ) [24, 27, 28].

Los nuevos sistemas basados en cámaras presentan un gran potencial para futuros sistemas de control de calidad del proceso, los cuales proporcionan imágenes del proceso en dos dimensiones en lugar de integrarse sobre un área. Los sistemas basados en cámaras ofrecen dos estrategias diferentes de observación: una pasiva



en la cual se observa y analiza la radiación electromagnética emitida por el proceso en el espectro visible y en las proximidades al espectro infrarrojo ( emisiones primarias y secundarias), así como una activa, en la cual se ilumina adicionalmente la zona del proceso, y ocultando la radiación del Láser y del metal vaporizado por medio de filtros, se puede observar la topografía de la superficie y hacer visible el área del baño fundido y sus inmediaciones.

En el presente trabajo se desarrollará un sistema de observación del proceso basado en dos cámaras, una colocada en configuración coaxial al haz del Láser y otra offaxial.

La cámara situada coaxialmente se utiliza para detectar el inicio de la soldadura y filmar localmente las diferentes fases del proceso. Estas fases del proceso se identifican por medio de las emisiones mostradas en las imágenes de la cámara. La emisión en el capilar aparece debido a las altas temperaturas de las paredes del capilar y en el frente de evaporación cumpliendo la ley de Planck [29]. Hay una relación entre la geometría del capilar y la distribución de la densidad de radiación del proceso (PFD) que se puede detectar con las cámaras CMOS.

La cámara situada offaxialmente posibilita una filmación y una determinación espacial de las fases del proceso así como un posicionamiento del haz Láser sobre la pieza y la observación de la zona iluminada por el Diodoláser en los ensayos de observación activa.

Dispositivos utilizados y construcción del área de ensayos 10


3 Dispositivos utilizados y construcción del área de ensayos

En el marco de la planificación del proyecto se describirán en el siguiente capítulo los dispositivos, la elección de los necesarios y las características y colocación de los mismos.

3.1 Dispositivo Láser Como sistema Láser serán utilizados dos dispositivos de la marca Lasag. Uno es el LASAG SLS 200 CL16 con refrigeración por aire, el cual se representa en la Imagen 3.1.1. Las características principales del Láser se encuentran en la tabla 3.1.1.

Láser Lasag SLS200CL16

Tipo Nd:YAG-Laser,

Blitzlampen gepumpt

Longitud de Onda 1064 nm

Gas del proceso -

Duración del pulso 0,1-50 ms Potencia de pico del pulso 2 kW

Potencia media 25 W

max. Energía del Pulso 10J

min. Claridad del cable Depende de la cavidad

(actual 200µm)

Óptica del escáner Óptica fija/ sistema

escáner

Distancia focal f=100 + 50 / 100

Relación de la imagen 1:1 + 2:1 / 2:1 Diámetro del haz en el foco 200 + 100 / 100

Tabla 3.1.1 Propiedades del Láser SLS 200 CL16.



Otros datos adicionales son los siguientes: frecuencia del pulso máxima 250 Hz, frecuencia del pulso mínima 2Hz, potencia del pulso mínima 0.2kW, duración del pulso configurable mínima 0.1 ms.

Imagen 3.1.1 Visión de conjunto del Dispositivo Lás er.

1. Láser-luz de advertencia.

2. Interruptor principal.

3. paro de emergencia.

4. Interlock-key-interruptor.

5. Key-interruptor de tipo de láser.

6. Key-interruptor de seguridad.

7. Display haz láser bloqueado.

8. Display Láser Off.

9. Display Láser On.

10. Sólo para refrigeración por agua.

11. Cable de fibra de vidrio.

El Software, que será utilizado, es el Software PCT2 de Lasag, con el cual se configuran las propiedades del Láser así como la forma del pulso. Las características que se variarán en el presente proyecto son la duración del pulso y la potencia de pico del pulso (ver Imagen 3.1.2).



Imagen 3.1.2 Láser-Software PCT2.

También cabe destacar la posibilidad de configurar la forma del pulso como se observa en la imagen 3.1.3 lo cual permite un mejor control de la distribución de la energía en el pulso de Láser.



Imagen 3.1.3 Forma del Pulso.

El segundo dispositivo Láser utilizado es el Lasag SLS 200 C60. Las características del Láser se muestran en la tabla 3.1.2.

Láser Lasag SLS200C60

Tipo Nd:YAG-Laser,

Blitzlampen gepumpt

Longitud de onda 1064 nm

Gas del proceso -

Duración del pulso 0,1-20 ms Potencia de pico del pulso 5.5 kW

Potencia media 220 W

max. Energía del pulso 50J

min. Claridad del cable Depende de la cavidad

(actual 400µm)

Óptica del escáner Óptica fija / sistema

escáner

Distancia focal f=100 + 50 / 100

Relación de la imagen 1:1 + 2:1 / 2:1



Diámetro del haz en el foco 400 + 200 / 200

Tabla 3.1.2 Propiedades del Láser SLS 200 C60.

3.2 Cámaras de alta velocidad 3.2.1 Generalidades Hoy en día se pueden encontrar distintos tipos de cámaras de alta velocidad en el mercado. Gracias a la mejora de las tecnologías se fabrican cámaras CMOS modernas, rápidas y de todos los precios con ratios de toma de imágenes desde 20 kHz con una resolución aceptable. De este modo este tipo de dispositivos se están convirtiendo cada vez más interesantes para la observación de procesos de soldadura por pulsos.

Un sensor CMOS se basa en el efecto fotoeléctrico. Está formado por numerosos fotositos, uno para cada píxel, que producen una corriente eléctrica que varía en función de la intensidad de luz recibida. En el CMOS se incorpora un amplificador de la señal eléctrica en cada fotosito y es común incluir el conversor digital en el propio chip [30]. Con las cámaras de alta velocidad se pueden capturar procesos que o bien tienen lugar en muy corto tiempo o son extremamente rápidos o también ambas condiciones. Las cámaras de alta velocidad sirven para todas las aplicaciones dónde tienen que ser analizados movimientos o comportamientos de los materiales los cuales no pueden ser apreciados por el ojo humano. Las aplicaciones principales de este tipo de cámaras son las siguientes:

• Investigación básica.

• Industria Automovilística.

• Tecnología de fabricación de materiales.

• Medicina.

• Sistemas de producción y logísticos.

• Construcción de máquinas.

• Técnicas de soldadura

• Simulación en laboratorio.

Uno de los principales problemas en la utilización de cámaras de alta velocidad está en capturar la imagen en el momento adecuado ya que los procesos que se quieren captar son muy cortos y de gran velocidad y no se puede normalmente apreciar con el ojo humano cuando empieza exactamente el proceso que se quiere capturar. Las cámaras de alta velocidad disponen de una posibilidad de disparo (Trigger), la mayoría de las veces a través de una señal externa.



Se inicia la cámara y se captan constantemente con los parámetros ajustados hasta que la cámara es avisada por medio de una señal (Trigger) que indica a la cámara que el proceso a captar ya ha tenido lugar y la captura puede finalizar. Tras la recepción de la señal (Trigger) se llena con las capturas la memoria que aún está libre y el proceso de captura finaliza. Por regla general las imágenes anteriores a la señal de inicialización son borradas aunque en alguna ocasión las imágenes anteriores a la señal de inicialización son las importantes y se borran las de después.

Complementaria a las señales (trigger) eléctricas expuestas anteriormente, las cámaras modernas incorporan la posibilidad de producir una señal (trigger) en el momento que se desea tomar la imagen. Algunas cámaras de alta velocidad disponen de un dispositivo que se activa cuando se detectan movimientos. Estos movimientos son registrados por el Software de la cámara y se realizan las capturas. Otras cámaras disponen de un dispositivo receptor GPS que activan el dispositivo de captura cuando la cámara se encuentra en una cierta posición.

Tras las exitosa captura se procesan y archivan los datos tomados. Las fotos tomadas deben ser revisadas una a una para elegir las que muestran las partes del proceso relevantes, esta es la principal desventaja de la utilización de cámaras para observar procesos, ya que la cantidad de datos obtenidos es muy grande, y el procesamiento y elección de las fotos correctas es costosa. Para facilitar este proceso se pueden utilizar programas de corte que permitan extraer las partes de la secuencia más interesantes y reduzcan la cantidad de datos.

3.2.2 Exposición Un factor muy importante en la toma de imágenes con cámaras de alta velocidad es la exposición, muchas veces incluso más importante que otros parámetros de configuración de la cámara. Al contrario que en otro tipo de cámaras con tiempos de exposición del orden de milisegundos en cámaras de alta velocidad, el tiempo de exposición puede estar, dependiendo de la velocidad de toma de imágenes, en microsegundos. Este corto periodo de tiempo de exposición hace que se necesite mucha luz para conseguir una luminosidad dinámica y una profundidad del campo aceptables. Con este objetivo se deben iluminar bien los objetos que se quieren filmar. A veces la correcta iluminación del objeto que se quiere filmar provoca más gasto que el propio proceso de captura y el siguiente procesado de las imágenes. Este proceso de iluminación puede provocar un aumento en la temperatura de trabajo lo cual puede provocar la fusión o la combustión de los materiales implicados en el proceso.

También cabe citar que las cámaras de alta velocidad monocromáticas (blanco-negro) son hasta tres veces más sensibles que las cámaras a color del mismo tipo para un mismo tiempo de exposición. Por lo tanto se debe aumentar el tiempo de



exposición o la intensidad de la iluminación hasta tres veces en las cámaras a color con respecto a las cámaras en blanco y negro.

3.2.3 Cámara coaxial La cámara que será utilizada para la observación coaxial en la cámara Photonfocus MV-D752-170.

La cámara Photonfocus MV-D752-170 es una cámara compacta CMOS monocromática (blanco y negro) y con muchas prestaciones con conexión formato CameraLink™. La resolución alcanza 752 x 582 para un tamaño del sensor de 2/3“. Puede capturar hasta 350 fotos por segundo (fps) para alta resolución (La Tabla 3.2.1 muestra las fotos por segundo posibles para resoluciones inferiores).

ROI Dimensiones Ratio de fotos 80MHz PixelTakt, Tint=10µs

752x582 340 fps 512x512 580 fps 256x256 2200 fps 128x128 7900 fps 128x16 39000 fps 752x1 63000 fps

Tabla 3.2.1 Máximo número de fps en dependencia de la resolución.

La cámara MV-D752-170 posee hasta 120 dB Dynamik con LinLog™-Tecnologia, a través de la cual fotos con zonas de claridad muy diferentes pueden ser captadas. De este modo se pueden captar superficies muy oscuras fuertemente iluminadas y la dependencia de la iluminación no es tan fuerte.

Esta cámara tiene una sensibilidad espectral de 350 – 1000 nm.

Imagen 3.2.1 Cámara Photonfocus MV-D752-170.



En la Imagen 3.2.2 se puede observar la sensibilidad espectral de la cámara con relación de la longitud de onda. En el espectro visible es dónde la cámara presenta una sensibilidad mayor. En la zona ultravioleta y en la zona infrarroja la sensibilidad es menor, entre 0-10%.

Imagen 3.2.2 Sensibilidad espectral de la cámara P hotonfocus MV-D752-170.

La tabla siguiente muestra algunas de las características de la cámara:

Características técnicas :

- CMOS Sensor monocromático de 2/3“ - 752 x 582 puntos de la foto (número de Pixel)(CCIR resolución) con 160

MHz ratio de datos - Tamaño Pixel: 10,6 µm x 10,6 µm - Zona espectral: 350 – 1000 nm - hasta 350 fotos por segundo (fps) a máxima resolución - 3 velocidades (60 fps, 175 fps, 350 fps) - Curva característica del sensor lineal - LinLog™-curva característica ( curva característica del sensor lineal-

logarítmica) - no image lag - no blooming - región de interés configurable (region of interest ROI) - Configuración de la cámara por medio de GUI Software - API para windows - SDK para QNX sistema operativo a tiempo real



- CameraLink™ conexión - medidas: 55 x 55 x 46 mm³ (B x H x T) - Conexión del objetivo: C-Mount

Tabla 3.2.2 Características técnicas Cámara photonf ocus MV-D752-170.

El software de la cámara es el Silicon Software, y la tarjeta de adquisición de datos (FrameGrabber-karte) Microenable 3. Las características que pueden ser ajustadas son el tiempo de exposición, Frametime y la región de interés (disminución de la calidad de la foto para aumentar la frecuencia de fotografías y disminuir la cantidad de datos). El programa muestra para cada configuración cuantas fotos por segundo (fps) puede tomar (ver imagen 3.2.3 y 3.2.4).

Imagen 3.2.3 Silicon Software.



Imagen 3.2.4 Software de configuración de la Cámara Photonfocus.

3.2.4 Cámara offaxial La cámara que será utilizada en la posición offaxial es la cámara Mikrotron MC1310.

La cámara Mikrotron MC1310 es una cámara compacta CMOS y monocromática (blanco y negro) y llena de prestaciones con conexión CameraLink™ y una resolución de 1280(H) X1024(V) Píxel. Para usos de procesamiento de imágenes y capturas de alta velocidad del orden de 500 fotos por segundo a plena resolución y alrededor de 46.800 fotos de segundo para la configuración más reducida de ROI. Esta cámara ofrece también calidades de imagen óptimas hasta 1024 escala de grises (ver Imagen 3.2.5).



Imagen 3.2.5 Cámara Mikrotron MC1310.

La siguiente Tabla muestra algunas de las características principales de la cámara:

Características té cnicas : - CMOS Sensor monocromático - 1280 x 1024 puntos de la foto (número de Píxel) - Tamaño Píxel: 12 µm x 12 µm - Zona espectral: 389 – 1100 nm - hasta 500 fotos por segundo (fps) a máxima resolución - Tamaño de la imagen ajustable y velocidad programable - Definición del Píxel 10 Bit o ajustable 8 de 19 Bit - 1 Perfil de cámara y 8 perfiles de usuario para parametrización de usos - menor perdida de potencia - 8 o 10 Taps (8x 8 bis 10x 10 bit Datentransfer)

Tabla 3.2.3 Características técnicas Cámara Mikrotr on MC1310.

En la Imagen 3.2.6 y Tabla 3.2.4 se puede observar la sensibilidad espectral de la cámara en relación con la longitud de onda.

