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Laserlöten einer Vakuum-Messzelle

Ein Lotring soll im Vakuum, durch ein Fenster hindurch, eine metallisierte Keramikzelle dicht verschliessen – und dabei die Bohrung zur Referenzkammer offen lassen.

Photonik & Laser

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01Ausgangslage

Ein Lotring soll im Vakuum, durch ein Fenster hindurch, eine metallisierte Keramikzelle dicht verschliessen – und dabei die Bohrung zur Referenzkammer offen lassen. In einem früheren Versuch hatte das erstmals funktioniert, allerdings mit rund 15 Minuten durchgehender Laserzeit. Damit ist bewiesen, dass es geht, und gleichzeitig, dass es so kein Prozess ist. Die eigentliche Frage lautete: Warum benetzt das Lot die Metallisierung nur widerwillig, und wie bringt man die Energie schneller hinein, ohne etwas kaputtzumachen?

02Vorgehen

Mit einer 150-W-Quelle, angebunden über eine 600/720-µm-Hochleistungsfaser, und einer Zweilinsen-Optik, die den Faserquerschnitt im Verhältnis von etwa 1:10 auf 6 mm Strahldurchmesser abbildet – bewusst nicht fokussiert, sondern flächig, damit das Keramiksubstrat gleichmässig warm wird. Dazu eine Verlustrechnung vor dem ersten Schuss: 7 % je Linse, 7 % Reflexion plus 2,5 % Transmission am Viewport, macht 23,5 % Gesamtverlust und rund 114,75 W, die tatsächlich ankommen. Und eine thermische Simulation, die schön linear ausfällt: rund 1,75 °C je Watt Laserleistung und rund 1 °C je Grad Substrattemperatur.

03Ergebnis

Aus 15 Minuten wurden 10 Sekunden – Faktor 90. Mit 150 W über 10 s, also 1,5 kJ, ergab sich eine gute Benetzung zwischen Lot und Substrat. Wichtiger noch: Der Prozess ist seither in Zahlen beschrieben, nicht in Geräteeinstellungen. Wer die Optik tauscht, weiss, was er nachrechnen muss.

Was steckt drin

Aufbau der Laserquelle mit Faser und Optik, Verlustbilanz, thermische Simulation über Laserleistung und Substrattemperatur, Versuche an mehreren Zelltypen mit Schnittbildern der Lötstelle – und eine Versuchsreihe über 20 Zellen, in der die Abpumpzeit vor dem Löten bewusst zwischen rund 3 und rund 13 Stunden variiert wurde, bei protokolliertem Druck zwischen 3,5 · 10⁻⁷ und 8,6 · 10⁻⁷ mbar.

Und wie ging es weiter

Das lehrreichste Ergebnis war ein Fehlschlag. Die doppelte Energie – 150 W über 20 s, 3 kJ – ergab keine bessere Lötstelle, sondern gar keine: Die PdAg-Metallisierung wurde höchstwahrscheinlich verdampft und schlug sich auf Substrat und Viewport nieder. Der Prozess wird oberhalb des Arbeitspunkts nicht schlechter, er wechselt den Mechanismus – und beschädigt dabei genau das Fenster, durch das er arbeitet. Und eine Zelle, die von aussen gut aussah, zeigte im Schnitt eine dunkle, schlecht benetzte Zone direkt am Substrat. Deshalb wurde weiter geschnitten statt betrachtet.

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