DE10204012A1

DE10204012A1 - Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mikrotechnischer Bauteile

Info

Publication number: DE10204012A1
Application number: DE10204012A
Authority: DE
Inventors: Guenther Lang; Norbert Arndt-Staufenbiel; Henning Schroeder
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2022-02-02
Also published as: DE10204012B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mikrotechnischer Bauteile, bei dem ein erstes Bauteil (6) aus einem Material mit einem ersten Schmelzpunkt und ein zweites Bauteil (11) aus einem Material mit einem zweiten Schmelzpunkt in Verbindung gebracht werden, wobei eine durch Berührung von Fügeflächen der Bauteile gebildete Berührungsfläche (1) entsteht, und anschließend mit einem Laserstrahl (2) ein Wärmeeintrag in das erste Bauteil (6), dessen erster Schmelzpunkt höher als der zweite Schmelzpunkt ist, derart vorgenommen wird, dass die Fügeflächen aufgeschmolzen werden.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mikrotechnischer Bauteile, bei dem ein erstes Bauteil aus einem Material mit einem ersten Schmelzpunkt und ein zweites Bauteil aus einem Material mit einem zweiten Schmelzpunkt in Verbindung gebracht werden.

Stand der Technik

Durch die zunehmende Miniaturisierung in vielen Bereichen der modernen Technik dringt die Mikrosystemtechnik in immer mehr Märkte vor.

Mikrotechniken bilden die Grundlage für zahlreiche neue Produkte mit bisher nicht erreichter Leistungsfähigkeit. Hinzu kommt, dass viele bestehende Produkte durch Lösungen der Mikrosystemflächen substituiert werden können. Eine zentrale Rolle bei der Herstellung der Mikrosysteme spielen automatisierte Handhabungs-, Montage-, Justage- sowie Aufbau- und Verbindungstechniken.

Im Gegensatz zu monolithischen Mikrosystemen auf Halbleiterbasis bestehen hybride Mikrosysteme aus mehreren, teilweise mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren hergestellten Einzelkomponenten, die durch Mikromontagetechniken integriert werden müssen. Auf Grund der hohen Genauigkeitsanforderung und der Sensitivität der oft fragilen Komponenten ist die Montage von Mikroprodukten noch immer mit großen produktionstechnischen Problemen verbunden. Hier sind besondere Verfahren und Werkzeuge erforderlich, die Bauteile feinfühlig handhaben und hochpräzise positionieren bzw. fügen können.

Eine zentrale Bedeutung kommt hierbei den Fügeprozessen zu. Oftmals müssen für die Herstellung mikrosystemtechnischer Verbindungen hochselektive Fügemethoden verwendet werden. So findet das Laserfügen überall dort Anwendung, wo es erforderlich wird, berührungslos, undirektional und ohne Verwendung von Zusatzstoffen stoffschlüssige Stoßverbindungen zu realisieren. Dies betrifft insbesondere das Gebiet der Mikrooptik bzw. der integrierten Optik, wo bspw. Lösungen für Fügeverbindungen für miniaturisierte Endoskop- und Kathetersysteme sowie intelligente Implantate benötigt werden.

Optische Verbindungen haben für die optische Datenübertragung und Sensorik eine sehr große Bedeutung erlangt. So sind bspw. Lichtwellenleiter-Fasern für die störsichere Übertragung großer Datenmengen über weite Strecken zuständig und optische Systemkomponenten übernehmen die Erzeugung, die Verteilung, Wandlung und Verarbeitung der optischen Signale. Für den industriellen Einsatz dieser Systeme ist daher eine zuverlässige und kostengünstige Kopplung der Lichtwellenleiter-Fasern an die Systeme von entscheidender Wichtigkeit. Da diese optischen Systeme, im Gegensatz zu monolithischen Systemen, aus verschiedenen funktionalen Basisbauelementen, wie z. B. Lichtwellenleitern, Verzweigern, Schaltern, Modulatoren oder Detektoren bestehen, werden Verfahren benötigt, um diese unterschiedlichen Komponenten miteinander sicher zu verfügen. Es werden also Verfahren benötigt, die das Verschweißen von glasigen Silikaten bzw. glasigen Polymeren für mikrotechnische und mikrooptische Anwendungen ermöglichen.