Longitud de Onda

(nm) Quantum

efficiency (%) Longitud de Onda

(nm) Quantum

efficiency (%) 389.9 12.12 749.9 8.90 399.9 14.12 759.8 8.24 409.9 15.46 769.8 7.74 419.9 17.97 779.8 7.48 430.0 19.03 789.8 5.93 440.0 19.82 799.8 5.50 450.0 20.81 809.7 5.97 460.0 21.41 819.7 5.27 469.9 22.50 829.7 4.92



479.9 22.75 839.7 5.03 489.9 22.73 849.7 4.38 499.9 23.44 859.7 3.69 509.9 23.23 869.7 3.81 520.0 21.88 879.7 3.77 530.0 21.01 889.7 2.96 540.0 21.77 899.7 2.37 550.0 20.88 909.7 2.42 560.0 19.55 919.7 2.44 570.0 17.21 929.7 1.97 579.9 18.49 939.7 1.60 589.8 17.49 949.7 1.52 599.9 16.39 959.7 1.62 609.9 15.93 969.7 1.36 619.9 15.01 979.7 1.03 629.9 14.92 989.7 0.81 639.9 13.98 999.7 0.79 649.9 14.16 1009.7 0.77 659.9 11.55 1019.7 0.66 669.9 11.85 1029.7 0.45 679.9 12.51 1039.6 0.34 689.9 11.11 1049.6 0.25 699.9 11.17 1059.6 0.23 709.9 8.80 1069.6 0.16 719.9 9.82 1079.6 0.13 729.9 8.82 1089.6 0.08 739.9 7.67 1099.6 0.05

Tabla 3.2.4 Sensibilidad espectral de la Cámara Mi krotron MC1310.



Imagen 3.2.6 Sensibilidad espectral de la cámara M ikrotron MC1310.

La cámara Mikrotron MC1310 utiliza el software VCAM95 y la carta de adquisición de datos (Framegrabber-karte) INSPECTA 4DC (ver Imagen 3.2.7).

Imagen 3.2.7 VCAM95 Software .



3.3 Filtros Un filtro óptico es un dispositivo para filtrar los rayos electromagnéticos de forma que pasen unos rayos y se reflejen otros. Estos dispositivos seleccionan los rayos incidentes en base a unos criterios específicos como por ejemplo longitud de onda, estado de polarización o dirección de incidencia.

En el presente trabajo se utilizaran los siguientes tipos de Filtros:

- Filtros paso banda:

Los filtros paso banda se caracterizan por tener un gran coeficiente de transmisión para un corto margen de longitudes de onda y muy baja transmisión para las longitudes de onda por encima y por debajo de dicho margen.

Las propiedades características de este tipo de filtros es la transmisión máxima en la zona dónde transmite τmax y el ancho del margen HW. Este se deduce de la diferencia de longitudes de onda a ½ τmax que se alcanza. La longitud de onda para la cual el coeficiente de transmisión del filtro es máximo es la longitud de onda característica del filtro λm (ver Imagen 3.3.1).

Imagen 3.3.1 Propiedades características Filtro pas o banda.

- Filtros paso alto:

Este tipo de filtros muestran muy poca transmisión para bajas longitudes de onda y una alta transmisión para altas longitudes de onda a partir de una longitud de onda representada por λc que es la equivalente a la mitad del coeficiente de transmisión máximo ½ τmax (ver Imagen 3.3.2)



Imagen 3.3.2 Propiedades características Filtro pas o Alto.

- Filtros paso bajo: Este tipo de filtros muestran alta transmisión para bajas longitudes de onda y baja transmisión para altas longitudes de onda a partir de una longitud de onda representada por λc que es la equivalente a la mitad del coeficiente de transmisión máximo ½ τmax (ver Imagen 3.3.3)

Imagen 3.3.3 Propiedades características Filtro pas o bajo.

- Filtros grises: Este tipo de filtros son utilizados para reducir intensidad de la iluminación incidente, evitan la sobre iluminación reduciendo la claridad si se supera el margen de iluminación de las cámaras. De esta forma se evita que hayan zonas negras debido a la sobre iluminación. Este tipo de filtros actúa como una pantalla que limita la intensidad del haz incidente ayudando de esta forma a proteger las cámaras y a



conseguir imágenes más fáciles de interpretan eliminando las zonas de sobre iluminación.

El filtro que se utilizó en los ensayos de observaciones pasivas de las emisiones primarias es el Filtro FL1064-10, un filtro paso banda de la marca Thorlabs con una longitud de onda característica λm=1064nm (ver Anexo E para la acotación).

Imagen 3.3.4 Filtro FL1064.

El filtro que se utilizó en los ensayos de observaciones pasivas de las emisiones secundarias es el FiltroFES0950, este filtro paso bajo se caracteriza por λc= 950nm y ½ τmax=0.45 y su gráfico transmisión-longitud de onda se puede observar en la imagen 3.3.5 [31]. (Ver Anexo E para la acotación).



Imagen 3.3.5 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro FES0950.

Los filtros que en los ensayos con el Diodoláser para iluminar (observaciones activas), seleccionan el haz incidente en base a su longitud de onda. De este modo se posibilita la observación en el espectro infrarrojo (ver Anexo D) y eliminan de las imágenes las reflexiones del láser o del metal vaporizado las cuales sobre iluminan toda la imagen y tapan las imágenes infrarrojas.

En principio se necesitaría un filtro paso banda que transmita para longitudes de onda de aproximadamente 808nm (longitud de onda del Diodoláser de iluminación). Como la empresa LZH no disponía de este filtro, se colocarán dos filtros uno encima del otro, uno paso bajo y otro paso alto de forma que se consigan los mismos resultados que se conseguirían aplicando un filtro paso banda.

Los filtros que se utilizarán con esta finalidad son el filtro paso bajo FES0950 (ver la descripción del mismo arriba), y se irán colocando uno por uno 5 diferentes filtros paso alto de la marca SCHOTT, de forma que se comprobará cual es el más idóneo. Los 5 filtros que se utilizarán junto con el filtro FES0950 serán los siguientes: RG665, RG715, RG780, RG850, RG1000.

-RG665: Este filtro paso alto tiene λc=665nm y ½ τmax=0.49. Su gráfico transmisión-longitud de onda se puede ver en la Imagen 3.3.6 [32]. (Ver también el Anexo F para la hoja de características).



Imagen 3.3.6 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro RG665.

-RG715: Este filtro paso alto tiene λc= 715nm y ½ τmax=0.49. Su gráfico transmisión-longitud de onda se puede ver en la Imagen 3.3.7 [32]. (Ver también el Anexo F para la hoja de características).






Con estos dos filtros juntos colocados en la cámara coaxial, la cámara captará sólo en la intervalo de 665, 715, 780, 850, 1000 nm (dependiendo del filtro paso alto colocado) hasta 975nm. De este modo se oculta el campo visible y la reflexión del haz de láser. En la imagen 3.3.11 se puede ver a la derecha el filtro paso bajo FES0950 y a la izquierda el filtro paso alto SCHOTT.

Imagen 3.3.11 Filtro FES0950(derecha) y Filtro RGXX X(Izquierda).

En las siguientes Imágenes se pueden observar las gráficas transmisión-longitud de onda de las diferentes combinaciones de filtros utilizadas:



Imagen 3.3.12 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro FES0950 y RG665

superpuestos.


superpuestos.




superpuestos.


superpuestos.



Imagen 3.3.16 Gráfico Grado de transmisión-Longitud de onda Filtro FES0950 y R1000

superpuestos.

- Filtro de protección: Los filtros de protección se utilizan para evitar que las cámaras se dañen debido a intensidades demasiado altas. La gráfica grado de transmisión-longitud de onda del filtro de protección el cual fue utilizado en algunos ensayos se puede ver en la Imagen 3.3.17. Este filtro no deja pasar la radiación reflejada del láser para evitar la rotura de la cámara coaxial.

Imagen 3.3.17 Coeficiente de transmisión del Filtro de protección colocado en el cabezal de la

estación de trabajo.



3.4 Sistema de iluminación Para la iluminación en los ensayos de observaciones pasivas se utilizará una lámpara bifocal Flexilux 30HL (ver Imagen 3.4.1). Esta lámpara se compone de dos focos y la alimentación requerida es la siguiente 220V/50-60Hz.

Imagen 3.4.1 Lámpara.

Para la iluminación en los ensayos de observación activa se utilizará un Diodoláser para iluminación. El Diodoláser que se utilizará es el JOLD-Diodenlaser. La longitud de onda de este Diodoláser es de λ=808nm con una potencia característica de P=30W. Anteriormente se testaron otros Diodosláser , de las marcas SDL y JDS con unas potencias características de 6 y 4 W respectivamente, resultando estas potencias demasiado bajas para conseguir la iluminación de la zona a soldar

Es importante prestar atención en la forma de usar el Diodoláser JOLD en especial en el encendido y regulación de la intensidad, ya que puede ser dañado. Las indicaciones para su correcto funcionamiento se encuentran en el dispositivo.

En la Imagen 3.4.2 se muestran los componentes del dispositivo JOLD-Diodoláser, en regulador de temperatura, la red eléctrica de distribución y el Diodoláser.



Imagen 3.4.2 JOLD-Diodoláser.

En la Imagen 3.4.3 se muestra a la derecha la linterna frontal del Diodoláser. En la Imagen 3.4.4 se muestra la curva característica de potencia del Diodoláser (medida directamente al final de la fase/diámetro 600 µm).



Imagen 3.4.3 Área de trabajo con el Diodoláser para iluminar.

Imagen 3.4.4 Curva de potencia característica del D iodoláser.



3.5 Dispositivo de sujeción de los Circuitos Integrados

Una de las primeras dificultades que se encuentran a la hora de soldar circuitos integrados (ICs) es la fijación de las piezas a soldar de modo que no se produzcan movimientos y los materiales a soldad queden totalmente fijos e inmóviles antes de ser sometidos al pulso Láser. Las minúsculas dimensiones de las piezas del orden de micras dificultan estas tareas y necesitan una gran exactitud y sujeción

El dispositivo utilizado hasta el momento (ver Imagen 3.5.1) no cumple totalmente los requisitos, por lo que se diseñará y fabricara un nuevo dispositivo que ayude a mejorar los resultados obtenidos y que facilite el procedimiento de colocación y de sujeción de las piezas a soldar.

Imagen 3.5.1 Dispositivo de sujeción utilizado ante riormente.

Este nuevo dispositivo de sujeción será diseñado con el programa Solidworks 2000, y estará compuesto de tres piezas, una placa base, una placa intermedia y un elemento de sujeción de los ICs (en el Anexo G se muestran las acotaciones de las distintas piezas).

3.5.1 Placa base La primera pieza del dispositivo de sujeción es la placa base, la cual ha sido realizada de Aluminio con cuatro agujeros pasantes para cuatro tornillos del tipo M6 mediante los cuales se fijara la placa al sistema de posicionamiento triaxial de la Estación Láser utilizada. En su superficie han sido realizados 49 agujeros roscados M5 no pasantes para la posterior situación de la placa intermedia (ver Anexo G para la acotación de la pieza). (Ver Imagen 3.5.2).



Imagen 3.5.2 Placa base.

3.5.2 Placa intermedia Esta pieza sirve para fijar los la placa con los circuitos impresos (PCB) y para atornillar el elemento de de sujeción de los ICs. Ha sido realizada en Aluminio con cuatro agujeros roscados pasantes colocados simétricamente de tipo M5 que servirán para la fijación de la pieza en la placa base descrita en el apartado anterior por medio de 4 tornillos.

En su superficie han sido realizados dos agujeros no pasantes para situar dos pernos 3mm H7 que fijen la PCB. También se han realizado cuatro agujeros roscados pasantes simétricos del tipo M3 para la fijación del el elemento de sujeción de ICs, de forma que se pueda desmontar y ser colocado en los diferentes lados del IC para que se puedan soldar los pins de ambos lados sin tener que desmontar este. (Ver Anexo G para la acotación de la pieza). (Ver Imagen 3.5.3).



Imagen 3. 5.3 Placa intermedia.

3.5.3 Elemento de sujeción de ICs Esta pieza ha sido desarrollada para la fijación de los circuitos integrados sobre los PCBs, para impedir cualquier tipo de movimiento a la hora de realizar las soldaduras. Este elemento sujeta al IC por uno de sus lados dejando libre el otro para poder ser soldada. En el han sido realizados dos agujeros pasantes para tuercas tipo M3. En su geometría se puede observar la entalla realizada para el chip del circuito integrado, así como la entalla de mayores dimensiones realizada para acoplarse a la placa del circuito integrado como puede verse en las imágenes 3.5.4 y 3.5.5. (Ver Anexo G para la acotación de la pieza).



Imagen 3.5.4 Elemento de sujeción; Vista desde arri ba.

Imagen 3.5.5 Elemento de sujeción; Vista desde abaj o.

3.5.4 Montaje global En este apartado se muestra la geometría global del montaje, así como la disposición de sus elementos y los pasos para fijar los ICs en los PCBs.

Las imágenes 3.5.6, 3.5.7 y 3.5.8 muestran el montaje global así como la colocación de las piezas.



Imagen 3.5.6 Montaje general Dispositivo de sujeció n a).

Imagen 3.5.7 Montaje general Dispositivo de sujeció n b).



Imagen 3.5.8 Dispositivo de sujeción terminado.

Los pasos para fijar los ICs son los siguientes:

1. Fijar la placa base en el sistema de posicionamiento de la estación de trabajo.

2. Fijar el PCB en la placa intermedia con 2 pernos.

3. Fijar el elemento de sujeción de ICs sobre la placa intermedia.

4. Colocar el IC en el hueco.

5. Mirando con el microscopio hacer coincidir los pins del IC exactamente con los conductores del PCB.

6. Atornillar totalmente el elemento de sujeción de ICs (Ver Imagen 3.5.9)

7. Atornillar la placa intermedia a la placa base. (Ver Imagen 3.5.10).



Imagen 3.5.9 Fijación del IC.

Imagen 3.5.10 Vista del dispositivo de sujeción y del IC en el área de trabajo.



3.6 Colocación de los componentes

Uno de los temas más importantes es la colocación de los distintos componentes, como posicionar las cámaras en relación al haz láser y la orientación del Láser para iluminar.

La configuración para las observaciones pasivas se muestra en la Imagen 3.6.1. El haz del Láser viene por el lado izquierdo del montaje a través de la fase y es colimizada por una lente llamada colimador. El colimador produce un rayo paralelo, este rayo paralelo es reflejado y dirigido ortogonal mente hacia abajo por un espejo inclinado 45 grados, una segunda lente focaliza el rayo sobre la pieza. Un ordenador controla el Láser (ver apartado 3.1) así como el sistema de posicionamiento. La cámara photonfocus (rosa) se coloca en posición coaxial al haz láser y se controla por una tarjeta de adquisición de datos (Framegrabber-karte) instalada en un ordenador. La cámara Mikrotron (verde oscuro y gris) se coloca en posición offaxial y también se controla por una tarjeta de adquisición de datos (Framegrabber-karte) instalada en un segundo ordenador. Los filtros se colocan en la cámara coaxial en los ensayos que son necesarios, entre la cámara y el espejo que desvía el rayo láser.

