E-Fertigung Laser-Glaslöten löst den Klebstoff ab

Gelötetes Glas/Silizium Sensorbauteil

Um empfindliche Baugruppen wie Sensoren oder OLEDs stabil zu verkapseln, haben die Spezialisten am Fraunhofer ILT mit dem Laser-Glaslöten eine neue Fertigungsmethode entwickelt.

Für das Packaging von temperaturempfindlichen Glas/Glas und Glas/Keramik-Baugruppen mit großen zu verschließenden Substratflächen gewinnt das laserbasierte Fügen mittels Glaslot immer mehr an Bedeutung. Denn der Laserstrahl ist in der Lage, den Energieeintrag zum Aufschmelzen des Glaslotes örtlich begrenzt in die Fügezone einzubringen, um eine Fügeverbindung mit langzeitstabiler Hermetizität herzustellen.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt geeignete Bestrahlungsstrategien und Bearbeitungsköpfe. Sensitive Baugruppen wie optische Sensoren in der Medizintechnik, OLED-Komponenten oder Farbstoffsolarzellen erfordern eine zuverlässige Verkapselung, damit weder Wasser noch Sauerstoff ins Innere des Bauteils gelangen und dort möglicherweise seine Funktion beeinträchtigen können. Konventionell werden derartige Bauteile mit anodischem oder Glasfrit-Bonden gefügt oder aber geklebt. Allerdings sind diese Verbindungen meist nicht langzeitstabil genug. Zudem wird beim Bonden die gesamte Baugruppe erhitzt, weshalb das Verfahren zum Fügen temperaturempfindlicher Bauteile nicht geeignet ist.

Die Wissenschaftler haben ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe die Gesamterwärmung der zu verkapselnden Baugruppe auf ein Minimum reduziert und somit thermisch induzierten Spannungen in der Prozesszone vorgebeugt werden kann. Mit dem laserbasierten Fügen mittels Glaslot lassen sich temperaturempfindliche Glas/Glas bzw. Glas/Keramik-Baugruppen langzeitstabil hermetisch verschließen. Das Verfahren wurde von den Aachener Experten so weiter entwickelt, dass nun auch großflächige Bauteile verkapselt werden können.

Laserbasiertes Fügen mittels Glaslot

Beim laserbasierten Glaslöten wird der Laserstrahl präzise über das Werkstück geführt und bringt die Energie zum Aufschmelzen des Glaslotes lediglich ins Glaslotvolumen selbst ein.

Die zu fügenden Substrate werden zum Benetzen ausschließlich über Wärmeleitung erwärmt, so lässt sich die Gesamterwärmung der Baugruppe auf ein Minimum reduzieren.

Als ein geeigneter Bestrahlungsansatz bietet sich das quasisimultane Laserlöten an: Ein hoch dynamisches 2D Scannersystem lenkt den Laserstrahl vielfach wiederholt mit großer Geschwindigkeit über die Lotkontur ab und erwärmt die gesamte Glaslotkontur mittels eines Laserleistungs-Zeit-Profils gleichmäßig auf Verarbeitungstemperatur. Nach dem Verbinden beider Fügepartner wird die Temperatur in der Prozesszone gemäß dem Profil stressfrei auf Raumtemperatur heruntergefahren.

Das quasisimultane Laserlöten ist technisch begrenzt durch die maximale Bearbeitungsfeldgröße der Fokussieroptik sowie in wirtschaftlicher Hinsicht eingeschränkt durch die erforderliche Laserleistung PL>1kW bei zu fügenden Substratgrößen von 100 x 100 mm². Aktuelle Verfahrensansätze vereinen den schonenden Energieeintrag dieser quasisimultanen Prozessführung mit der Größen- und Geometriefreiheit bei kontinuierlich verfahrender Bearbeitungsoptik.

Das so genannte Konturlöten mit lateral zur Vorschubbewegung angepasstem Energieeintrag ermöglicht nun erstmals das Fügen von großflächigen Subtraten bei deutlich geringerer Laserleistung. Für das Konturlöten sind kontinuierliche Strahlquellen, unabhängig von der zu fügenden Substratgröße, mit PL<100 W hinreichend dimensioniert.

Die gesamte Fertigungskette im Blick

Für seine Partner entwickelt das Team des Fraunhofer ILT die gesamte Fertigungskette: Von prozessvorbereitenden Schritten wie der Auswahl eines geeigneten Glaslots über das Auftragen des Glaslots mittels Siebdruck bis hin zum Vorverglasen eines Fügepartners im Umluftofen. Eigens für das laserbasierte Glaslöten haben die Forscher Bearbeitungsköpfe sowie die damit verbundene Positionier- und Spanntechnik entwickelt, um ein homogenes und reproduzierbares Packaging in Luftatmosphäre oder unter inerter Schutzatmosphäre zu gewährleisten.