Zuverlässige Fügeverbindungen

Lasergestützte Fügeverfahren, die zuverlässige Verbindungen zwischen Siliziumsubstraten schaffen, könnten in der Mikrosystemtechnik an die Stelle der derzeit gebräuchlichen Verwendung von Klebstoffen treten. Damit beim Erhitzen und Erstarren des spröden Materials keine Risse entstehen, müssen solche Verfahren in allen Einzelheiten überwacht und gesteuert werden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert dazu am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie von Prof. Dr. Manfred Geiger das Forschungsprojekt „Grundlagenuntersuchungen zum Laserstrahlfügen von Silizium“.

Lasergestützte Fügeverfahren sind in vielen Bereichen der Mikrosystemtechnik von Bedeutung. Beispielsweise werden mit Diodenlasern Kunststoffgehäuse für Kfz-Elektronikkomponenten verschweißt. Außerdem können die Leads elektronischer Bauteile auf metallischen Leiterbahnen mit Laserstrahlung gefügt werden. Forschungsarbeiten zu dieser Thematik werden innerhalb des Sonderforschungsbereiches 356 an der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt.

Schneller als Klebetechniken

Für die Mikrosystemtechnik, speziell für die Optoelektronik, sind jedoch auch Fügeverbindungen zwischen Siliziumsubstraten von großem Interesse. So werden derzeit bei der Ankopplung von Faserarrays auf Siliziumbasis an optische Siliziumchips oder bei der Montage von Siliziumlinsen Klebestoffe verwendet. Der Einsatz lasergestützter Fügeverfahren verspricht hierbei sowohl die Fügezeit zu reduzieren als auch die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Ziel des Forschungsvorhabens am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie ist die Erarbeitung der Grundlagen der Laserstrahlmaterialbearbeitung von einkristallinem Silizium mit Nd:YAG-Laserstrahlung. Dafür sollen zunächst die beim Aufschmelzen und Erstarren auftretenden Geometrieänderungen für verschiedene Laserparameter simuliert werden. Aus den berechneten Temperatur- und Spannungsfeldern können Rückschlüsse auf die Rissentstehung gezogen werden. Zur Kontrolle der FEM-Berechnungen (Finite-Elemente-Methode) werden entsprechende experimentelle Untersuchungen durchgeführt.

Den zweiten Schwerpunkt des Projektes stellen die Fügeverfahren Laserstrahllöten und Laserstrahlschweißen dar. Beim Laserstrahlfügen von Silizium können durch die thermische Belastung Risse im spröden Grundwerkstoff entstehen. Mit FEM-Simulationen werden die Temperatur- und Spannungsfelder während des Fügeprozesses und danach ermittelt. Daraus sollen Informationen über den Ort und den Zeitpunkt der Rissbildung gewonnen werden. Anschließend erfolgt ein Vergleich der Ergebnisse mit den Resultaten experimenteller Untersuchungen. Der Einsatz eines flexiblen Versuchsaufbaus mit jeweils einer gepulsten und einer cw-Nd:YAG-Laserstrahlquelle ermöglicht eine gezielte Temperaturführung, durch die die Entstehung von Rissen vermieden werden soll, um zuverlässige Fügeverbindungen zu erreichen.

* Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. Manfred Geiger, Dipl.-Ing. Stefan Kaufmann
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Egerlandstraße 11, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -27140, Fax: 09131/930142
E-Mail: kaufmann@lft.uni-erlangen.de