Imagen 3.6.1 Colocación de los componentes para los ensayos de las inspecciones pasivas.



En los ensayos para una observación activa se coloca un Diodoláser en configuración offaxial como muestra la Imagen 3.6.2. Este dispositivo de iluminación se controla por medio de tres elementos (ver apartado 3.4). . Los filtros se colocan también en la cámara coaxial, entre la cámara y el espejo que desvía el rayo Láser.

Imagen 3.6.2 Colocación de los componentes para las inspecciones activas (con iluminación

mediante Diodoláser).

Las siguientes Imágenes muestran una vista y dos Zooms en tres dimensiones realizada con el programa Solidworks 2000 del montaje de la estación de trabajo y sus elementos más importantes.



Imagen 3.6.3 Vista en Solidworks2000 del área de tr abajo en las inspecciones pasivas.

Imagen 3.6.4 Vista en Solidworks2000 de los element os utilizados en las inspecciónes pasivas

(Vista ampliada).



Imagen 3.6.5 Vista en Solidworks2000 de los element os utilizados en las inspecciones

activas.

Descripción de las piezas a soldar 45


4 Descripción de las piezas a soldar

4.1 Circuitos integrados (ICs) Un circuito integrado (IC) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentran una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores.

Normalmente los circuitos integrados no se sueldan directamente al circuito, si no que se sueldan a una base la cual tiene un circuito impreso y luego se conectan los terminales del circuito impreso de la base al resto del circuito. De esta forma son más fáciles las reparaciones que puedan ser necesarias y se evita el calentamiento del circuito general en el proceso de soldadura. En el presente trabajo se realizará la soldadura de los circuitos integrados a su base en la cual hay un circuito impreso.

La siguiente figura muestra la geometría de la base, realizada con el programa informático SolidWorks 2000.

Los circuitos integrados que han sido utilizados en el presente trabajo son los Practical TSSOP56-BareCu (ver Imagen 4.1.1). Los cuales se colocan sobre una placa con circuitos impresos (PCB) (ver Imagen 4.1.2). Los pins de los ICs son de cobre sin recubrimiento. En los ensayos han sido utilizados dos tipos diferentes de PCBs, unos con el circuito impreso de cobre recubierto con Oro y otros con el circuito impreso de cobre galvanizado.

Cada circuito integrado tiene un cierto número de pins y es muy importante saber la posición exacta de cada terminal ya que si no se puede dañar fácilmente el circuito.

La figura siguiente muestra la geometría del Circuito integrado, su número de pines y la disposición y geometría de estos.



Imagen 4.1.1 IC.

Imagen 4.1.2 PCB.

Las características geométricas de los ICs se describen en la imagen 4.1.3.



Imagen 4.1.3 Propiedades de los ICs TSSOP56-BareCu.



Imagen 4.1.4 PCB y IC.

4.2 Sensores FPS En los ensayos en los que se ha utilizado el Láser más potente, en los cuales el posicionamiento fue más complicado debido a la colocación de filtros que no dejaban ver el puntero de posicionamiento del láser se soldaron en lugar de circuitos integrados unos sensores llamados FPS con cuatro patas de cobre galvanizado. Debido a la mayor área de las patas en comparación con los pines de los ICs el posicionamiento es mucho más sencillo y se puede conseguir utilizando simplemente el HeNe-láser. Este mayor volumen de las patas de los sensores FPS admiten mayores duraciones de los pulsos y por consiguiente mayores tiempos de exposición. La Imagen 4.2.1 muestra los sensores FPS.

Imagen 4.2.1 Fijación de los Sensores FPS.

Realización de los ensayos 48


5 Realización de los ensayos 5.1 Generalidades En el marco del presente trabajo se realizarán los ensayos pertinentes que componen la investigación en el campo de la realización de un sistema de observación del proceso y la calidad, basado en dos cámaras de alta velocidad, de microsoldaduras realizadas mediante Láser pulsado. Con este objetivo se determinarán las diferentes fases del proceso y se relacionarán las fotos captadas con la cámara coaxial al haz láser con cada una de las fases del proceso y con las de la cámara offaxial.

Con ayuda de las cámaras de alta velocidad se puede observar el proceso temporalmente con una alta definición. Mediante los filtros correspondientes y con ayuda de las fuentes de iluminación adicionales necesarias se puede observar tanto el baño fundido como la luminosidad de la campana de metal evaporado. Estos ensayos deben de proporcionar la explicación de las partes del proceso de soldadura.

Los diferentes ensayos que se realizarán se pueden clasificar en dos grupos: Los ensayos de observaciones pasivas y los ensayos de observaciones activas. En los ensayos pasivos se observa y analiza los espectros electromagnéticos de los rayos reflejados por la zona del proceso en el espectro visible o en las proximidades del infrarrojo. En los ensayos activos se ilumina la zona del proceso con un diodoláser, y tras ser ocultadas las radiaciones del proceso mediante los filtros correspondientes se observa la topografía del área y del baño de fusión y sus cercanías.

Los videos del proceso captados por la cámara coaxial se almacenan y transfieren al ordenador por medio de la Framegrabber-card MikroEnable III y el Software de la marca Silicon. EL análisis y la extracción de las fotos relevantes que definen el proceso se realiza con el Software VirtualDub 1.7.7.

Los ensayos se realizan de la siguiente forma:

Antes de empezar los ensayos se deben iniciar los diferentes dispositivos ( Ordenadores, Láser, cámaras) así como los Softwares ( el del Láser, el de las cámaras, el Software de posicionamiento).

Para empezar a utilizar el Láser se debe colocar el interruptor principal en la posición 1, posteriormente se ha de girar Interlock-key-interruptor hacia la derecha hasta la posición 1 y la llave-interruptor de tipo de láser hacia la derecha hasta la posición 4 (tipo de láser de mayor potencia abierto). Para terminar se presionara el botón Display de Láser on. Ver el apartado 3.1 y la imagen 3.1.1

Posteriormente se iniciarán las dos cámaras:



-La cámara offaxial Mikrotron:

En primer lugar se inicializa el Software VCAM95que se encuentra en el menú de inicio (Start→ Programme→Inspecta→VCAM95). Posteriormente ya se puede inicializar el modo de captura de imágenes de la cámara de alta velocidad (Camera→Profile→Load→Profile→MC1310_11_02_03640x480 4-Pixel binning→ Load Profile) (Ver Imagen 5.1.1). Por ultimo Camera→Capture drücken.

Imagen 5.1.1 Recuperación del perfil de la cámara.

Por último se iniciará el Software de configuración de la cámara (Start→ Mikrotron13XX) y se configura el Frame rate hasta 38, Black Level hasta 64, FPN hasta 109 y Gain hasta 119 (Ver Imagen 3.2.7).

-La cámara coaxial Photonfocus:

En primer lugar se inicializa el Software Mikro Display y presiona la opción de “auf alten zustand wieder herstellen“ y se coloca el modo de captura como AVI Sequenz ( las razones se explican en el apartado 5.2). Se configura el alto y el ancho de la pantalla en 128x128 (para que la velocidad de captura sea mayor). Se coloca el CameraLink Format en 8bit DualTap (Ver Imagen 5.1.2).



El tamaño del Píxel es 10,6 µm x 10,6 µm, 10,6 µm que multiplicado por el número de Píxel 128 =1.36mm el cual a causa del espejo del cabezal del láser se deduce un campo de captura de aproximadamente 678.4X678.4µm.

Imagen 5.1.2 Configuración de la pantalla de la Cám ara Photonfocus.

A continuación se inicializa el Software PFRemote 2.0 y se busca el perfil Kamera-Port MV-D752-160. Este Software permite la configuración del tiempo de exposición y de la región de interés. Se coloca el Exposure Trigger en Free Running y el tiempo de exposición se configura dependiendo del ensayo a realizar. Después se presiona sobre Windows y se configura la región de interés W y H en 128. X e Y sirven para colocar el área que se quiere captar exactamente en la pantalla. (Ver Imagen 5.1.3 hasta 5.1.8).



Imagen 5.1.3 Configuración de la cámara Photonfocus 1.




Los parámetros tiempo de exposición (Exposure Time) y Región de interés (Region of interest) son muy importantes ya que tienen una gran influencia sobre el número de fotografías por segundo (frames per second, fps) que la cámara captará. Porque cuando se trabaja con duraciones de pulso del orden de milisegundos, para captar las imágenes de las diferentes fases del proceso se necesita como mínimo una frecuencia de toma de fotografía de 1000 hasta 5000 fps. Para aumentar el número de fotos por segundo (fps) se tiene que disminuir la Región de interés y el tiempo de exposición. Con un valor pequeño de tiempo de exposición de 0.01ms y una región de interés de X=100,Y=75,W=128,H=128, se tiene un valor de fps de aproximadamente 6000 fotos por segundo, esto corresponde a 6 fotos por ms, que para una duración de pulso de 0.5 ms significa que en el mejor de los casos se capturarán 3 fotos durante en proceso de la soldadura. La dificultad está en que para aumentar el número de fps se tiene que disminuir el tiempo de exposición, y cuánto menor es el tiempo de exposición menor es la iluminación de los sensores CMOS y peor la claridad y calidad de la imagen.

Tras encender las cámaras se ajustan los parámetros del láser, para ello se inicializa el Software PCT2. Los parámetros, que dependiendo de cada ensayo se variarán, son Pulse peak Power (potencia de pulso), la Frequency (Frecuencia) y la Pulsduration (duración del pulso) (Ver Imagen 3.1.2).

El PCT2 Software ofrece la posibilidad de adaptar la forma del pulso (Ver Imagen 3.1.3).

Inmediatamente después de configurar los diferentes dispositivos descritos se procede a la búsqueda del punto focal del Láser.

Para ello se utiliza una pequeña placa de aluminio azul y se llevan a cabo los siguientes pasos ( ver Imagen 5.1.9):

-Efectuar 10-20 disparos del Láser desplazando el eje Z y el eje X o Y 1 mm tras cada disparo.

-Con la ayuda del microscopio encontrar el punto más pequeño.

-Repetir el proceso entre los tres puntos más pequeños con menores desplazamientos del eje Z.

-Encontrar el punto más pequeño observando con el microscopio.

-Para terminar colocar el eje Z en la posición del punto más pequeño encontrado, el cual es el punto focal del haz Láser.



Imagen 5.1.9 Búsqueda del punto focal.

Para desplazar los ejes se utilizará el Software de posicionamiento del Láser (Ver Imagen 5.1.10). El comando de inicio es SH: para dar valores de movimiento se utiliza el comando PR seguido del eje X,Y,Z y seguido por el valor de desplazamiento que se quiere dar. Para mover los ejes se utiliza el comando BG seguido de X,Y ó Z [33].

Imagen 5.1.10 Software de posicionamiento.

Tras la búsqueda el punto focal se encenderá el puntero del láser („roter“ HeNe-Laser) y mirando la cámara coaxial se colocará el puntero en la región de interés variando los valores X e Y de esta (Ver Imagen 5.1.4).

En los ensayos en que sea necesario extraer la cámara para colocar filtros hay que prestar atención a que el haz láser se encuentra en la región de interés ya que tras la colocación de algunos filtros como por ejemplo el filtro paso banda de 1064 nm ya no se observa el puntero lo cual dificulta mucho el correcto posicionamiento de la zona del proceso en el medio de la región de interés.

Posteriormente se enciende la lámpara y con la ayuda de la cámara offaxial se posiciona el puntero del Láser sobre los pins de la pieza a soldar. Con la cámara



coaxial se puede observar el aumento de la intensidad de la reflexión del puntero del láser, lo cual nos indica que el láser esta exactamente situado sobre el pin de la pieza (Cobre) que se quiere soldar.

Una vez posicionado el haz láser se puede iniciar la captura de las imágenes y accionar el Láser. En los ensayos en los que sea necesaria la utilización del diodo láser para una iluminación adicional, en los que se realiza una observación activa se encenderá el diodoláser antes de accionar el láser. Con la ayuda de la cámara offaxial y coaxial se situará el punto focal del diodoláser sobre el pin de la pieza a soldar. Tras la captura de los videos se almacenarán y mediante el programa Virtualdub se analizarán las imágenes y se extraerán las más importantes. Adicionalmente se analizará el resultado de la soldadura bajo el microscopio para decidir si el ensayo ha sido realizado correctamente y para decidir si la soldadura ha sido buena o mala y en el segundo caso, cuales han sido los errores que han aparecido.

5.2 Descripción de los ensayos y procesos de inspección

En el presente trabajo se exponen los cuatro diferentes ensayos que se realizarán para la realización de un sistema basado en cámaras de observación de la calidad y el proceso de microsoldaduras realizadas por Láser pulsado. En el primer ensayo se determinan los parámetros del Láser óptimos para la soldadura de circuitos integrados, para poder estimar la calidad de la soldadura de las probetas. En segundo lugar se realiza una inspección pasiva del proceso, observando las emisiones primarias (haz láser reflejado por la zona de interacción con longitud de ondaλ=λLaser). En tercer lugar se realiza una inspección pasiva del proceso, observando las emisiones secundarias (Radiación del metal vaporizado y del Plasma formado con longitudes de onda desde 300nm hasta 900 nm). Y en cuarto lugar se realiza una observación activa, en la cual se ilumina adicionalmente la zona del proceso, y ocultando la radiación del Láser y del metal vaporizado por medio de filtros, se puede observar la topografía de la superficie y hacer visible el área del baño fundido y sus inmediaciones.

Otras de las dificultades que aparecen en la toma de imágenes del proceso de soldadura es la configuración de las cámaras, la sincronización entre ellas, y la sincronización de las cámaras con el proceso de soldadura y con el inicio del pulso Láser, lo cuál es de gran ayuda para reducir la cantidad de datos y poder comparar directamente las fotografías de ambas cámaras. A pesar de que con ayuda del departamento de electrónica de la empresa y del proveedor del Software se intentó realizar dicha sincronización, esta sincronización no se pudo realizar en el presente trabajo debido a problemas con las tarjetas de adquisición de datos. Estas



dificultades deben ser analizadas y solucionadas en futuros trabajos para hacer más eficiente el sistema de análisis del proceso.

Otra dificultad, ya mencionada en el apartado 5.1, es la alta frecuencia de imágenes necesaria para obtener el suficiente número de fotos para poder analizar todo el proceso ya que en microsoldadura los pulsos del Láser son muy cortos, del orden de menos de 1ms. Para conseguir un alto ratio de fotos por segundo se necesita un extremadamente corto tiempo de exposición. Para tiempos de exposición tan pequeños, la intensidad del haz que excita al sensor CMOS debe ser muy alta si se quiere conseguir una calidad de la imagen aceptable.

