Verfahren zum Fügen justierter diskreter optischer Elemente

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen jus- tierter diskreter optischer Elemente. Unterschiedlichste Geräte mit optischen Komponenten werden zunehmend mit kleineren Abmessungen gewünscht und dementsprechend auch zur Verfügung gestellt. Dabei haben u.a. auch die entsprechend vorhandenen optischen EIe- mente eine sehr kleine Dimensionierung, müssen aber trotzdem hochpräzise positioniert und dann in der gewünschten exakten Position fixiert werden. Die Befestigung solcher optischen Elemente muss dabei lang- zeit-, temperatur- und strahlungsstabil gestaltet sein, um die Funktion des gesamten optischen Systems dauerhaft zu gewährleisten. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass die meisten einsetzbaren optischen Elemente zumindest teilweise aus optisch transparenten Werkstoffen hergestellt sind, die jedoch bezüg-

lieh ihrer thermischen und mechanischen Eigenschaften kritisch sind.

Für die in Rede stehenden Anwendungen werden zum Fü- gen und Montieren überwiegend Klemmverbindungen oder auch Klebverbindungen eingesetzt. Bei klemmenden Verfahren lassen sich mechanische Spannungen nicht vermeiden, die sich aber insbesondere auf sehr kleine optische Elemente negativ auswirken und zum anderen Probleme dadurch entstehen, dass in Folge der kleinen Dimensionierung Klemmverbindungen nur sehr schwer zu realisieren sind.

Am häufigsten wird aber das Kleben als Fügeverfahren für die in Rede stehenden optischen Elemente eingesetzt. Dabei weisen die herkömmlichen Klebstoffe aber nur begrenzte Temperatur- und Langzeitstabilitäten auf, können ausgasen, neigen zur Degradation unter Strahlenbelastung (z.B. UV) und auch ein Schrumpfen beim Aushärten lässt sich nicht vermeiden. Außerdem ist das Aushärten eines Klebstoffs ein zeitaufwändiger Prozess, währenddessen die exakte Positionierung und Fixierung des jeweiligen noch nicht vollständig stoffschlüssig verbundenen optischen Elementes auf- rechterhalten werden muss.

Eine weitere Möglichkeit zur stoffschlüssigen Verbindung von unterschiedlichsten Bauteilen ist das Löten. Dieses Verbindungsverfahren wird aber bei optischen Elementen bisher nicht ohne weiteres eingesetzt, obwohl Lote als Fügemedium in einigen Fällen besser geeignet sind, als die herkömmlich eingesetzten Klebstoffe. Dabei wirkt sich insbesondere das geringe Kriechvermögen von Loten im Vergleich zu Klebstoffen aus, so dass dieser Nachteil durch ein Flussmittel zumindest in seiner Wirkung reduziert werden muss.

Durch Flussmittel treten aber wieder andere Nachteile, wie Entgasungseffekte oder ein Flussmittelrückstand in der Stoffschlüssig hergestellten Lötverbindung auf. Bei einer herkömmlichen Herstellung von LötVerbindungen kommt es außerdem häufig zu einer ungleichmäßigen Verteilung eines Lotes über die jeweiligen miteinander zu verbindenden Flächen, so dass innerhalb eines Fügespaltes eine inhomogene Verteilung des Lotes zu verzeichnen ist . Dies kann durch Ausübung von Druckkräften teilweise kompensiert werden, mit denen die miteinander zu fügenden Teile oder Elemente zusammengepresst werden. Insbesondere bei optischen Elementen und ganz besonders bei miniaturisierten optischen Elementen kann dies aber häufig nicht durchgeführt werden, ohne dass es zu einer Beschädigung oder gar Fehlpositionierung kommen kann. Das Lot muss außerdem länger flüssig gehalten werden, wofür zusätzliche thermische Energie erforderlich ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem optische Elemente im justierten Zustand gefügt werden können, wobei eine thermische und langzeitstabile Verbindung mit geringem Auf- wand und hoher Positioniergenauigkeit hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, ge- löst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Bei der Erfindung wird so vorgegangen, dass an opti- sehen Elementen zu fügende Oberflächenbereiche mit mindestens einer metallischen Dünnschicht versehen

werden. Durch solche metallischen Dünnschichten kann das Benetzungsverhalten für einsetzbare Lote deutlich verbessert werden. Dabei kann es sich um eine einzige metallische Dünnschicht auf der zu fügenden Oberflä- che eines optischen Elementes aber auch um mehrere übereinander auf der Oberfläche ausgebildete metallische Schichten handeln.

Zum Fügen wird dann flüssiges Lot berührungslos und in dosierter Form auf die vorab metallisierte Oberfläche appliziert. Dabei wird das flussmittelfreie Lot über eine Düse mit einem unter Druck stehenden Gasstrom auf die zu fügende Oberfläche berührungslos appliziert. Das Lot legt dabei „freifliegend" einen kurzen Weg vom Düsenaustritt bis zur zu fügenden O- berflache zurück.

