Lötverbindungen für Optiken

Werden Kameras und Mikroskope im Vakuum eingesetzt, macht ihnen das mitunter zu schaffen. Der Grund: Die Linsen und Prismen werden meist geklebt. Im Vakuum gasen die Klebstoffe aus, die Moleküle lagern sich auf den Linsen ab und verändern deren optische Eigenschaften. Auch bei hohen Temperaturen oder bei Lasern im UV-Bereich machen die Klebstoffe Probleme: Sie werden weich oder spröde, die optischen Komponenten können um einige Mikrometer verrutschen.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena haben nun gemeinsam mit Ingenieuren von der Firma Pac Tech GmbH in Nauen eine Alternative entwickelt. „Wir löten die optischen Komponenten, statt sie zu verkleben“, sagt Dr.-Ing. Erik Beckert, Gruppenleiter am IOF. „Die Vorteile: Das Material, das dazu verwendet wird – der Lot – ist temperatur- und strahlungsstabil und leitet darüber hinaus Wärme und Strom.“ Um den Lot genauso flexibel wie Klebstoff auf die Linsen aufbringen zu können, haben die Forscher das Verfahren des 'Solder bumping' aus der Elektronikfertigung angepasst: In einem Dosierkopf befinden sich kleine Lotkugeln. Sie rutschen einzeln in einen Trichter, wo ein Laserstrahl sie erhitzt und verflüssigt. Durch einen Stickstoff-Druckimpuls werden die flüssigen Lottropfen dorthin geschossen, wo sie die Optiken befestigen sollen. Auf der Linse kühlt der Lot innerhalb weniger Millisekunden ab und verfestigt sich.

„Das Verfahren ist automatisierbar und sehr flexibel. Wir können den Lot nach unten, aber auch in verschiedenen Winkeln applizieren und an Stellen aufbringen, die schwer zugänglich sind“, sagt Beckert. Solder bumping ist wesentlich schneller als Kleben: Das Aufbringen des Klebstoffs dauert mit dem Aushärten 10 bis 30 Sekunden, mit der Löttechnik braucht man weniger als eine Sekunde. Damit das Lot auf den Glaslinsen hält, müssen sie vorher metallisiert werden, etwa in einem Sputterprozess, der sich im großen Maßstab durchführen lässt.

Eine Besonderheit des Solder bumping: Es kommt ohne Flussmittel aus. „Üblicherweise sorgt Flussmittel dafür, dass das Lot das Metall gut benetzt. Im Vakuum würden die Reste dieses Flussmittels jedoch ausgasen – ähnlich wie die Klebstoffe. Die Optik müsste also vor dem Einsatz aufwändig gereinigt werden. Dies entfällt bei der flussmittelfreien Variante“, sagt Beckert. Auf der Optatec vom 17. bis 20. Juni in Frankfurt stellen die Forscher Prototypen von optischen Komponenten vor, die mit der Technologie des Solder Bumping montiert wurden (Halle 3, Stand D53). In etwa ein bis zwei Jahren soll das System in der Produktion einsatzbereit sein, hofft Beckert.