Otra dificultad que aparece en los ensayos es el grado de transmisión del espejo situado el cabezal láser que refleja ortogonal mente el rayo láser para direccionarlo sobre la pieza. El coeficiente de transmisión del espejo se observa en la imagen 5.2.1.

Imagen 5.2.1 Coeficiente de transmisión del espejo situado en el cabezal de la estación de

trabajo.

Este espejo tiene un alto grado de transmisión en el espectro visible mientras que posee un grado de transmisión casi nulo para la longitud de onda del láser, por lo que la cantidad del rayo láser reflejado (emisión primaria) que percibirán las cámaras se verá afectada por el espejo. Futuros trabajos deben de analizar esta dificultad y adaptar el cabezal de trabajo y la posición del espejo y del láser para aumentar el



porcentaje de rayo láser reflejado que incide sobre la cámara y mejorar la calidad de las imágenes captadas por la cámara coaxial.

5.2.1 Fijación de los parámetros del Láser óptimos para la soldadura de ICs

En este ensayo se determinarán los parámetros óptimos del Láser. Para ello se realizará una investigación de los trabajos realizados hasta el momento sobre el tema en la empresa Laser Zentrums Hannover.

Los parámetros más importantes son Pulse peak Power (potencia de pulso), la Frequency (Frecuencia) y la Pulsduration (duración del pulso) y la forma del pulso.

Debido a las características geométricas de la pieza y las propiedades del cobre y apoyado por las investigaciones realizadas hasta el momento en el LZH se partirá de la base de que lo mejor es alta potencia para corta duración del pulso para soldar circuitos integrados. Si se proporciona la energía necesaria durante un tiempo de pulso más largo se puede producir la rotura de la pieza. Las formas de pulso que serán utilizadas, son como la que se propuso en el apartado 2.2, con la diferencia de que la potencia media del proceso será mayor. Con esta forma de pulso se mejorará el proceso de soldadura y se evitará el sobrecalentamiento de la zona de fusión con lo cual se evita la sobre evaporación del material lo que provoca uniones que no cumplen los requisitos.

En este ensayo se utilizarán dos tipos diferentes de PCB: unos con circuito impreso de cobre recubierto con oro y otros con circuito impreso de cobre galvanizado.

La forma de pulso utilizada en los circuitos impresos de cobre recubierto con oro necesita una potencia media más alta, para producir una soldadura correcta por lo que se utilizará la forma de onda mostrada en la Imagen 5.2.2.



Imagen 5.2.2 Forma del pulso para PCBs con Circuit o impreso de cobre recubierto con Oro.

La forma de pulso utilizada en los circuitos impresos de cobre galvanizado necesita menos potencia media, para producir una soldadura correcta por lo que se utilizará la forma de onda mostrada en la Imagen 5.2.3.

Imagen 5.2.3 Forma del pulso para PCBs con Circuit o impreso de cobre galvanizado.

Una dificultad a la hora de encontrar los parámetros óptimos del proceso es la difícil reproducibilidad de los resultados, ya que estos dependen de muchos factores como oxidación de la superficie, posicionamiento, comportamiento óptico, exactitud de la posición del foco etc. que varían siendo muy difícil su control total.



Las siguientes Imágenes muestran los posibles fallos que pueden aparecer en la realización de las soldaduras de ICs y PCBs.

Pulse peak power 2 KW Pulse peak power 2 KW

Frequency 2Hz Frequency 2Hz

Pulse duration 1ms Pulse duration 0.5ms

Imagen 5.2.4 A la izquierda Solda dura IC con unión, a la derecha sin unión.

Pulse Peak Power 2 KW

Frequency 2Hz

Pulse duration 1.5ms

Imagen 5.2.5 Quema del IC a

causa de una duración del pulso demasiado grande.




Frequency 1Hz


Imagen 5.2.6 Soldadura IC sin uni ón debido a no suficiente grado de acoplamiento.

.


Frequency 2Hz


Imagen

5.2.7 Soldadura IC con unión al Circuito

impreso de cobre recubierto con Oro.




Frequency 2Hz

Pulse duration

0.5ms

Imagen 5.2. 8 PCB dañado, Circuito impreso de cobre galvanizado .


Frequency 2Hz


Imagen 5.2.9 Soldadu ra IC con unión, circuito impreso de cobre galvaniz ado.



Pulse Peak Power 1.5 KW

Frequency 2Hz


Imagen 5.2.10 S oldadura IC sin unión debido a poca potencia.

.


Frequency 2Hz

Pulse duration 1ms

Imagen 5.2.11 Soldadura IC con unión, Circuito impr eso de cobre galvanizado, baja Potencia y alta duración del Pulso.

Las siguientes imágenes muestran soldaduras de sensores FPS con el Láser Lasag SLS 200 C60.




Frequency 2Hz

Pulse duration 3ms

Imagen 5.2.12 Soldadura de FPS a)


Frequency 2Hz

Pulse duration

3ms

Imagen 5.2.13 Soldadura de FPS b).

Pulse Peak Power



2 KW Frequency

2Hz

Pulse duration

3ms

Imagen 5.2. 14 Soldadura de FPS c). 5.2.2 Proceso de Inspección pasiva por medio de la observación de

las emisiones primarias En este apartado se realizará un proceso de inspección pasiva mediante la observación de las emisiones primarias (radiación reflejada por la zona de incidencia del Láser con la pieza con λ=λLaser). Este haz del Láser reflejado (Rückreflex) por la zona de incidencia con λ=1064nm se capta localmente por la cámara situada en configuración coaxial. El resto de las partes reflejadas son ocultadas por medio de un filtro paso banda (ver apartado 3.3, Filtro FL1064-10). La sensibilidad espectral de la cámara en la zona de la longitud de onda del láser es bastante pequeña aunque suficiente para captar localmente el haz de láser reflejado (Rückflex), (Ver Imagen 3.2.2).

Una dificultad que aparece en el presente ensayo es el posicionamiento del haz Láser en el medio de la imagen tomada por la cámara, ya que el filtro oculta el espectro visible y no se puede ver el puntero de posicionamiento del láser (Ver Imagen 3.3.1). Esto hace el posicionamiento del haz láser complicado ya que en principio se debe posicionar el Láser sin filtro y después desmontar la cámara, colocar el filtro y volver a montar la cámara. Debido a este problema puede suceder que las fotos captadas finalmente no muestren el proceso en el punto medio. Estas dificultades deben ser tenidas en cuenta en futuros proyectos y solucionadas, por ejemplo diseñando un nuevo cabezal del láser que permita fácilmente colocar y sacar filtros.

Las siguientes imágenes muestran las fotos de soldaduras de ICs con PCBs de cobre con recubrimiento de oro. Estas fotos fueron tomadas con la utilización del filtro FL1064-10. Las diferentes filas de imágenes de diferentes colores muestran el mismo proceso utilizando distintos modos de representación del programa Virtualdub para que se pueda interpretar el proceso con mayor facilidad.



Imagen 5.2.15 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.75ms,exp .time=0.05ms, Soldadura IC con PCB

de Cobre recubierto con Oro.

Las zonas que en las fotos están totalmente negras por dentro de la zona de incidencia del láser son zonas de sobre iluminación las cuales se pueden evitar con la utilización de filtros grises.

En las siguientes imágenes se muestra un error de posicionamiento. Las fotos corresponden a una soldadura de IC con un PCB de cobre recubierto con oro y con la utilización de un filtro FL1064-10.



Imagen 5.2.16 Error de posición, pp=2KW, f=2Hz, pul seduration=0.75ms, exp.time=0.05ms, IC

Soldadura con PCB de Cobre recubierto con Oro.

A continuación se utilizará el dispositivo Láser de mayor potencia Lasag SLS 200 C60 (Ver Tabla 3.1.2) y se soldarán sensores FPS (Ver Imagen 4.2.1). Estas piezas permiten la utilización de unas duraciones de pulso más largas lo que posibilita el poder tomar más fotos del procesos, ya que éste será más largo, y también posibilita la utilización de tiempos de exposición mayores lo que permite la toma de fotografías de mayor calidad.



Imagen 5.2.17 pp=1KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.ti me=0.1ms,Soldadura de FPS.



Imagen 5.2.18 pp=1KW,f=2Hz,pulseduration=10ms,exp.t ime=0.1ms,Soldadura de FPS.





Imagen 5.2.21 pp=5KW,f=2Hz,pulseduration=1ms,exp.t ime=0.1ms,Soldadura de FPS.

A continuación se colocarán diferentes filtros grises para mejorar la calidad de las imágenes y evitar las zonas de sobre iluminación.



Imagen 5.2.22 pp=2KW,f=2Hz,pulseduation=3ms,exp.ti me=0.1ms con Filtro gris de 50%,

Soldadura de FPS.

Imagen 5.2.23 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.t ime=0.1ms con Filtro gris de 20%,

Soldadura de FPS.

A continuación se muestra el mismo ensayo pero utilizando el filtro RG 1000 en lugar del filtro paso banda y con un tiempo de exposición mayor lo que proporciona imágenes de mayor claridad.



Imagen 5.2.24 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.t ime=0.6ms, Soldadura de FPS.

5.2.3 Proceso de Inspección pasiva por medio de la observación de

las emisiones secundarias En este apartado se llevará a cabo una inspección pasiva del proceso por medio de la observación de las emisiones secundarias (Radiación del metal vaporizado y del Plasma formado con longitudes de onda desde 300nm hasta 900 nm). La radiación emitida por la zona de trabajo en microsoldadura por Láser pulsado está producida principalmente por la evaporación de metal, en el espectro visible, y por el plasma que se forma de la ionización del metal evaporado que se encuentra en el espectro ultravioleta. Las imágenes de la 5.2.25 hasta la 5.2.27 muestran las medidas de las longitudes de onda de las emisiones medidas con el espectrómetro para diferentes tiempos de integración en soldadura de circuitos integrados.



Imagen 5.2.25 Espectro de las emisiones en soldadur a de ICs, pp=1.5KW, pulseduation=1.5ms,

Integration time= 50ms.

Imagen 5.2.26 Espectro de las emisiones en soldadur a de ICs, pp=1.5KW,

pulseduration=1.5ms, Integration time= 100ms.



Imagen 5.2.27 Espectro de las emisiones en soldadur a de ICs, pp=1.5KW,

pulseduration=1.5ms, Integration time= 200ms.

Las Imágenes de la 5.2.28 a la 5.2.30 muestran las medidas con el espectrómetro de las longitudes de onda de las emisiones para diferentes tiempos de integración en soldadura de sensores FPS.

Imagen 5.2.28 Espectro de las emisiones en soldadur a FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5 ms,

Integration time= 50ms.



Imagen 5.2.29 Espectro de las emisiones en soldadur a de FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5

ms, Integration time= 100ms.

Imagen 5.2.30 Espectro de las emisiones en soldadur a de FPS, pp=1.5KW, pulseduration=1.5

ms, Integration time= 200ms.

En estos gráficos se puede observar, que para tiempos de integración más largos, del orden de 200 ms, se observa un equiparable nivel de señal en el espectro visible como ocurría para tiempos de integración más cortos. Este porcentaje de radiación se debe fundamentalmente a la nube de metal evaporado con lo que se puede deducir que este tipo de inspección pasiva mediante la observación de las emisiones secundarias no es relevante ya que la radiación emitida por el metal vaporizado



ocupa todo el espectro que se quiere observar ( de 300 nm a 900nm) con lo que no se pueden apreciar las diferentes fases del proceso y se puede concluir que una inspección pasiva para determinar las distintas fases del proceso no es posible en el espectro electromagnético de 300 a 900nm.

Las siguientes imágenes muestran las fotos tomadas en el presente ensayo, en ellas se utilizó un tiempo de exposición muy alto de 20 ms (con lo que la cámara captó 0.05 fotos por milisegundo, lo que equivale a 0.025 durante la duración del pulso de 0.5 ms) y se obtuvieron varias imágenes que mostraban radiación lo cual demuestra que las radiaciones producidas por el metal evaporado se mantienen aún incluso cuando el pulso ha cesado. Por lo que se deduce que dichas imágenes no son relevantes ya que no corresponden a las diferentes fases del proceso sino sólo a la radiación del metal evaporado.

Las fotografías siguientes se realizaron con el filtro de protección (Ver Imagen 3.3.17).

Imagen 5.2.31 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.75ms,exp .time=20ms, Cobre.

Las siguientes imágenes muestran las fotos tomadas en una soldadura de parámetros pp=2KW, f=2Hz, pulse duration=0.5ms y con un tiempo de exposición de 1ms. El filtro utilizado fue el filtro paso bajo FES0950.



Imagen 5.2.32 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.5ms,expt ime=1ms, Soldadura IC con PCB de Cobre recubierto con Oro.

5.2.4 Proceso de Inspección Activa En este apartado se realizará una inspección activa del proceso mediante la observación de la zona del proceso ocultando la radiación del láser reflejada mediante filtros y utilizando una iluminación adicional por medio de un Diodoláser. El diodoláser utilizado es un Jenoptik-Diode con una longitud de onda de λ=808nm (Ver apartado 3.4).

Para iluminar con el Diodoláser se debe encontrar la distancia del foco del diodoláser a la pieza y situar el punto focal exactamente sobre la pieza a soldar para conseguir una alta densidad de potencia y una intensa iluminación (Ver Imagen 5.2.33).



Imagen 5.2.33 Distancia del foco del Diodoláser.

Se utilizarán dos filtros; el filtro paso bajo FES0950 en combinación con cada uno de los cinco filtros paso alto de la marca SCHOTT, se irán probando y se determinará cual es idóneo para el presente ensayo (Ver apartado 3.3).

Las siguientes imágenes muestran las fotos de la cámara offaxial cuando se ilumina la zona de trabajo con el diodoláser. Debido a que en esta cámara no se ha colocado ningún filtro la imagen está fuertemente iluminada.

Imagen 5.2.34 Imagen de la zona iluminada.

Las siguientes imágenes muestran las fotos tomadas con la combinación de filtros FES0950-RG715 y FES0950-RG780.



Imagen 5.2.35 pp=2KW,f=2Hz,pulseduration=0.5ms,exp. time=0.05ms, Intensidad de la

iluminación=8A, combinación de filtros FES0950-RG71 5, Soldadura IC con PCB de Cobre recubierto con Oro.



Imagen 5.2.36 pp=2KW, f=2Hz, pulseduration=0.75ms, exp.time=0.05ms, Intensidad de la

iluminación=8.4A, combinación de filtros FES0950-RG 780, Soldadura IC con PCB de Cobre recubierto con Oro.