Das Lot kann auf einen für das Fügen vorgesehenen Oberflächenbereich appliziert werden. Es kann aber auch in erfindungsgemäßer Form in einen Fügespalt hinein appliziert werden, der zwischen dem zu fügenden optischen Element und einem weiteren Bauteil oder einer weiteren Komponente, mit der das jeweilige optische Element dauerhaft verbunden werden soll, aus- gebildet ist.

Für die Ausbildung metallischer Dünnschichten können bevorzugt Titan, Chrom, Gold, Wolfram und/oder Platin sowie auch Legierungen dieser Metalle eingesetzt wer- den. Für die Herstellung der metallischen Dünnschichten können die üblicherweise eingesetzten Vakuumbe- schichtungsverfahren in PVD- oder auch CVD-Technik genutzt werden. Mit Hilfe von bei diesen Verfahren zur Herstellung metallischer Dünnschichten verwende- ten bekannten Mitteln können die metallischen Dünnschichten hochpräzise hergestellt werden, wobei dies

auf die jeweiligen Positionen, Dimensionierungen, geometrischen Gestaltungen und auch die jeweiligen Schichtdicken zutrifft. Die Metallisierung korrespondierender Fügeflächen auf Substraten oder in Halte- rungen kann als metallische Dünnschicht oder metallische Dickschicht mittels üblicher Drucktechnologien ausgebildet werden.

Bilden mehrere metallische Dünnschichten ein solches Schichtsystem, kann die oberste Schicht, auf der das Lot dann appliziert werden soll insbesondere unter Berücksichtigung des jeweilig eingesetzten Lotes ausgewählt werden. Für diese oberste metallische Dünnschicht kann bevorzugt Gold eingesetzt werden.

Als geeignete Lote können bevorzugt eutektische Legierungen eingesetzt werden, um insbesondere einen negativen thermischen Einfluss auf die Werkstoffe, aus denen die jeweiligen optischen Elemente gebildet sind, zu vermeiden. Solche eutektischen Lote können beispielsweise Gold-Zinn-, Silber-Zinn- oder Wismut- ^" Zinn-Legierungen sein, deren Schmelztemperatur auch deutlich unterhalb von 300 ⁰ C liegen kann.

Das Aufschmelzen des eingesetzten Lotes unmittelbar vor der eigentlichen Applikation kann bevorzugt mit Laserstrahlung erreicht werden. Das geschmolzene Lot kann dann, wie bereits angedeutet, über eine Düse mit einem unter höherem Druck stehenden Gasstrom erfol- gen, der das flüssige Lot dann aus der Düse, die gegebenenfalls in Form einer geeigneten Kanüle ausgebildet sein kann, herausdrückt.

Dabei kann so vorgegangen werden, dass das jeweils spezifische Lotvolumen aufgeschmolzen und dann flüssig auf den zu fügenden Oberflächenbereich in dosier-

ter Form appliziert wird. Dabei sollte ein Lotvolumen im Bereich von 0,005 bis 1,5 mm ³ je Fläche mm ² eingesetzt werden.

Die Applikation des flüssigen Lotes kann dabei auch in gepulster Form durchgeführt werden, wobei zwischen den einzelnen Pulsen die Position für die jeweilige Applikation von flüssigem Lot auf zu fügenden Oberflächenbereichen verändert werden kann, was zum einen bei großflächigeren zu fügenden Oberflächenbereichen günstig ist und zum anderen auch bei einer Applikation in mehreren voneinander abweichenden Ebenen erfolgen sollte. Für letztgenanntes ist es vorteilhaft, einen Applikator einzusetzen, der zumindest zweidi- mensional, bevorzugt dreidimensional bewegbar und positionierbar ist. Ganz besonders vorteilhaft sollte er elektronisch gesteuert werden können, um das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert durchführen zu können. Die entsprechenden Bewegungen eines Applika- tors für Lot können aber auch mit Hilfe eines ansonsten herkömmlichen Industrieroboters oder einer ähnlichen Einrichtung durchgeführt werden, der dann wiederum elektronisch gesteuert und automatisch betrieben werden kann.

Bei der Herstellung der Stoffschlüssigen Verbindung mit dem eingesetzten Lot kann die Festigkeit der Verbindung verbessert werden, da im Bereich der obersten metallischen Dünnschicht oder einer metallischen Dickschicht und dem Lot intermetallische Phasen oder Mischkristalle gebildet werden können.

Mit der Erfindung können durch das gezielte und dosierte Zuführen von Lot eine Fixierung optischer EIe- mente mit hoher Präzision und hoher Festigkeit über lange Zeiträume erreicht werden. Die Verbindung ist

temperaturstabil und auch gegenüber elektromagnetischer Strahlung resistent. Fügespalte, die z.B. durch Justiervorgänge entstanden sind, können durch das eingesetzte Lotvolumen homogen überbrückt werden. Dies beeinflusst wesentlich die erreichbare Genauigkeit nach dem Fügen optischer Elemente. Kleinere Fügespalte führen auf Grund der geringeren erforderlichen Lotvolumina zu einer höheren Genauigkeit und reduzieren gleichzeitig die Kosten für den Materialaufwand.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl einfache, wie auch komplex gestaltete optische Elemente in flexibler Form an einzelnen Teilen, Kompo- nenten oder auch Subbaugruppen dauerhaft und mit hoher Präzision befestigt werden.