Zurzeit gibt es in der optischen Aufbau- und Verbindungstechnik im Wesentlichen nur Einzellösungen mit Brechungsindex-angepassten Klebetechniken zur Fixierung der Lichtwellenleiter-Fasern an die zu fügenden Flächen der optischen Systeme bzw. der Einzelkomponenten. In vielen Fällen werden alternative Lösungen zur Klebetechnik benötigt, da diese Technik mit Hinblick auf Automatisierung, Langzeitstabilität, Leistungsübertragung, Reproduzierbarkeit und Aufwandskosten auf lange Sicht nicht tragbar ist. Erste Ansätze für die Lösung dieser Problematik lassen sich durch Anpassung moderner Aufbau- und Verbindungstechniken finden, zu denen u. a. anodisches Bonden, Laserschweißen und das Glaslöten zählen.

In der US 6,217,698 B1 wird ein Verfahren zum Laserfügen zweier optischer Komponenten mit unterschiedlichem Querschnitt beschrieben. Hierbei werden die beiden Komponenten mit unterschiedlichem Querschnitt in einer Achse in Berührung gebracht, wobei die Komponente mit einem geringeren Durchmesser, in der Regel ein Lichtwellenleiter, durch ein Loch in einem Spiegel hindurch geschoben wird. Die Laserstrahlen fallen seitwärts derart auf diesen Spiegel ein, dass sie kollinear verlaufen und ihr Fokus in der Berührungsfläche der beiden optischen Komponenten liegt. Die Oberflächen werden aufgeschmolzen und auf diese Weise miteinander verbunden. Nachteil bei dem hier angewendeten Verfahren ist, dass die Lichtwellenleiter-Fasern, auf Grund der gerätetechnischen Anordnung, die dieses Verfahren ermöglicht, mit einer nicht ausreichenden Packungsdichte an die den größeren Querschnitt aufweisende optische Komponente gefügt werden können. Daher kann dieses Verfahren auf Grund der Strahlführung des zum Verschweißen verwendeten Laserstrahls bei Anordnungen von Lichtwellenleiter-Fasern in einem Array mit hoher Packungsdichte für einen Fügeprozess nicht verwendet werden. Somit ist z. B. das Verschweißen von Lichtwellenleiter-Fasern in einem zweidimensionalen Array mit hoher Packungsdichte nicht möglich.

Auf Grund des jeweiligen apparativen Aufbaus ist es mit dem bekannten Verfahren derzeit nicht möglich, Lichtwellenleiter-Fasern mit einer hohen Packungsdichte miteinander bzw. mit weiteren optischen Komponenten zu verfügen. Dies stellt einen erheblichen Nachteil dar.

Darstellung der Erfindung

Es gilt die Aufgabe zu lösen, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mikrotechnischer Bauteile anzugeben, mit welchem Lichtwellenleiter-Fasern mit optischen Komponenten stoffschlüssig im Hinblick auf Automatisierung, Langzeitstabilität, Leistungsübertragung, Reproduzierbarkeit und geringen Aufwandskosten gefügt werden können. Insbesondere soll es das Verfahren ermöglichen, Lichtwellenleiter-Fasern mit einer hohen Packungsdichte miteinander oder mit weiteren optischen Komponenten zu verfügen. Es soll möglich werden, sowohl Punktschweißverbindungen als auch Linienschweißverbindungen ohne Zufuhr von Zusatzmaterial an Stoßverbindungen realisieren zu können.

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungstext unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mikrotechnischer Bauteile, bei dem ein erstes Bauteil (6) aus einem Material mit einem ersten Schmelzpunkt und ein zweites Bauteil (11) aus einem Material mit einem zweiten Schmelzpunkt in Verbindung gebracht werden. Durch Berührung von Fügeflächen der Bauteile entsteht eine Berührungsfläche (1), und anschließend wird mit einem Laserstrahl (2) ein Wärmeeintrag in das erste Bauteil (6), dessen erster Schmelzpunkt höher als der zweite Schmelzpunkt ist, derart vorgenommen, dass die Fügeflächen aufgeschmolzen werden.

