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Das Prozessfenster beim Laserlöten einer Vakuumzelle

Die meisten Lötprozesse haben eine Temperaturanforderung: heiss genug werden.

01Ausgangslage

Die meisten Lötprozesse haben eine Temperaturanforderung: heiss genug werden. Dieser hier hat drei Zahlen, und zwei davon widersprechen sich. Das Lot muss über 309 °C. Eine Glasverbindung im selben Bauteil darf während des gesamten Prozesses nie über 250 °C – das sind 60 % ihrer Glasübergangstemperatur von 450 °C, darüber entstehen Spannungen im Bauteil. Und dann kam die dritte Zahl, die alles entschied: Wegen einer Oberflächenrauheit von 3 bis 4 µm und der sehr kleinen Kontaktfläche zwischen Lotring und Metallisierung gibt es praktisch keinen Wärmeübergang. Heisser machen hilft also nichts, wenn die Wärme gar nicht dorthin kommt, wo sie gebraucht wird.

02Vorgehen

Zuerst ohne Laser. Keramikgehäuse auf ein Blech, von unten mit einem Industrieföhn auf 500 °C: Normales bleifreies Lot mit 230 °C Schmelzpunkt zerfliesst sofort, die Lotringe bleiben unverändert. Bei 650 °C werden sie weich – benetzen aber immer noch nicht. Dann füllten wir das Innenvolumen eines Rings mit flussmittelhaltigem Lot: Benetzung sofort sichtbar. Das Flussmittellot schmilzt zuerst und verbessert den Wärmeübergang erheblich. Damit war klar, dass nicht die Temperatur das Problem ist, sondern der Kontakt. Danach haben wir gemessen statt geschätzt: eine Matrix aus drei Substrattemperaturen und drei Laserleistungen, fünf Sekunden Belichtung, vier Sensoren, und dieselben Läufe gegen die Simulation gerechnet.

03Ergebnis

Harte Zahlen statt Vermutungen. Bei 120 W steigt die Temperatur um rund 100 K über die Ausgangstemperatur – und zwar fast gleich viel, egal ob bei 25 °C oder 120 °C Substrat. Das Maximum liegt exakt beim Ausschalten, und 22 Sekunden später sind 86 der 104 K schon wieder weg. Nachglühen gibt es also nicht. Der höchste im ganzen Versuchsprogramm gemessene Wert von 216,6 °C liegt 93 K unter dem, was das Lot braucht. Und die Simulation weicht am heissesten Sensor nur um 3,3 bis 5,5 K ab, mit konstantem Vorzeichen – ein Modell, das man mit bekanntem Korrekturwert weiterverwenden kann.

Was steckt drin

Ein sauber begrenztes Prozessfenster mit belegten Grenzen nach oben und unten, eine Kontaktdiagnose aus einem Handversuch ohne Laser, eine vermessene Temperaturantwort über neun Betriebspunkte und eine Simulationsverifikation mit ausgewiesener Abweichung pro Messstelle.

Und wie ging es weiter

Die Richtung änderte sich: nicht mehr Leistung, sondern wärmerer Start und längere, weniger dichte Belichtung. Die späteren Läufe im Archiv sind auf 150 °C Substrat, 120 W und 16,5 s ausgelegt. Der Versuch, der mit doppelter Zeit gefahren wurde, hatte die Metallisierung zerstört – und der Bericht schreibt den Schaden ausdrücklich der hohen Energiedichte zu, nicht der Energiemenge. Genau das macht die längere, sanftere Belichtung zum logischen nächsten Schritt.

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