Es kann auf den Einsatz von Flussmitteln ohne weiteres verzichtet werden, um deren Nachteile zu vermei- den. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die vorhandenen Fügespalte durch die Möglichkeit einer definierten Dosierung überbrückt werden. Dadurch kann sowohl eine passive (Positionierung gegen Anschlagstrukturen) , wie auch eine aktive Justage der zu fügenden Komponenten durchgeführt werden.

Es besteht die Möglichkeit einer extrem flexiblen Applikation des Lotes, so dass auch komplexe und schwer zugängliche Geometrien berücksichtigt werden können. Es ist eine einfache Automatisierung auch in Verbindung mit anderen Montageschritten möglich, die gleichzeitig oder zeitlich versetzt zur Ausbildung der Fügeverbindung durchgeführt werden können.

Die Festigkeit der Fügeverbindung wird unmittelbar

nach dem Aushärten des Lotes, also kurz nach dessen Applikation, erreicht, so dass die Nachteile, die üblicherweise bei Klebverbindungen auftreten, vermieden werden können.

Ein zusätzlicher Wärmeeintrag, beispielsweise in Form einer Vorwärmung oder nachträglichen Bestrahlung ist ebenfalls bei der Erfindung nicht erforderlich.

Lotzufuhr, Umschmelzen des Lotes und die Applikation des Lotes in flüssigem Zustand erfolgen unmittelbar am Fügeort, wobei eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Lotes auch mit Hilfe der Energie des Gasdruckes des eingesetzten Gasstromes ausgenutzt werden kann. Für den Gasstrom kann besonders vorteilhaft ein inertes Gas eingesetzt werden, das dann wiederum gleichzeitig Schutzgasfunktion erfüllen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für nahezu alle Arten optischer und optoelektronischer Systeme und

Elemente eingesetzt werden, bei denen diskrete optische Elemente montiert werden müssen und in denen spezielle Randbedingungen, wie beispielsweise Umwelt - bedingungen, berücksichtigt werden müssen, die einem Einsatz herkömmlicher Klebstoffe entgegenstehen.

So kann die Erfindung für die Herstellung von Laserund LED-Beleuchtungsmodulen für die Medizintechnik oder Lithographie, Belichtungsoptiken für Halbleiter- Optiken oder auch autoklavierbare Medizinoptiken (Endoskope) und viel anderes mehr eingesetzt werden. Sie ist insbesondere für optische Elemente oder Komponenten mit solchen optischen Elementen geeignet, die auch in Kontakt mit körpereigenem Gewebe treten kön- nen dabei biokompatibel sind, um Abwehrreaktionen zu vermeiden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

An einem optischen Modul soll eine Kollimationslinse in sechs Freiheitsgraden zu einer auf einem Substrat befindlichen Strahlquelle/Laserdiode justiert und fixiert werden, um eine optimale Fasereinkopplung e- lektromagnetischer Strahlung zu ermöglichen. Am äußeren Umfang der Kollimationslinse sind metallische Dünnschichten mit einem Schichtaufbau Titan/Chrom/Gold und einer Gesamtschichtdicke von 0,5 bis 1 μm ausgebildet.

Dazu wird die am äußeren Umfang metallisierte Kollimationslinse mittels eines speziellen Greifers in einer Kavität des Substrats aktiv auf einen maximalen Einkoppelgrad justiert. Anschließend werden seitlich der Linse auf dem mit metallischen Dünnschichten versehenen Substrat ebenfalls metallisierte Hilfselemen- te in einem möglichst geringen Abstand zur Kollimationslinse positioniert. Unter Berücksichtigung einer speziellen Lötreihenfolge und der sich daraus erge- benden Fügetoleranzen werden zunächst die Hilfsele- mente mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an mindestens jeweils einer Stelle unter Verwendung von ca. 1,5 mm ³ AgSnCu-Lot auf dem Substrat gefügt. Der Anteil an Kupfer im Lot ist dabei sehr klein. Im An- Schluss daran wird die Kollimationslinse mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an jeweils mindestens einer Position mit ca. 1,5 mm ³ AgSnCu-Lot mit jedem Hilfs- element verbunden.

Durch den Einsatz einer speziellen Substrathalterung und eines Montageroboters lässt sich der gesamte Fü-

geprozess im Bereich einiger Sekunden durchführen. Bei Einsatz entsprechender Prozessroutinen zur aktiven Linsenjustage bietet sich gleichzeitig ein hohes Automatisierungspotential .