Der für das Verschweißen der Komponenten erforderliche Wärmeeintrag erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Lasers, dessen Wellenlänge je nach dem optischen Absorptionsverhalten der zu fügenden Komponenten gewählt wird. Zum Verschweißen glasiger Silikate kommt bspw. ein CO₂-Laser in Frage. Für das Verschweißen zweier optischer Komponenten wird zunächst eine Stoßverbindung zwischen ihnen hergestellt.

Die Justierung des Laserstrahls erfolgt in Abhängigkeit der Materialeigenschaften und der Form der zu fügenden Elemente. Hierbei ist zu beachten, dass die Komponenten aus unterschiedlichen Materialien sind, die unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen.

Erfindungsgemäß wird der Fokus derart eingestellt, dass durch den Wärmeeintrag die Komponente aus dem Material mit einem höheren Schmelzpunkt direkt erwärmt wird. Die Erwärmung der zweiten Komponente erfolgt durch Wärmeleitung innerhalb der Berührungsfläche beider Komponenten. Durch ein derart ausgeführtes Verfahren wird es möglich, den Wärmeeintrag sehr gezielt vorzunehmen und die unnötige Erwärmung von Bereichen der zu fügenden Komponenten, die an die Berührungsfläche anschließen, zu verhindern, bzw. zu minimieren.

Um den gewünschten Effekt erzielen zu können, werden am Arbeitsort die Schusshöhe, der Einstrahlwinkel und der Strahldurchmesser des Laserstrahls eingestellt. Unter der Schusshöhe wird hierbei der senkrechte Abstand zwischen der Berührungsfläche und dem Punkt, an dem der Laserstrahl auf die erste Komponente auftrifft, verstanden. Die Schusshöhe wird in Abhängigkeit von Form und Material der zu fügenden Komponenten sowie der Intensitätsverteilung des Laserstrahls gewählt. Bei großen Bauteilen, bzw. einer Intensität des Laserstrahls, die auch in den Randbereichen des ersten Bauteils noch ausreichend groß ist, werden auch größere Schusshöhen eingestellt.

Der Einstrahlwinkel ist der Winkel zwischen der Mittensenkrechten der ersten Komponente und der Mittellinie des Laserstrahls.

Der Fügeprozess erfolgt, in dem die vorher gereinigten Fügeflächen mit den gewählten Verfahrensparametern verschmolzen werden. Um optimale Schweißergebnisse, denen besonders im Hinblick auf eine Großserienfertigung, große Bedeutung zukommt, erzielen zu können, kann auch ein geregelter Positionierungsvorgang in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren zum Einsatz kommen. Bei einem derartigen geregelten Positionierungsvorgang erfolgt die Einstellung der Verfahrensparameter automatisch in Abhängigkeit des zu verschweissenden Materials bzw. der Geometrie der zu verschweissenden Komponenten. Auf diese Weise ist es auch möglich, eine etwaige Veränderung der Eigenschaften der Komponenten automatisch während des Fügevorangs zu detektieren, die aktuellen Ist-Daten mit gespeicherten Soll-Daten zu vergleichen und einen auf das optimale Verfügen der Komponenten gerichteten Regelungsvorgang auszulösen.