Una dificultad que aparece en el presente ensayo es la combustión de los ICs debido a la intensidad de la iluminación del Diodoláser. Debido al pequeño tiempo de exposición que se necesita para conseguir suficientes fotos por milisegundo para poder captar todas las fases del proceso de soldadura de ICs, y debido al bajo coeficiente de transmisión de los filtros RG850 y RG1000 para la longitud de onda dónde ilumina el diodoláser (808nm) (Ver Imágenes 3.3.15 y 3.3.16), se necesita una gran potencia para iluminar lo suficiente mente el área de la pieza que se desea observar. Para intensidades mayores a 15 Amperios la potencia es de aproximadamente 13W (Ver imagen 3.4.4) y los ICs se dañan. Para estas potencian el material plástico de las piezas comienza a arder. Por ello serán utilizados los sensores Fps ya que aguantan una iluminación de mayor potencia y mayores duraciones de pulso, por lo que se podrán tomar más fotografías del proceso o aumentar el tiempo de exposición.

Para los ensayos con los sensores FPS se utiliza el dispositivo Láser Lasag SLS 200 C60 (Ver tabla 3.1.2 para las características). Las siguientes imágenes muestran las fotos tomadas con la combinación de filtros FES0950-RG780.



Imagen 5.2.37 pp=2KW, f=2Hz,pulseduration=3ms,exp.t ime=0.6ms,Intensidad de

iluminación=7.2A, combinación de filtros FES0950-RG 780, Soldadura de FPS.

A pesar de la variación de los parámetros del proceso en los diversos ensayos realizados con los sensores FPS, no se pudo obtener ninguna foto clara, ya que las imágenes muestran que una que una gran cantidad de la radiación del Láser es reflejada y captada por las cámaras, lo cual impide ver la topografía del área de la soldadura. Con los filtros RG850 y RG1000 se obtienen resultados poco satisfactorios debido al bajo coeficiente de transmisión de ambos filtros para longitudes de onda del orden de los 808nm del diodoláser de iluminación (Ver imagen 3.3.15 y 3.3.16), ya que sería necesaria mucha potencia. Por ejemplo para tener una iluminación suficiente con el filtro RG1000 se necesita un tiempo de exposición de 60ms con una potencia de iluminación de 18W lo que produce que los sensores FPS ardan.

Futuros trabajos deben de enfocarse al diseño de una nueva estación de trabajo con un nuevo diseño del cabezal del láser y de la configuración de los elementos para obtenerse unos resultados más satisfactorios de modo que la óptica del láser no influya en la visión de las cámaras y en la iluminación. De este modo la iluminación requerida será suficiente para los bajos tiempos de exposición que requieren las cámaras para captar las imágenes suficientes que determinen las etapas del proceso de microsoldadura por láser pulsado.

Análisis de los Resultados 80


6 Análisis de los Resultados 6.1 Generalidades Tras la realización de los ensayos se realizará en este apartado un análisis de los resultados así como la valoración de su relevancia y su aplicabilidad.

En los ensayos para determinar los parámetros óptimos del láser para la soldadura de circuitos integrados en los PCB se ha demostrado que los valores más apropiados son:

Pulse peak power = 2KW

Puls duration = 0.75ms (PCBs con recubrimiento de o ro)

Puls duration = 0,5ms (PCBs galvanizados)

El proceso de soldadura y sus diferentes fases se deducen de las fotos tomadas, en los ensayos de inspecciones pasivas, en las observaciones de las emisiones primarias se muestra que en primer lugar se produce un lento calentamiento de la superficie (fase de calentamiento; Ver forma del Pulso), después la superficie comienza a fundir circularmente con centro en el punto focal del láser, entonces aumenta en grado de acoplamiento y empieza a disminuir la señal reflejada. Se forma un baño de fusión el cual se puede identificar con cámaras de alta velocidad (Ver Imagen 6.2.1). Debido al aumento del coeficiente de absorción en la superficie del baño caliente y del descenso de la capacidad de conducción térmica al alcanzar y sobrepasar la temperatura de fusión aumenta la energía que irrumpe en el baño fundido y comienza la vaporización (fase de soldadura). Esta evaporación puede ser captada por las cámaras de alta velocidad. Posteriormente aumenta tanto la evaporación que se forma un capilar y comienza el proceso de soldadura profunda. Los cambios en la señal reflejada no pueden ser captados (soldadura profunda).

Los mejores resultados para la apreciación de las soldaduras se obtienen de los ensayos de inspecciones pasivas por medio de las observaciones primarias. En las imágenes correspondientes a este tipo de ensayos se pueden distinguir las diferentes fases del proceso de forma que se pueden sacar conclusiones de cómo es el proceso. Por medio de la evaluación de las diferentes imágenes se puede estimar si la soldadura se ha realizado correctamente o no. Las fases del proceso se deducen de la secuencia de imágenes a través de los cambios de intensidad del haz de láser reflejado. Las zonas en medio de las fotografías que están totalmente negras corresponden a zonas de sobre iluminación, las cuales pueden ser evitadas por medio de la utilización de filtros grises que disminuyan la intensidad de las radiaciones que llegan a la cámara. Para esto se deberán realizar ensayos futuros para estimar el balance entre intensidades suficientes para interpretar las fotografías y intensidades que no produzcan una sobre iluminación de ninguna zona. En proyectos futuros se debe plantear como meta no sólo la observación



superior del área de fusión de la unión si no también el proceso de formación de la soldadura profunda y la observación de la parte inferior de la unión, para poder hacer afirmaciones sobre el contacto. Para comprobar la calidad de las soldaduras son necesarios otros tipos de ensayos que no pudieron ser abarcados por el presente trabajo.

Los ensayos para observar las emisiones secundarias no son relevantes al menos para la configuración coaxial y no proporcionan información en relación al estado del proceso, ya que la radiación emitida por el metal vaporizado y por el plasma iluminan todas las imágenes y no se pueden detectar las diferentes fases del proceso.

Las observaciones de las emisiones secundarias solo serían relevantes para la grabación con la cámara offaxial, la cual puede captar la nube de metal evaporado. Para ello sería necesario la colocación de un filtro en la cámara en configuración offaxial que ocultará las reflexiones en con longitud de onda λ>900nm, que también ocultará las reflexiones de longitud de onda λ=1064nm así como las tediosas reflexiones térmicas. Ya que no fue posible la sincronización de ambas cámaras con el pulso láser no se pudo avanzar en este tipo de observaciones.

Los ensayos de observaciones activas presentan muchas dificultades en la soldadura de circuitos integrados debido a la poca potencia de iluminación que pueden soportar los ICs. Si dicha potencia se eleva demasiado las piezas se dañan e incluso arden. Para potencias muy pequeñas las imágenes tomadas no muestran el proceso debido a la falta de iluminación. En las fotos tomadas en los ensayos de observaciones activas se observa que la superficie de la pieza no se puede filmar con buen contraste y claramente visible ya que aparece una iluminación en las imágenes debida a la radiación en el espectro de 800nm hasta 1000nm (ver Apartado 3.3) de la zona de soldadura. Este problema se podría solucionar con la colocación de un filtro el cual sólo transmita exactamente para la longitud de onda del diodoláser (808nm).

6.2 Determinación de las diferentes Fases del proceso y correlación con las correspondientes fotos

En los ensayos de inspecciones pasivas se pueden identificar las diferentes fases del proceso con las fotografías tomadas. En el comienzo del proceso se refleja casi todo el haz láser incidente en la pieza. En la fotografía de la cámara se observa en esta fase un círculo sobre iluminado, cuyo diámetro corresponde con el diámetro del foco y en cuyo interior se observa una sobre iluminación. Posteriormente se produce una fusión del material y una curvatura en la superficie que se identifica en la fotografía como una estructura de anillo ya que en los bordes y en el centro la reflexión es mucha mayor. Posteriormente cuando la soldadura comienza a ser más profunda las imágenes muestran una menor intensidad en la reflexión debido a que



el área de la soldadura comienza a curvarse cada vez más y las reflexiones ya no llegan a sensor de la cámara. Cuando la soldadura llega a su fase de soldadura a través la fotografía a penas muestra intensidad. De este modo se puede desarrollar un modelo de las fases del proceso. Una correlación entre las fotos tomadas por la cámara coaxial y las fases del proceso se muestra en la imagen 6.2.1.

Imagen 6.2.1 Identificación de las fases del proces o con las fotos.

Al comienzo del proceso en la fase de calentamiento, una gran parte del haz láser es reflejado, y se forma una esfera clara en la imagen cuyo diámetro corresponde al diámetro del rayo láser en el punto focal. En la fase de fusión se produce un movimiento del baño fundido lo que produce una curvatura en la superficie del material, de este modo el haz se refleja en la dirección de incidencia sólo en el centro y en los bordes, lo que se aprecia en la fotografía cómo una estructura anular. En dependencia al grado de fusión y tamaño del baño fundido esta estructura anular puede estar compuesta por más anillos. En la fase de soldadura la única reflexión que llega a la cámara es la del centro del capilar ya que en las paredes del capilar las radiaciones se reflejan en las paredes y no son captadas por la cámara coaxial. Cuando se alcanza la soldadura profunda ya no se refleja nada en el centro del capilar. Estas fases del proceso pueden ser determinadas mediante las reflexiones captadas por la cámara coaxial. Los ensayos realizados deberían ser continuados de forma que se pudiera detectar la fusión de la unión en el interior de la “Keyhole“ por medio de la creciente reflexión.

En el análisis de la señal reflejada aparece la dificultad de que parte de la imagen está fuertemente sobre iluminada y por el contrario otras partes de la imagen no se



perciben suficientemente por falta de iluminación. Esto significa que el dinamismo de la imagen de 120dB no es suficiente. Tampoco es suficiente la utilización de la conocida como LinLOG función de la cámara, la cual es una curva característica logarítmica adaptable. Esta función se utiliza para captar el proceso total satisfactoriamente y para eliminar las zonas de sobre iluminación. En futuros proyectos se deberían desarrollar programas que detectaran las zonas de las imágenes de forma que diferenciaran entre zonas poco iluminadas, zonas iluminadas y zonas sobre iluminadas de forma que pudieran interpretar las fases del proceso y decidir que soldaduras se han realizado satisfactoriamente.

Resumen y vista general 84


7 Resumen y vista general Debido a las crecientes necesidades de la industria microelectrónica de una alta temperatura y resistencia de la unión soldada la utilización de Pulsos de Láser en microsoldadura aparece como una buena solución en la tecnología de uniones con un gran potencial de crecimiento. La microsoldadura por láser pulsado se presenta como un proceso muy crítico, en especial cuando el material a soldar es Cobre y debido a la difícil manejabilidad de las piezas. La soldadura de cobre es generalmente un proceso crítico ya que presenta muchas dificultades e inestabilidades debido a las propiedades físicas del material. La baja absorción para las longitudes de onda utilizadas en el proceso (ND:YAG con longitud de onda 1064nm) así como la alta conductividad térmica son los principales inconvenientes.

Las inestabilidades del proceso en soldadura por Láser necesitan una observación y control del proceso para asegurar la calidad de las piezas realizadas e identificar las variaciones en los resultados obtenidos. Estas inestabilidades pueden ser detectadas a través de un sistema de inspección y de control de calidad mediante la observación del proceso por medio de un sistema basado en dos cámaras de alta velocidad, una situada en posición coaxial al haz láser y la otra situada en posición offaxial. Por medio de este sistema de inspección se pueden identificar y determinar las diferentes fases del proceso y de este modo a través de las variaciones observadas determinar en que procesos han aparecido irregularidades.

Cuando aparecen perturbaciones cambia la intensidad del haz del proceso y del haz reflejado. Desviaciones y variaciones del estado estacionario del proceso avisan de que han aparecido perturbaciones en el proceso y pueden ser determinadas por medio de comparación.

Los sistemas basados en cámaras ofrecen dos estrategias diferentes de observación: una pasiva en la cual se observa y analiza la radiación electromagnética emitida por el proceso en el espectro visible y en las proximidades al espectro infrarrojo ( emisiones primarias y secundarias), así como una activa, en la cual se ilumina adicionalmente la zona del proceso, y ocultando la radiación del Láser y del metal vaporizado por medio de filtros, se puede observar la topografía de la superficie y hacer visible el área del baño fundido y sus inmediaciones.

Un factor muy importante en la utilización de cámaras de alta velocidad para tomar imágenes es la exposición. Este factor en el ámbito de las cámaras de alta velocidad es más importante que muchos otros factores debido a que para tiempos de exposición muy pequeños como los que se tienen en microsoldadura las cámaras necesitan mucha iluminación para que la calidad de las imágenes tomadas sea satisfactoria. Esta gran cantidad de iluminación que es necesaria provoca el calentamiento de las piezas a soldar de tal modo que si la intensidad es muy grande las piezas pueden incluso arder. Este tipo de dificultades han ido apareciendo y han sido tratadas en el presente trabajo



También es de gran importancia la utilización de filtros y su combinación de forma que permitan observar solo en las longitudes de onda deseadas y que oculten el resto del espectro.

Una de las primeras dificultades que aparecen en la realización de los ensayos es la sujeción de los circuitos integrados, debido a sus pequeñas dimensiones. Estos requisitos de gran exactitud y manejabilidad han llevado a la realización en el presente trabajo de un nuevo dispositivo de sujeción.

Los diferentes ensayos que han sido realizados se pueden clasificar en dos grupos: Los ensayos de observaciones pasivas y los ensayos de observaciones activas. En los ensayos pasivos se observa y analiza los espectros electromagnéticos de los rayos reflejados por la zona del proceso en el espectro visible o en las proximidades del infrarrojo. En los ensayos activos se ilumina la zona del proceso con un diodoláser, y tras ser ocultadas las radiaciones del proceso mediante los filtros correspondientes se observa la topografía del área y del baño de fusión y sus cercanías.

Los parámetros tiempo de exposición (Exposure Time) y Región de interés (Region of interest) son muy importantes ya que tienen una gran influencia sobre el número de fotografías por segundo (frames per second, fps) que la cámara captará. Porque cuando se trabaja con duraciones de pulso del orden de milisegundos, para captar las imágenes de las diferentes fases del proceso se necesita como mínimo una frecuencia de toma de fotografía de 1000 hasta 5000 fps. Para aumentar el número de fotos por segundo (fps) se tiene que disminuir la Región de interés y el tiempo de exposición. La dificultad está en que para aumentar el número de fps se tiene que disminuir el tiempo de exposición, y cuánto menor es el tiempo de exposición menor es la iluminación de los sensores CMOS y peor la claridad y calidad de la imagen.

