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Optische Verlustbilanz beim Laserlöten durch ein Schauglas

Eine Vakuum-Messzelle wird verschlossen, indem ein Lotring auf einem metallisierten Keramikgehäuse aufgeschmolzen wird – mit einem Laser, von aussen, durch das Schauglas der Vakuumkammer.

Photonik & Laser

Optische Verlustbilanz beim Laserlöten durch ein Schauglas

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01Ausgangslage

Eine Vakuum-Messzelle wird verschlossen, indem ein Lotring auf einem metallisierten Keramikgehäuse aufgeschmolzen wird – mit einem Laser, von aussen, durch das Schauglas der Vakuumkammer. Damit gibt es genau einen Weg für die Energie: als Licht. Alles zwischen Diode und Lötstelle ist entweder Durchlass oder Verlust. Die naheliegende Rechnung war schnell gemacht: zwei Linsen und ein Viewport kosten zusammen 23,5 % der Leistung. Die unbequeme Frage kam danach – wie viel von dem, was ankommt, nimmt das Bauteil überhaupt an? Das ist keine Einstellung, das ist eine Materialeigenschaft. Und niemand kannte sie.

02Vorgehen

Wir haben nicht geschätzt, sondern gemessen. Beide Fügepartner kamen ins Spektrometer: die Keramikgehäuse von 500 bis 2000 nm, die Lotringe von 400 bis 1070 nm, jeweils in 1-nm-Schritten, fünf Gehäuse aus zwei Losen und Lotringe in zwei Oberflächenzuständen. Die Referenzmessung lief mit: Über 500 bis 1100 nm liegt der 100-%-Kanal zwischen 99,22 und 100,91 %, im Mittel bei 100,02 % – damit steht die Messunsicherheit fest, bevor irgendjemand über Ergebnisse diskutiert.

03Ergebnis

Das Ergebnis hat die Verlustbilanz umsortiert. Im Wellenlängenbereich der Hochleistungsdiode reflektiert das Keramikgehäuse 43,7 bis 59,5 %. Von 150 W am Gerät bleiben nach der Optik 114,75 W – und davon gehen tatsächlich nur rund 48 bis 58 W ins Material. Also etwa ein Drittel des Typenschilds. Die drei optischen Flächen kosten 23,5 %, die letzte Fläche – das Produkt selbst – etwa das Doppelte davon. Zweiter Befund, der Geld spart: Plasmareinigung, eigentlich zur Verbesserung der Benetzung gedacht, hebt die Reflexion des Lotrings um rund 16 Prozentpunkte. Ein Viertel der absorbierten Leistung ist damit weg, bei identischer Lasereinstellung. Wer Reinigungsverfahren vergleicht und die Leistung konstant lässt, vergleicht also gar nicht dasselbe.

Was steckt drin

Eine durchgerechnete Verlustkette vom Diodenausgang bis in die Keramik, belegt mit eigenen Spektralmessungen beider Fügepartner statt mit Literaturwerten. Dazu die Streuung zwischen nominell gleichen Teilen – 3,5 Prozentpunkte bei 800 nm, 1,1 bei 940 nm – als realistische Untergrenze der Prozessstreuung. Und eine Antwort auf die Wellenlängenfrage: Beide Materialien reflektieren mit steigender Wellenlänge monoton mehr, der Nahinfrarotbereich der verfügbaren Hochleistungsdioden liegt am ungünstigen Ende beider Kurven.

Und wie ging es weiter

Die 150 W blieben, weil es bei dieser Leistung praktisch keine Alternative zur Diode gibt – aber sie sind seither ein Gerätewert und kein Prozessparameter mehr. Der Prozessparameter ist das, was in der Keramik ankommt. Der komplette optische Aufbau inklusive dreier Monate Quellenmiete lag bei rund 15 % des Auftragswerts der Prozessentwicklung, die er bedient hat.

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