Die zu verbindenden Elemente können unterschiedliche Querschnittsflächen besitzen und sollten aus werkstofflich ähnlichem Material bestehen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Komponenten aus glasigen Silikaten bzw. glasigen Polymeren miteinander verfügt werden. Durch die spezielle Art der Strahlführung des zum Verschweißen verwendeten Laserstrahls wird es möglich, Lichtwellenleiter-Fasern mit hoher Packungsdichte, die in erster Linie durch den Lichtwellenleiter-Faserdurchmesser begrenzt wird, zu realisieren. Punktschweißverbindungen und Linienschweißverbindungen können hiermit ohne Zufuhr von Zusatzmaterial an Stoßverbindungen realisiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mikrotechnischer Bauteile soll im Weiteren unter Bezugnahme auf die im Folgenden beschriebenen Figuren näher erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Darstellung der Seitenansicht der Fügeanordnung;
Fig. 2 Intensitätsverteilung der Leistung des Laserstrahls innerhalb des Lichtwellenleiters; und
Fig. 3 Schematische Darstellung eines Fügeprozesses eines Arrays.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In der Fig. 1 wird die Darstellung einer Anordnung gezeigt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen zweier optischer, mikrotechnischer Bauteile erfolgt.
Zu sehen ist ein Lichtwellenleiter (6) und eine Linse (11), bspw. eine Gradienten-Index-Profillinse für Kollimatoren, die miteinander verfügt werden. Der Lichtwellenleiter (6) ist hierbei aus einem Material mit einem höheren Schmelzpunkt als das Material der Linse (11). Mit Hilfe eines Strahlführungselementes (16) wird der Laserstrahl (2) optimal für den Schweißprozess geformt. Der Laserstrahl wird derart eingestellt, dass er in einem von der Mittelachse des Laserstrahls (3) und einer Oberfläche des ersten Bauteils (6), in die der Laserstrahl (2) eindringt, gebildeten Schnittpunkt (5) einen senkrechten Abstand (7) von der Berührungsfläche (1) hat. Der Fokus (10) des Laserstrahls befindet sich hierbei in Strahlrichtung auf oder hinter dem Schnittpunkt (5). Darüber hinaus wird der Einfallswinkel (9), der zwischen der Mittelachse des Laserstrahls (3) und der Mittelsenkrechten der Fügefläche (4) des Lichtwellenleiters (6) liegt, derart eingestellt, dass der Wärmeeintrag durch den Laserstrahl (2) vollständig oder zumindest zum überwiegenden Teil in den Lichtwellenleiter (6) erfolgt. Daraus folgt, dass der Wärmeeintrag in die Linse (11) somit vollständig oder zumindest zum überwiegenden Teil durch Wärmeleitung durch die Berührungsfläche (1) zwischen Lichtwellenleiter (6) und Linse (11) erfolgt.
Fig. 2 zeigt das Intensitätsprofil des Laserstrahls (2) auf dem Lichtwellenleiter (6), auf den er einwirkt. In dem Diagramm ist hierzu die Intensität I über den Ort x aufgetragen. Zum Verbinden eines Lichtwellenleiters (6) mit einer Linse (11) wird ein Laserstrahl mit einem Gauß-förmigen Strahlungsintensitätsprofil (12) eingesetzt und der Strahldurchmesser derart eingestellt, dass der Lichtwellenleiter (6) innerhalb des doppelten Gaußradius (13) des Strahlungsintensitätsprofils (12) liegt. Durch den um den Einfallswinkel (9) geneigten Einfall des Laserstrahls (2) auf den weitgehend runden Lichtwellenleiter (6) ergibt sich auf dem Lichtwellenleiter (6) ein elliptisches Intensitätsprofil (15). Die Größe des elliptischen Intensitätsprofils (15), bezogen auf den Gaußradius, wird im Wesentlichen durch die Materialparameter der zu fügenden Teile festgelegt. Des Weiteren kann zur Optimierung des Intensitätsprofils dieses noch mit strahlformenden Elementen (16) (z. B. Blenden) verändert werden, so dass der Energieeintrag in den Lichtwellenleiter (6) noch effektiver erfolgt.
In Fig. 3 wird dargestellt, dass auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verfügen einer Vielzahl von Bauteilen (14) mit Materialeigenschaften des ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil (11) unter Erzielung einer hohen Packungsdichte möglich ist. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zu erzielende Packungsdichte im Wesentlichen vom Durchmesser der Lichtwellenleiter (6) abhängig.
Mit dem vorliegenden Verfahren ist es somit möglich, verschiedene Komponenten aus glasigen Silikaten bzw. glasigen Polymeren örtlich selektiv mit einem Laserstrahl zu verschweißen, so dass eine hohe Packungsdichte der gefügten Elemente erreicht wird. Grundvoraussetzung hierfür ist, dass die Fügestelle dem Laserstrahl zugänglich ist. Auf diese Weise können bspw. Glasfasern, in speziellen Lichtwellenleiter- Fasern, an optisch aktive bzw. passive Komponenten aus Glas mit hoher mechanischer und optischer Güte stoffschlüssig gefügt werden, ohne dass Klebemittel eingesetzt werden müssen. Im Speziellen ist es sogar möglich, optische Kollimatoren mit einer oder mehreren angeschweißten Lichtwellenleiter-Fasern herzustellen. Bezugszeichenliste 1 Berührungsfläche
2 Laserstrahl
3 Mittelachse des Laserstrahls
4 Mittelsenkrechte der Fügefläche des ersten Bauteils
5 Schnittpunkt zwischen der Oberfläche des ersten Bauteils und Mittelachse des Laserstrahls
6 Erstes Bauteil
7 Senkrechter Abstand von der Berührungsfläche zum Schnittpunkt
8 Ebene, die durch den Schnittpunkt und parallel zur Berührungsfläche verläuft
9 Einfallswinkel
10 Fokus
11 Zweites Bauteil
12 Intensitätsverteilung des Laserstrahls
13 Gaußradius
14 Lichtwellenleiter-Array
15 Elliptische Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf dem Lichtwellenleiter
16 Strahlformendes Element