La determinación de los parámetros del Láser óptimos del proceso presenta muchas dificultades debido a la difícil reproducibilidad de los resultados, ya que estos dependen de muchos factores como oxidación de la superficie, posicionamiento, comportamiento óptico, exactitud de la posición del foco etc. que varían siendo muy difícil su control total.

La inspección pasiva mediante la observación de las emisiones secundarias no es relevante ya que la radiación emitida por el metal vaporizado ocupa todo el espectro que se quiere observar (de 300 nm a 900nm) con lo que no se pueden apreciar las diferentes fases del proceso y se puede concluir que una inspección pasiva para determinar las distintas fases del proceso no es posible en el espectro electromagnético de 300 a 900nm. Las observaciones de las emisiones secundarias solo serían relevantes para la grabación con la cámara offaxial, la cual puede captar la nube de metal evaporado. Para ello sería necesario la colocación de un filtro en la cámara en configuración offaxial que ocultará las reflexiones en con longitud de onda λ>900nm, que también ocultará las reflexiones de longitud de onda λ=1064nm así como las tediosas reflexiones térmicas.



Los mejores resultados para la apreciación de las soldaduras se obtienen de los ensayos de inspecciones pasivas por medio de las observaciones primarias. En las imágenes correspondientes a este tipo de ensayos se pueden distinguir las diferentes fases del proceso de forma que se pueden sacar conclusiones de cómo es el proceso. Por medio de la evaluación de las diferentes imágenes se puede estimar si la soldadura se ha realizado correctamente o no. Las fases del proceso se deducen de la secuencia de imágenes a través de los cambios de intensidad del haz de láser reflejado.

En los ensayos de inspecciones pasivas, en las observaciones de las emisiones primarias se muestra que en primer lugar se produce un lento calentamiento de la superficie (fase de calentamiento), después la superficie comienza a fundir circularmente con centro en el punto focal del láser, entonces aumenta en grado de acoplamiento y empieza a disminuir la señal reflejada. Se forma un baño de fusión el cual se puede identificar con cámaras de alta velocidad. Debido al aumento del coeficiente de absorción en la superficie del baño caliente y del descenso de la capacidad de conducción térmica al alcanzar y sobrepasar la temperatura de fusión aumenta la energía que irrumpe en el baño fundido y comienza la vaporización (fase de soldadura). Esta evaporación puede ser captada por las cámaras de alta velocidad. Posteriormente aumenta tanto la evaporación que se forma un capilar y comienza el proceso de soldadura profunda. Los cambios en la señal reflejada no pueden ser captados (soldadura profunda).

Los ensayos de observaciones activas presentan muchas dificultades en la soldadura de circuitos integrados debido a la poca potencia de iluminación que pueden soportar los ICs. Si dicha potencia se eleva demasiado las piezas se dañan e incluso arden. Para potencias muy pequeñas las imágenes tomadas no muestran el proceso debido a la falta de iluminación. Una de las principales dificultades en la iluminación apareció en la utilización del diodoláser para la iluminación. Debido a la necesidad de inicializar el diodoláser con un aumento progresivo y lento de la intensidad de iluminación para que no se dañara fue imposible coordinar el disparo del pulso del Láser con el comienzo de la iluminación. Este progresivo aumento de la intensidad de iluminación provocaba un progresivo calentamiento de las piezas a soldar hasta llegar incluso a arder. En futuros trabajos deben de ser abarcados este tipo de problemas e intentar solucionarlos, una posible solución seria colocar la iluminación en posición coaxial al haz de láser de forma que la incidencia de la iluminación fuera ortogonal y no se necesitara tanta potencia como cuando la iluminación incide angularmente sobre la zona de soldadura. Para poder realizar una iluminación coaxial es necesario el diseño de otro cabezal de trabajo ya que el actual imposibilita totalmente este tipo de configuración. Este diseño del nuevo cabezal debe ser llevado a cabo en futuros proyectos.

Bibliografía 87


8 Bibliografía [1] Poprawe, R.: Lasertechnik für die Fertigung – Grundlagen, Perspektiven und Beispile für den innovativen Ingenieur.

[2] Glasmacher, M.: Prozess und Systemtechnick zum Laserstrahl-Mikroschweissen.

[3] Ramsayer, Reiner M.: Prozessstabilisierung beim gepulsten Laserstrahl-Mikroschweissen von Kupferwerkstoffen.

[4] Schmitz, M.; Albert, F.; Jahrsdörfer, B; Mys, I.: Innovative laserbasierte Fügeverfahren zur elektrisch leitfähigen kontaktierung.

[5] Seibold, G.: Persönliche Mitteilung

[6] Touloukian, Y.S.; De UIT, D.P.: Termal radiative properties metallic elements and alloys.

[7] Dudeck S. und Puente León F: Kamerabasierte In-situ-Überwachung gepulster Laserstrahlschweißprozesse.

[8] Speaker, W.: Prozessüberwachung beim Schweissen mit Nd:YAG Lasern

[9] Beersiek, J.: On-line monitoring of keyhole instabilities during laser beam welding.

[10] Regaard, B.; Kaierle, S.; Schulz, W.; Moalem, A.: Advantages of coaxial external illumination for monitoring and control of laser materials processing.

[11] Dudeck, S.; Rieger, D.; Puente León, F.: Zeitlich und räumlich aufgelöste Spektroskopie gepulster Laserschweißprozesse, Proc. Sensoren und Messsysteme 2006, S. 113–116, ITG/GMA, VDE Verlag GmbH, 2006.

[12] N.N.: Produktinformation. Trumpf Laser GMBH. www.trumpf-laser.com.

Bibliografía 88


[13] N.N.: Produktinformation. LASAG AG. www.lasag.ch.

[14] Fuentes de Wikipedia.

[15] Brassel, J.-O.: Prozesskontrolle beim Laserstrahl-Mikroschweissen.

[16] Duley, W.W.: Laser Welding.

[17] Sahoo, P.; Debroy, T.; McNallan, M.J.: Surface tension of binary metal- surface active solote systems Ander conditions relevant to welding metallurgy.

[18] Mills, K.C.; Keene, B.J.: Factors affecting variable weld penetration.

[19] Schmidt, M.: Prozessregelung für das Lasestrahl-Punktschweissen in der Elektronikproduktion.

[20] Schmitz, M.; Jahrsdörfer, B; Mys, I.: Alternative Strategien zum Laserstrahl-Mikroschweissen von optisch hochreflektierenden Werkstoffen.

[21] Chen, G.: verhalten verschiedener Werkstoffe beim Schweissen mit dem Nd:YAK-laser.

[22] Dürr, U.: Schweissstrategien mit gepulsten Nd:YAG-Lasern in der Mikrotechnik.

[23] Kawahito, Y.; Katayama, S.: In-process monitoring and feedback control during laser microspot lap welding of cooper sheets.

[24] Griebsch, J.; Schlichtermann, L.; Jurca, M.; Hoving, W.; Nillesen, C.: Quality assurance of industrial spot welding with a pulsed ND:YAH-Laser.

[25] Habenicht, G.; Stara, W.; Deimann, R.: Gütesicherung von laserùnktsschweissungen mit Schallemissionsanalyse am beispiel ausgewählter Kupferlegierungen.

Bibliografía 89


[26] Park, S.; Honma, R.; Miyamoto, I.: A method to evaluate Nd:YAG laser microscopio spot welding process using reflected laser power

[27] Kubmaul, K.; Scháfer, P.M.: Energiedosierung – eine neue Perspektive für den Einsatz des lasers in der Mikroverbindungstechnik.

[28] Tönshoff, H.K.; Ostendorf, A.; Specker, W.: Qualitätssicherung beim Laserschweissen.

[29] Grigull, U.: Wärme- und Stoffübertragung.

[30] Wäny, M.: High dynamic CMOS image sensors.

[31] www.itos.de

[32] www.thorlabs.com/

[33] Command Reference Manual Rev 1.0j by Galil Motion Control, Inc.

Anexos 88


9 Anexos A Sobre Laser Zentrum Hannover La empresa Laser zentrum Hannover e. V. (LZH) fue fundada el 20 de Junio de1986 bajo el patrocinio del Ministerio de Ciencia, trabajo y Comercio de Baja Sajonia como una corporación sin ánimo de lucro.

El objetivo de la agrupación es el desarrollo e investigación sin ánimo de lucro de la tecnología Láser. Para conseguir dicho objetivo LZH lleva a cabo las siguientes tareas:

⇒ Investigación y desarrollo en el campo del desarrollo y utilización de la tecnología Láser.

⇒ Asesoramiento técnico y científico con el objetivo de combinar la investigación y la práctica.

⇒ Formación de empresas y sus colaboradores para el desarrollo, utilización y manejo de sistemas Láser

La realización óptima de estas tareas requieren una estrecha colaboración con la Universidad de Hanover, representada a través de sus Institutos de Óptica cuántica, Técnicas de Fabricación, Máquinas de Fabricación, Materiales plásticos, así como el Instituto Oficial de Medidas de Hanover , el Instituto Oficial de Técnicas de Soldadura y el Instituto de producción integrada de Hanover. Llegando hasta el punto de haber recibido de la Universidad de Hanover la notación de “Instituto de la Universidad de Hanover”.

Las tres principales señas de identidad de la empresa son Investigación, Desarrollo y Asesoramiento, con las cuales la empresa ha llegado a conseguir tras más de 20

Anexos 89


años dedicada a la tecnología Láser un amplio campo de investigación y de avances.

En cuanto a la dotación técnica la empresa cuenta con una amplia gama de máquinas Láser de última tecnología en todos los campos de aplicación que se muestran en el siguiente cuadro clasificadas por tipo de Láser:

Tipo de Láser

Potenica / Energia del Pulso

Proveedor

CO2-Láser

6000 W (DC) Wegmann-Baasel TRIAGON 6000

2500 W (HF) Rofin-Sinar DC 025

500 W (HF) Coherent K 500 250 W (HF) Coherent K 250 240 W (HF) Melles Griot CRF

2400 200 W (HF) Rofin-Sinar SC x20 50 W (HF) Synrad 25 W (HF) Synrad 6 J (TEA) ALLTEC

ALLMARK 880 Nd:YAG-Láser

4000 W (cw/pw) Trumpf HL 4000 D 3000 W (cw/pw) Scheibenlaser

Trumpf HL 3001.5

2200 W (cw) diodengepumpt

Rofin-Sinar DY 022 L

2000 W (cw/pw) Rofin-Sinar CW 020

1000 W (pw) GSI Lumonics JK1002

500 W (pw) Rofin-Sinar RSY 500 P

300 W (pw) Lasag FLS 542N-302

220 W (pw) Lasag SLS 200 C 60

100 W (cw) Rofin-Sinar RS Marker 100 D

22 W (pw) Baasel SC 18 20 W (pw) Beck-

Scheibenlaser Vari Disc 20

12 W (pw, 1064 nm) 6 W (pw, 532 nm)

Lumera Laser STACCATO

7 W (pw) Coherent Avia 355-

Anexos 90


7000 2 W (pw) Coherent Avia 266-

7000 Diodo-Láser

1,2 kW cw (808 nm)

Rofin-Sinar DL 015

300 W (940 nm)/ 250 W (Fasergekoppelt)

Laserline LDF 600-250

100 W cw (1 KHz; 810 nm)

Fok. Diodenlaser Fisba DL 100

15 W (810 nm) Fasergekoppelter Diodenlaser SDL FB 25

9 W (1064 nm) Faserlaser SDL FD 10

Excimer-Láser

0,6 J/ 248 nm Lambda-Physik Lambda 4000

0,8 J/ 250 Hz/ 248 nm

Lambda-Physik LPX 325

0,6J/ 100 Hz/ 248 nm 0,3 J/100 Hz/ 351 nm


0,3 J/ 300 Hz/ 193 nm


30 mJ/ 200 Hz/ 157 nm

Lambda-Physik LPF 220

8 mJ/ 193 nm TUI-Laser Existar S 500

1,5 mJ/ 157 nm TUI-Laser Existar S 500

Láser de Titan- Zafiro

2 mJ (150 fs; 1 kHz) 0,5 mJ (150 fs; 5 kHz)

Spectra Physics Spitfire

0,5 mJ (150 fs; 1 kHz)

BMI Alpha-1000

1 mJ (150 fs; 1 kHz)

Clark-MXR CPA 2001

0,8 mJ (30 fs; 1 kHz)

Femtolasers COMPACT-PRO

0,3 mJ (150 fs; 5 kHz)

Thales CONCERTO

4 µJ (160 fs; 250 kHz)

Coherent RegA 9000

Anexos 91


En el año 2001 la estrategia de la empresa se dirigió intensivamente al tema de micro- y nanotecnologías fotónicas. El profesor Dr B.Chichkov en colaboración con los diferentes Científicos de los distintos departamentos fue el promotor del desarrollo de procesos y procedimientos que permitían para ciertas estructuras modificar las propiedades de la luz como por ejemplo dirección de propagación, intensidad y Polarización composición espectral. Los principales usos de esta tecnologia se encuentran en los campos de tecnologías de información y comunicación, Análisis y Sensores, Biomedicina así como astronáutica y aeronáutica.

Análogamente a la electrónica la fotónica se ocupa de la producción controlada, propagación y detección partículas luminosas (fotones). Los componentes más importantes de los productos fotónicos son el Láser. Amplificadores, productores de ondas, potenciómetros, interruptores y moduladores, filtros, interferómetros y Detectores entre otros. Generalmente el objetivo de los productos fotónicos es el de hacer más pequeños dichos componentes, para mejorar la funcionabilidad y la integrabilidad.

La fotónica está estrechamente unida a campos como la electrónica óptica, la micro óptica, la óptica integrada y la comunicación por fibra óptica. Debido a los nuevos materiales ópticos descubiertos hoy en día se pueden fabricar aparatos de dimensiones nanométricas que hace unos años eran imposibles de imaginar de modo que la fotónica se ha ido introduciendo en el campo de la Nanotecnologia. La miniaturización de los elementos fotónicos aumenta la funcionabilidad, y la integración de los elementos constructivos lo cual amplia enormemente el campo de aplicación y permite el desarrollo de nuevas y mejoraras micro tecnologías.

Anexos 92


La Nanotecnologia posibilita unir materiales y aparatos en el plano atómico y molecular lo cual ha provocado hoy en día una revolución en la industria la cual ofrece una amplia gama de mejoras para la humanidad.

El objetivo de la empresa es posibilitar el desarrollo de Nanotecnologias basadas en la técnica Láser, para el desarrollo de nuevos materiales, estructuras y arquitecturas para la plataforma micro fotónica.

