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Ganzflächiges optimiertes Fügen von Laserkristall und Wärmesenke durch Laserlötkontaktierung

Kurzfassung

Der Kontakt zwischen Laserscheibe und Kühlkörper konnte durch das Laserkontaktlöten noch weiter verbessert werden. Scheibenlaser haben gegenüber anderen Festkörperlasern den Vorteil, dass das laseraktive Material flächig am Kühlkörper anliegt und dadurch wesentlich besser gekühlt werden kann.

Hintergrund

Leistungsstarke Laserquellen sind immer auf eine gleichmäßige und effiziente Kühlung angewiesen. Diese ist für eine konstante Leistung des Lasers unerlässlich und somit auch für die von einer gleichmäßigen Leistungsabgabe abhängigen Prozessparameter wie bspw. Schnittqualität und -geschwindigkeit ausschlaggebend. Um die bei der Strahlungserzeugung freiwerdende Wärmeenergie vom laseraktiven Medium abzuleiten, werden diese direkt an eine Wärmesenke bzw. an ein Wärme ableitendes Element gefügt. Die Wärmeleitung an der Fügestelle zwischen diesem Element und dem Lasermedium ist dabei entscheidend für eine effiziente Kühlung.

Problemstellung

Gegenwärtig gibt es zwei verschiedene Methoden zur Verbindung der Elemente. Bei der Verwendung von Standardlötprozessen gibt es häufig qualitative Mängel. Andererseits ist das Aufkleben der Scheibe auf eine Diamant-Wärmesenke kostenintensiv.

Lösung

Das an der Universität Stuttgart (am Institut für Strahlwerkzeuge) entwickelte Verfahren zum Fügen von Laserscheibe und Wärmesenke nutzt einen Laser als Energiequelle für den Füge- bzw. Lötprozess. Bei geeigneter Wellenlänge können sowohl Laserscheibe, als ggf. auch ein entsprechendes Anpresswerkzeug von der Strahlung durchdrungen und die Lotschicht zwischen den beiden Komponenten gezielt lokal aufgeschmolzen werden. Durch Verwendung eines geeigneten Anpresswerkzeugs kann zudem währenddessen ein definierter Krümmungsradius der Laserscheibe dauerhaft erzeugt werden. Bei diesem Verfahren ist nicht nur der vergleichsweise geringe sowie lokal begrenzte Wärmeeintrag in das System vorteilhaft, auch kann ein beliebiges Material für die Wärmesenke verwendet werden, solange es an der Kontaktfläche über eine metallisierte Schicht verfügt, die eine chemische Bindung mit dem Lotmaterial eingehen kann.
So entstehen vergleichsweise kostengünstige und zugleich in ihrer Effizienz nochmals optimierte Scheibenlaser-Systeme, die durch einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil überzeugen.

Schematischer Aufbau des Laserlötprozesses mit Laser-Lötstrahl (λ ≈ 808 nm, 1), Niederhalter (2), Anpresswerkzeug mit definiertem Krümmungsradius (3), Laserscheibe (4), Lot (5) und Wärmesenke (6) [Bild: Universität Stuttgart].
Schematischer Aufbau des Laserlötprozesses mit Laser-Lötstrahl (λ ≈ 808 nm, 1), Niederhalter (2), Anpresswerkzeug mit definiertem Krümmungsradius (3), Laserscheibe (4), Lot (5) und Wärmesenke (6) [Bild: Universität Stuttgart].

Vorteile

  • Kontrollierte Laserscheiben-Krümmung
  • Vermeidung von Spannungen oder Verzug durch geringen, punktuellen Wärmeeintrag
  • Geringere Produktionskosten
  • Exakte Montage in Abhängigkeit des Krümmungsradius
  • Ideale Kristalltemperatur im Betrieb durch optimierten Wärmeleitung

Anwendungsbereiche

Herstellung leistungsstarker Laserquellen.
Die vorliegende Erfindung füllt die Lücke zwischen herkömmlichen Füge-Methoden, indem sie einen Laser mit relativ geringer Leistung verwendet, der für den Lötprozess kostengünstiger ist.

Exposé
Kontakt
Dipl.-Ing. Julia Mündel
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
muendel(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Validierung / TRL4
Patentsituation
EP 18197985.7 anhängig
US 16/587,195 anhängig
Referenznummer
16/072TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.