Claims

1. Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mikrotechnischer Bauteile, bei dem ein erstes Bauteil (6) aus einem Material mit einem ersten Schmelzpunkt und ein zweites Bauteil (11) aus einem Material mit einem zweiten Schmelzpunkt in Verbindung gebracht werden, wobei eine durch Berührung von Fügeflächen der Bauteile gebildete Berührungsfläche (1) entsteht, und anschließend mit einem Laserstrahl (2) ein Wärmeeintrag in das erste Bauteil(6), dessen erster Schmelzpunkt höher als der zweite Schmelzpunkt ist, derart vorgenommen wird, dass die Fügeflächen aufgeschmolzen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) so eingestellt wird, dass durch den Wärmeeintrag der erste Schmelzpunkt nur innerhalb der Fügefläche des ersten Bauteils (6) erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) so eingestellt wird, dass er in einem von einer Mittelachse des Laserstrahls (3) und einer Oberfläche des ersten Bauteils (6), in die der Laserstrahl (2) eindringt, gebildeten Schnittpunkt (5) einen senkrechten Abstand (7) von der Berührungsfläche (1) hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) so eingestellt wird, dass er in einem von einer Mittelachse des Laserstrahls (3) und einer Oberfläche des ersten Bauteils (6), in die der Laserstrahl (2) eindringt, gebildeten Schnittpunkt (5) einen senkrechten Abstand (7) von 10-150 µm von der Berührungsfläche (1) hat.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrechte Abstand in Abhängigkeit von Form und Material der zu fügenden Bauteile gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) derart eingestellt wird, dass sein Fokus (10)in Strahlrichtung auf oder hinter dem Schnittpunkt (5) zu liegen kommt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrechte Abstand (7) zwischen dem Schnittpunkt (5) und der Berührungsfläche (1) so gewählt wird, dass der Wärmeeintrag durch den Laserstrahl (2) vollständig oder zumindest zum überwiegenden Teil in das erste Bauteil (6) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einfallswinkel (9) zwischen der Mittelachse des Laserstrahls und der Mittelsenkrechten der Fügefläche des ersten Bauteils (4), derart gebildet wird, dass der Wärmeeintrag durch den Laserstrahl (2) vollständig oder zumindest zum überwiegenden Teil in das erste Bauteil (6) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verbinden eines Lichtwellenleiters als erstem Bauteil (6) mit dem zweiten Bauteil (11) ein Laserstrahl (2) mit einem Gauß-förmigen Strahlungsintensitätsprofil (12) eingesetzt und der Strahldurchmesser derart eingestellt wird, dass der Lichtwellenleiter innerhalb des doppelten Gaußradius des Strahlungsintensitätsprofils (12) liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Bauteilen (14) mit Eigenschaften des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil (11) verbunden wird.