La siguiente imagen muestra el volumen de facturación de la empres en T€ en los últimos años:

La empresa está organizada con un organigrama clásico jerarquizado con relaciones verticales y horizontales, de forma que en el punto central superior se encuentra la junta directiva y unidos verticalmente los diferentes departamentos. El organigrama de la empresa se muestra en la siguiente figura:

Anexos 93


Las Áreas principales de trabajo e investigación de la empresa son las siguientes:

Tecnología de procesos

- Separación

- Unión

- Preparación de superficies

- Micro-Nanoelaboración

- Rapid Prototyping

- Modelado y simulación

Técnica de Equipos

- Control del proceso y regulación

- Sensores

- Medidas con Láser

- Termografia, pirometriametrie

- CAD/CAM-Sistemas

- Sistemas de usos manuales

- Desarrollo de equipos

- Calidad

Experimentación Óptica

- Experimentación de VUV- hasta el FIR-campo

- Caracterización de componentes ópticos con Normas-ISO

- Desarrollo de investigaciones especiales

- Experimentación a alta potencia de materiales compuestos

- Experimentación de alta estabilidad con menos pérdidas ópticas

- Experimentación especial con materiales

Desarrollo del Láser

- Bomba para DiodoLáser, Láser de cuerpo sólido, pulsos ultracortos

- sistemas Láser para espectroscopia

- Láser de cuerpo sólido muy estables para técnicas de medida

- Faserláser y sistemas de amplificación

- Conversión en frecuencia y control de onda del Láser

- Láser para medicina

- Óptica no lineal

Anexos 94


Seguridad en La utilización del Láser: Gases y partículas

- Medida de inmisiones y emisiones

- Medidas en campos de ensayos

- Análisis de materiales daNinos

- Procesos de purificación y descontaminización

Formación y postgrado

- Seminarios

- Encargado de protección láser para usos médicos y técnicos

- Potencia del haz Láser

- Formación específica

- Adaptaciones

Seguridad y protección en el trabajo

- Análisis de la peligrosidad y el riesgo

- Planteamiento de los conceptos de protección

- Desarrollo y qualificación de dispositivos de protección

- Inspección de equipos Láser

En cuanto a los planes de futuro de la empresa, Laser Zentrum Hannover esta apostando fuerte por la internacionalización, incorporando en sus campos de trabajo gran cantidad de practicantes de otros países, tanto de Europa como del resto del mundo.

Anexos 95


B Seguridad en la utilización del Láser B 1 Riesgos y Medidas de control en la utilización del Láser La utilización de sistemas Láser conlleva un riesgo intrínseco de exposición del organismo humano a una fuente de Radiación No Ionizante, en función de la Clase del sistema y de las Medidas preventivas que sean adoptadas. Obviamente, será necesario conocer las bases de estos dos conceptos con el fin de lograr una protección eficaz del personal que pueda llevar a cabo o verse afectado por las operaciones ejecutables con sistemas de este tipo.

B 1.1 Como conocer la clase de un sistema láser

La Clase de un láser es un indicador directo del grado de peligrosidad que supone la utilización de un dispositivo de estas características.

Los tres factores que principalmente definen la Clase de un láser son:

• Longitud de onda.

• Duración / tiempo de exposición.

• Potencia / energía del haz.

Clase Longitud de onda Tiempo exposición al haz Potencia / energía haz

Clase I Desde 0 nm. – 13.000 nm.

Se presupone “intrínsecamente seguro”, pero debe evitarse.

Como máximo, 10-3 W.

Clase II Desde 400 nm. – 700 nm.

Expos. ocular: 0,25 segundos. Proteger el ojo.

Entre 10-6 W y 10-3 W.

Clase III a Desde 0 nm. – 13.000 nm.

Expos. ocular: debe evitarse por completo. Proteger el ojo. Expos. dérmica: evitar.

Desde 10-9 W hasta 0,5 W aprox.

Clase III b Desde 0 nm. – 13.000 nm.

Debe evitarse por completo. Proteger el ojo. Expos. dérmica: proteger.

Desde 10-9 W hasta 0,5 W aprox.

Clase IV Desde 0 nm. – 13.000 nm.

Debe evitarse por completo. Desde 0,75 W hasta 10 W aprox.

Anexos 96


B 1.2 Donde encontrar la clase de un sistema Láser

La Clase de un sistema láser debe figurar en:

• Una etiqueta / señal, claramente visible y colocada en el mismo dispositivo, con las frases de advertencia para que el usuario conozca a que riesgo está expuesto.

• El manual de instrucciones / operaciones del dispositivo láser.

• También debería estar colocada señalización de peligros reglamentaria en el lugar de trabajo donde esté emplazado el sistema.

•

B 1.3 Riesgos derivados de la utilización de las d iferentes clases de Láser

“CLASE” DE SISTEMA LÁSER

RIESGOS DERIVADOS

Clase I No suponen daño alguno.

Clase II

Pueden causar daños oculares por observación directa del haz durante períodos superiores a 0,25 seg. Podría resultar en un daño crónico para exposiciones iguales o superiores a 1.000 seg. (unos 15 minutos).

Clase III a Pueden causar daños oculares (concretamente, en la retina), siendo crónicos en caso de exposiciones iguales o superiores a 0,25 seg.

Clase III b Pueden causar daños oculares o cutáneos agudos si se entra en contacto directo con el haz láser.

Clase IV

Pueden causar daños oculares o cutáneos agudos si se entra en contacto directo, indirecto, o por reflexión, con el haz láser. Pueden originar incendios.

Anexos 97


B 1.4 Medidas de prevención recomendadas en función de la clase de Láser

“CLASE” DE SISTEMA LÁSER

MEDIDA DE CONTROL

Clase I -Señalización. -Información y formación del personal involucrado o expuesto.

Clase II -Ídem Clase I, y además: -Ingeniería. -Equipos de Protección Individual.

Clase III a -Ídem Clase II, y además: -Ingeniería. -Controles administrativos.

Clase III b -Ídem Clase II, y además: -Ingeniería. -Controles administrativos.

Clase IV -Ídem Clase II, y además: -Ingeniería. -Controles administrativos.

⇒ Señalización de las medidas de control

La señalización relativa a un dispositivo láser, comprende:

- Una etiqueta / señal, claramente visible y colocada en el mismo dispositivo láser, con las frases de advertencia para que el usuario conozca a que riesgo está expuesto.

- Toda puerta de acceso a locales donde se albergue dispositivos láser de Clase IIIa; IIIb; y IV, deben ser señalizadas con el pictograma de peligro correspondiente, incluyendo además la Clase del láser, la longitud de onda, y la potencia del mismo. Cuando un local albergue más de un láser de diferentes Clase de las especificadas, se incluirá los datos de todos ellos.

- Sobre toda puerta de acceso a un local donde se albergue dispositivos láser de Clase IIIa; IIIb; y IV, se recomienda la instalación de una luz intermitente que se active cuando el dispositivo esté en operación.

- Es deseable incluir la señalización de “Acceso restringido únicamente a personal Autorizado”.

Anexos 98


- La utilización de las prendas de protección individual (E.P.I.) que se estime preceptivas para las operaciones a llevar a cabo, también debe estar señalizada.

SEÑALIZACIÓN PRECEPTIVA

En todo lugar donde se encuentre un láser.

Para lugares donde se de operación de láser IIIa; IIIb y IV.

Para lugares donde se de operación de láser II, IIIa; IIIb y IV.

Para lugares donde se de operación de láser IIIb y IV.

Para lugares donde se de operación de láser IIIb y IV.

⇒ Información y formación del personal involucrado o expuesto

Toda persona que participe directamente en las operaciones, o que sin estar involucrada directamente en las mismas, pueda verse afectada por estos dispositivos, debe ser informada por los responsables de las actividades acerca de los riesgos a los que está expuesto, los medios con los que debe protegerse, cómo y cuando utilizarlos, y especialmente, sobre el conjunto medidas preventivas y de normas internas o de Procedimientos de Trabajo Escritos (P.T.E.) con que se acostumbre operar.

⇒ Medidas de control: ingeniería

Medidas técnicas destinadas a minimizar el riesgo que puedan generar los dispositivos láser. Pueden citarse las siguientes:

- Confinamiento de láser: deseable para láser clase IIIb y IV, efectuándose en un habitáculo donde no se lleve a cabo ninguna otra operación no relacionada con este elemento. Es deseable que las puertas de acceso a estos habitáculos dispongan de cerradura, y que únicamente el personal autorizado a acceder a esta habitación disponga copia de las mismas. Sería deseable que las cerraduras de las puertas se bloqueasen cuando éste entrase en operación, pero pudiendo anularse el bloqueo y abrirse desde el interior, de manera similar a una puerta antipánico.

Anexos 99


- Carcasas protectoras: todo láser clase IIIa, IIIb y IV, debiera disponer de una carcasa protectora incombustible, que contenga el haz emitido, y el la fuente de excitación.

- Enclavamiento: todo láser clase IIIa , IIIb y IV, debiera disponer de un dispositivo de enclavamiento de modo que cuando la carcasa protectora fuera movida o separada, desconectase el dispositivo láser y lo dejase fuera de funcionamiento.

- Llave de operación: todo láser clase IIIa, IIIb y IV, debiera disponer de una llave de accionamiento, de modo que sin la misma, este no pudiera entrar en funcionamiento y que únicamente el personal autorizado a operar con las mismas, según los P.T.E establecidos, disponga de acceso a las mismas.

- Indicador “ON” (en marcha): todo láser clase IIIa, IIIb y IV, debiera disponer de un indicador “ON / OFF” claramente visible a las personas operando con el dispositivo. Este indicador debe estar conectado al láser, no siendo su accionamiento independiente del equipo.

- Indicador “Potencia de operación”: todo láser clase IIIa, IIIb y IV, debiera disponer de un indicador de la potencia emitida en tiempo real, fácilmente visible a los operadores del dispositivo.

⇒ Medidas de control: controles administrativos

Los controles administrativos comprenden exclusivamente los Procedimientos de Trabajo Escritos (P.T.E.).

Los P.T.E. deben ser generados por los responsables de las operaciones llevadas a cabo con los dispositivos láser, o por personal suficientemente cualificado y con la experiencia necesaria como para poder desarrollarlos.

El principio de los P.T.E. es dejar constancia escrita de aquellos aspectos críticos de las operaciones que puedan afectar al resultado de las mismas, que puedan afectar a la seguridad de los operadores, o en el deterioro de los equipos.

Los P.T.E. deben ser conocidos obligatoriamente por todo aquel personal que esté involucrado en las tareas, y debe entrenarse exhaustivamente sobre los mismos al personal de nuevo ingreso o que carezca de la experiencia suficiente. Todo P.T.E. debe ser aprobado y respaldado por la Dirección del Departamento o Entidad.

Recomendamos que, independientemente de la Clase de láser con la que se esté operando, de desarrolle P.T.E. para los mismos. Consideramos imprescindible el disponer de P.T.E. para toda tarea en la que esté involucrado un láser de los tipos IIIa, IIIb y IV.

Anexos 100


Especial mención requieren las tareas de alineación, ajuste del haz y reparaciones, actividades en las que se mayoritariamente se producen los daños personales.

B 2 Protección ocular ante radiación no ionizante Uno de los principales inconvenientes en la utilización de Láser es la peligrosidad que entraña el uso de este si no se toman las medidas de protección indicadas.

El tipo de Láser utilizado en el presente trabajo (Nd:YAG por pulsos de longitud de onda 1064 nm) es muy peligroso ya que puede ser focalizado por la retina produciendo daños que pueden llegar a ser incluso irreparables.

La siguiente tabla muestra los daños producidos en los ojos por los diferentes haces con las siguientes longitudes de onda:

UV-A (315-380 nm)

Niveles altos o exposiciones prolongadas pueden causar cataratas

UV-B (280-315 nm)

Cataratas, quemaduras cutáneas

UV-C (100-280 nm)

Daño de la córnea y el cristalino. Pérdida de visión

Luz azul (400-480 nm)

Daño de la retina, pérdida de visión

IR-A (700-1400 nm)

Daño de la retina

IR-B (1400-3000 nm)

Daño de la córnea y el cristalino

IR-C (3000nm-1 mm)

Quemaduras, pérdida de visión

Anexos 101


La figura indica los efectos de las radiaciones sobre el ojo. La córnea es afectada por radiación ultravioleta - principalmente UV lejanos así como por IR medios. El cristalino se ve dañado por los efectos de UV cercanos y por los infrarrojos, principalmente medios. Otros tipos de radiaciones peligrosas no son absorbidos por la córnea o el cristalino, sino que se focalizan directamente en la retina. Este puede ser el caso de la luz visible (daño foto-químico) así como IR cercano. La retina tiene una capacidad muy limitada de cicatrización, incluso niveles bajos de energía pueden dañarla irreversiblemente. La radiación infrarroja puede actuar en conjunción con luz azul aumentando la posibilidad de daño foto-químico sobre la retina. Cuando el nivel de radiación es muy alto, si la temperatura de la córnea y el cristalino aumenta y su refrigeración mediante los vasos sanguíneos no es suficiente, los rayos infrarrojos pueden aumentar la posibilidad de daño de estos órganos por los rayos ultravioletas. Las enfermedades oftálmicas más comunes debido a estas radiaciones son queratitis, conjuntivitis y cataratas.

La queratitis es una inflamación de la córnea caracterizada por infiltración con matidez de la superficie y disminución de la transparencia. Sus síntomas son dolor, lagrimeo, fotofobia y disminución de la visión. Se distinguen tres variedades: superficial, profunda y úlcera de córnea. La conjuntivitis se produce cuando se inflama la conjuntiva, una delicada membrana que tapiza los párpados y cubre la porción anterior del globo ocular. Sus síntomas son el enrojecimiento por inyección vascular, molestias, secreciones diversas y fotofobia. Fotofobia significa "horror a la luz". Se trata de una sensación ocular desagradable que se experimenta bajo el efecto de la luz. Puede manifestarse en caso de cualquiera de las enfermedades oftálmicas externas como queratitis y conjuntivitis. Las cataratas se producen cuando el cristalino se vuelve opaco a causa de un proceso degenerativo de su tejido constitutivo. Se caracteriza por la aparición de una opacidad blanca o grisácea y por la disminución de visión o visión de puntos y manchas negras. En casos extremos puede conducir a la pérdida completa de visión. Para la protección de los ojos durante la realización de tareas que impliquen la utilización de sistemas Láser, no hay nada mejor (excepto la ejecución de las operaciones con el sistema Láser confinado completamente) que emplear Equipos de Protección Individual (E.P.I.): gafas o protección facial + ocular acorde con la clase de sistema Láser con el que se esté operando. Una simple operación con deficientes medidas de protección podría fácilmente resultar en severo daño ocular e incluso ceguera total en casos extremos.

La utilización de protección ocular ante Radiación No Ionizante (RNI) de tipo Láser es necesaria siempre que se lleve a cabo operaciones con sistemas de las siguientes clases:

⇒ Sistema Láser Clase II.

⇒ Sistema Láser Clase III a.

⇒ Sistema Láser Clase III b.

Anexos 102


⇒ Sistema Láser Clase IV.

Para determinar a qué clase pertenece el sistema LÁSER con el que Ud. lleva a cabo operaciones, consulte la Instrucción Operativa IOP RF 01.

La utilización de protección ocular debe exigirse a todos los estudiantes o personal que estén efectuando directamente tareas en las que se emplee sistema Láser de las clases expuestas en el pto. 1 de este documento.

Es recomendable que al personal presente en las inmediaciones de las operaciones (aunque no esté directamente implicado en las mismas) también se les apliquen las medidas de protección expuestas ya que también pueden ser susceptibles de estar expuesto a los riesgos que generan los dispositivos.

El cumplimiento de estas normas de seguridad y la correcta utilización de los dispositivos y medidas de seguridad debe ser supervisada por el responsable del lugar del trabajo.

Para la protección ocular y facial deben ser utilizadas unas gafas protectoras para los ojos que cumplas las especificaciones requeridas o una pantalla facial si se desea además de proteger los ojos proteger la cara. Los requisitos que deben cumplir las gafas o las pantallas faciales, son los siguientes:

Toda gafa de seguridad y toda pantalla facial es un Equipo de Protección Individual,

y por lo tanto debe llevar el marcado en su estructura.

Este marcado es una garantía de que la gafa o pantalla son dispositivos útiles para la protección del usuario, y que han sido construidos según las siguientes normas:

Gafas de seguridad: -Cumplen de manera general, la norma EN 166. -Para tareas con sistemas Láser, cumplen adicionalmente, la norma UNE-EN 207. -Para tareas de ajuste de sistemas Láser, cumplen adicionalmente, la norma UNE-EN 208.

Pantallas faciales: -Cumplen de manera general, la norma EN 166. -Para tareas con sistemas Láser, cumplen adicionalmente, la norma UNE-EN 207. -Para tareas de ajuste de sistemas Láser, cumplen adicionalmente, la norma UNE-EN 208.

A la hora de utilizar unas gafas protectoras hay que asegurarse de que se indican los siguientes datos:

Anexos 103


Todo material de protección debe incluir un manual o documento informativo de carácter técnico. Es fundamental que aparezca claramente especificado en este manual o documento el factor de transmisión en la banda visible, el grado de protección, y las condiciones de utilización como Equipo de Protección Individual apto para el riesgo que van a proteger.

A la hora de seleccionar la protección ocular necesaria lo más práctico es ponerse en contacto con un proveedor habitual de materiales de seguridad para trabajos en laboratorio y explicarle las operaciones que se van a llevar a cabo y con que tipo de dispositivos Láser se va a trabajar.

Las siguientes tablas determinan el grado de protección para filtros /gafas de protección Láser.

Gafas de Protección Láser Gafas de Protección de Ajuste Láser

Grado Protección

Factor espectral máximo de transmisión

para longitudes de onda láser

Grado Protección

Potencia máxima

instantánea para láser continuo y

emisiones de duración 2.10-4 s. En wattios

Energía máxima para láser pulsado

con pulso duración entre: 10-9 s. y 2.10-4

s. En joules

L 1 10-1 R 1 0,01 2.10-6

L 2 10-2 R 2 0,1 2.10-5

Anexos 104


L 3 10-3 R 3 1 2.10-4

L 4 10-4 R 4 10 2.10-3

L 5 10-5 R 5 100 2.10-2

L 6 10-6

L 7 10-7

L 8 10-8

L 9 10-9

L 10 10-10

B 3 Protección dérmica ante radiación no ionizante Para la protección de la piel durante la realización de tareas que impliquen la utilización de sistemas Láser, no hay nada mejor que la ejecución de las operaciones con el sistema Láser confinado completamente, en un habitáculo, sin presencia humana. No obstante esto puede no ser posible en todo momento, y ser requerida una protección para la piel del cuerpo humano acorde con la clase de sistema Láser con el que esté operando. Una simple operación con deficientes medidas de protección dérmica puede fácilmente resultar en enrojecimientos, ulceraciones de la piel, quemaduras e incluso en casos extremos daños de órganos internos.

Es necesaria la utilización protección dérmica ante Radiación No Ionizante (RNI) tipo Láser siempre que se lleve a cabo operaciones con sistemas de las siguientes clases:

⇒ Sistema Láser Clase III a.

⇒ Sistema Láser Clase III b.

⇒ Sistema Láser Clase IV.

Es aconsejable que mientras los Láser de estas clases estén en ejecución, se permita la circulación de personas, pero en caso de ser necesario, estas deben ir provistas de los adecuados métodos de protección dérmica dictados por la norma.

Las medidas de protección dérmica son las siguientes:

⇒ Como protección dérmica para el cuerpo puede utilizarse ropa de protección

⇒ Como protección dérmica para las manos puede utilizarse guantes de protección

⇒ Como protección facial + ocular se puede utilizar una pantalla facial clasificable.

Anexos 105


La normativa que se debe cumplir es la siguiente:

Ropa de protección: • Cumple de manera general, la norma EN 340.

• Para tareas con sistemas Láser no hay normas específicas hasta la fecha, aunque la normativa para E.P.I. más parecida podría ser la norma EN 470-1 vestuario de protección para operaciones de soldeo y técnicas conexas.

A raíz de esta observación, debiera restringirse al máximo las actividades que implicasen la utilización de un E.P.I. de estas características y que no ha sido diseñado ex – profeso para tal fin. Debe quedar claro que esta ropa no es un elemento de protección óptimo para este tipo de riesgo, y que solo ofrecería una protección relativa y seguramente insuficiente.

Guantes de protección:

• Cumplen de manera genera, la norma EN 420.

• Para tareas con sistemas LÁSER no hay normas específicas hasta la fecha, aunque la más parecida podría ser la norma EN 659 guantes de protección para bomberos.

A raíz de esta observación, debiera restringirse al máximo las actividades que implicasen la utilización de un E.P.I. de estas características y que no ha sido diseñado ex – profeso para tal fin. Debe quedar claro que estos no son elementos de protección óptimos para este tipo de riesgo, y que solo ofrecería una protección relativa y seguramente insuficiente.

Todo E.P.I. debe ir acompañado de:

- Nombre, marca registrada u otro medio de identificación del fabricante o su representante autorizado.

- Designación del guante (nombre comercial o código, que permita al usuario identificar el producto con la gama del fabricante o su representante autorizado)

- Talla

- Marcado de seguridad: pictogramas tales como:

- Deberá indicarse si la protección está limitada sólo a una parte de la mano.

- Una lista de sustancias contenidas en el guante y que se

Anexos 106


sabe que producen alergias.

- Si es necesario, instrucciones de uso.

- Instrucciones de limpieza.

- Fecha de caducidad (solo en algunos casos).

Pantallas faciales: • Cumplen de manera general, la norma EN 166.

• Para tareas con sistemas LÁSER, cumplen adicionalmente, la norma UNE-EN 207.

• Para tareas de ajuste de sistemas LÁSER, cumplen adicionalmente, la norma UNE-EN 208.

Como en el caso de los productos de protección ocular, todos los productos de protección dérmica deben incorporar su respectivo manual.

B 4 Riesgos no vinculados a la radiación no ionizante La utilización de un dispositivo Láser siempre ha conllevado como principal riesgo para su usuario, la exposición a Radiación No Ionizante. No obstante, existe una serie de riesgos adicionales, cuya existencia debe ser conocida y no obviada. A continuación se procede a citar muy sucintamente dichos riesgos. No obstante, son función del tipo de láser utilizado y la actividad a la que va destinado.

⇒ Contaminación ambiental

En este caso, el usuario del dispositivo láser estará expuesto a contaminantes por inhalación: ésta es la principal vía de entrada de agentes químicos al organismo. En concreto, los agentes químicos a los que es posible estar expuesto son los siguientes:

• Material vaporizado, procedente de la incidencia del haz láser sobre un cuerpo.

• Gases, en aquellos láser donde se opera con circulación de gas. Halógenos, fundamentalmente: Bromo, Cloro, Flúor.

• Vapores procedentes de la evaporación de fluido criogénico, necesario para el funcionamiento del dispositivo.

Habrá que tomar las medidas preventivas correspondientes, mediante la colocación de extractores en las áreas de trabajo, la utilización de de dispositivos de renovación de aire en el local de trabajo o la utilización de mascarillas.

Anexos 107


⇒ Radiaciones colaterales

Es posible que se produzca exposición a radiación Ultravioleta (UV) e Infrarroja (IR) en los láser de categorías III a, III b, IV. Por lo cual hay que aplicar las medidas de seguridad oculares y dérmicas expuestas en los párrafos anteriores

Téngase en cuenta que la exposición a este tipo de radiaciones (UV e IR) puede afectar, de manera principal, al globo ocular, en forma de lesiones temporales e incluso crónicas (foto queratitis, cataratas, lesiones de retina, quemaduras córneas), y a las zonas de la piel que no estén cubiertas en forma de enrojecimientos, eccemas, foto sensibilización, etc.

⇒ Riesgo eléctrico

Algunos dispositivos láser precisan de baterías de condensadores para su habitual operación. Estos equipos suelen trabajar a elevadas tensiones (superiores a 1.000 V). Por ello, toda operación con estos dispositivos debe tener en cuenta la exposición del personal a un riesgo eléctrico importante. Para evitar este riesgo, al manipular el equipo, o efectuar tareas de mantenimiento, reparación, modificación, siempre se procederá a efectuar la apertura de toda fuente de tensión, mediante empleo de interruptores, seccionadores, etc. claramente visibles. También se procederá a efectuar el bloqueo (enclavamiento) de los dispositivos de corte que impidan el suministro eléctrico que alimenta al sistema láser. Es deseable que estos dispositivos de corte se mantengan bloqueados previendo el Fallo eléctrico, Humano o cualquier otro imprevisto.

Es así mismo deseable que el bloqueo de los dispositivos de corte se efectúe: mediante bloqueo mecánico (cerraduras, pasadores, candados) y bloqueo eléctrico (retirada de fusibles o seccionadores).

Los pictogramas a utilizar para indicar la peligrosidad del área serán los siguientes:

Una vez bloqueados los dispositivos se debe comprobar la ausencia de tensión en todos los elementos que hubieran quedado bajo tensión, utilizando los correspondientes dispositivos de medida de tensión y todo el material necesario para realizar esta medida con el menor riesgo posible.

La instalación debe ser dotada de una puesta tierra de todas las fuentes de tensión y prever los dispositivos de control para el caso de cortocircuito o sobre tensión.

Anexos 108


Se deberá delimitar la zona de trabajo, mediante la colocación de la señalización de seguridad pertinente, consistente en:

Se deberá delimitar un perímetro de seguridad tal que: su señalización se realizará con elementos de franjas amarillas y negras o rojas y blancas, con una inclinación aproximada de 45º y de dimensiones similares, utilizando cintas, mamparas, o similares.

⇒ Exposición térmica

Los fluidos criogénicos utilizados como refrigerantes de los sistemas láser pueden causar quemaduras. Para prevenir este tipo de riesgo es recomendable evitar manipular sustancias que puedan estar a temperaturas elevadas o hacerlo con el material de protección adecuado.

⇒ Desprendimiento de partículas

Este riesgo suele darse durante la utilización de sistemas láser en operaciones de corte, soldadura y perforación. Los sistemas láser empleados en estos casos suelen ser de elevada potencia. Este tipo de operación no debería ser llevada a cabo con presencia humana en las inmediaciones, sino estando protegido el personal tras una mampara o en una sala aparte.

En todo caso, la batería de Equipos de Protección Individual imprescindible para este tipo de tareas es la siguiente, aunque dependiendo de las operaciones, algunos pueden ser preceptivos o no:

- Calzado de seguridad contra riesgos mecánicos

- Cascos de protección

- Guantes de protección

- Pantalla facial

Anexos 109


C Propiedades del Cobre

Estructura cristalina Cúbica centrada en caras

densidad 8,92 g/cm3

Dureza (Mohshärte) 3,0

Magnetismo diamagnético

Temperatura de fusión 1357,6 K (1084,4 °C)

Temperatura de evaporación 2840 K (2567 °C)

Volumen molar 7,11 · 10-6 m3/mol

Calor de evaporación 300,3 kJ/mol

Calor de fusión 13,05 kJ/mol

Presión de vapor 0,0505 Pa a 1358 K

Velocidad umbral 3570 m/s a 293,15 K

Capacidad calorífica específica 385 J/(kg · K)

Conductividad eléctrica 58 · 106 S/m

Conductividad térmica 401 W/(m · K)

Anexos 110


D Espectro electromagnético

Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Energía (J)

Rayos gamma < 10 pm >30.0 EHz >19.9E-15 J

Rayos X < 10 nm >30.0 PHz >19.9E-18 J

Ultravioleta Extremo < 200 nm >1.5 PHz >993E-21 J

Ultravioleta Cercano < 380 nm >789 THz >523E-21 J

Luz Visible < 780 nm >384 THz >255E-21 J

Infrarrojo Cercano < 2.5 µm >120 THz >79.5E-21 J

Infrarrojo Medio < 50 µm >6.00 THz >3.98E-21 J

Infrarrojo Lejano/submilimétrico < 1 mm >300 GHz >199E-24 J

Microondas < 30 cm >1.0 GHz >1.99e-24 J

Ultra Alta Frecuencia Radio <1 m >300 MHz >1.99e-25 J

Muy Alta Frecuencia Radio <10 m >30 MHz >2.05e-26 J

Onda Corta Radio <180 m >1.7 MHz >1.13e-27 J

Onda Media Radio <650 m >650 kHz >4.31e-28 J

Onda Larga Radio <10 km >30 kHz >1.98e-29 J

Muy Baja Frecuencia Radio >10 km <30 kHz <1.99e-29 J

Anexos 111


Anexos 112


E Acotación Filtros FES0950 y FL1064-10

Anexos 113


Anexos 114


F Catálogo de características de los Filtros RG665 , RG715, RG780, RG850, RG1000

Anexos 115


Anexos 116


Anexos 117


Anexos 118


Anexos 119


Anexos 120


Anexos 121


Anexos 122


Anexos 123


Anexos 124


G Acotación Dispositivo de sujeción

Anexos 125


Anexos 126


desarrollo de un sistema de control de la calidad y el proceso de microsoldaduras realizadas por...

Documents