Ebene Keramiksubstrate und neue Montagetechnologien zum ...

Thesen zur Dissertation
Ebene Keramiksubstrate und neue Montagetechnologien zum
Aufbau hybrid-optischer Systeme
vorgelegt von Dipl.-Ing. Erik Beckert
1. Die zunehmende Miniaturisierung optischer Systeme, verbunden mit einer steigenden
Funktionalität, die nur mit der Integration optischer und nichtoptischer Bauelemente (z.B.
Elektronik, Aktoren) erreicht werden kann, stellt hohe Anforderungen an die Auswahl
geeigneter Systemplattformen, auf denen derartige Systeme dicht gepackt sowie
thermisch und langzeitstabil montiert werden können.
2. Ebene keramische Substrate aus Al 2 O 3 oder LTCC (Low Temperature Cofired
Ceramics), die bereits zur Herstellung von elektronischen Schaltungsträgern verwendet
werden, bieten sich als Systemplattform an. Die Keramiken besitzen eine sehr gute
Steifigkeit bei einer geringen Dichte, einen niedrigen und an Silizium bzw. Glas
angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine in weitem Bereich
wählbare thermische Leitfähigkeit. Dünn- oder Dickschichtverdrahtungen auf den
Substraten stellen in Verbindung mit bestückten Komponenten elektronische
Funktionalität zur Verfügung.
3. Zur Montage optischer Bauelemente auf keramischen Systemplattformen sind geeignete
mechanische Strukturen zum Fassen der Bauelemente vorzusehen. Der im Rahmen der
Arbeit entwickelte Ansatz sieht vor, diese Strukturen bereits während des Herstellungsprozesses
unmittelbar in das keramische Substrat zu integrieren. Dazu werden bei
mehrlagigen Substraten vorwiegend die Einzellagen im Grünzustand und bei einlagigen
Substraten das fertig gesinterte Substrat mechanisch strukturiert.
4. Die im ebenen Substrat integrierten Strukturen dienen als Auflagekanten und –ebenen
zur lateralen und als Anschlagkanten, -ecken und –ebenen zur axialen Lagebestimmung
der einzelnen Bauelemente bezüglich des parallel und nah zur Substratoberfläche
verlaufenden Strahlengangs eines freiraumoptischen Systems.
5. Die einfache und kostengünstige Variante der Positionierung optischer Bauelemente,
indem diese gegen die als mechanische Anschläge dienenden Fassungsstrukturen angelegt
werden, ist in der erreichbaren Genauigkeit durch die Fassungs- und Bauelementtoleranzen,
die Geometrie der Paarung sowie durch den Positioniervorgang begrenzt.
6. Der Einfluss der Geometrie der Paarung wurde analytisch anhand von
Modellrechnungen charakterisiert. Stark gekrümmte Anschlaggeometrien (R < 5 mm) am
optischen Bauelement verstärken den Einfluss von Fassungs- und
Bauelementtoleranzen.
7. Bei Mehrlagensubstraten wurden Genauigkeiten der Fassungsstrukturen im Bereich
±30 µm bis ±90 µm, bei Einlagensubstraten im Bereich ±21 µm bis ±27 µm nachgewiesen.
Der Positioniervorgang selbst wurde beispielhaft als ±11 µm genau charakterisiert,
während die Bauelementtoleranzen bei Standardkomponenten bis zu ±25 µm und
mehr betragen können.
8. Werden höhere Genauigkeiten benötigt, können die optischen Bauelemente in der
Fassungsstruktur justiert werden, zum Beispiel bezüglich der optischen Funktion. Ein
geeigneter Fügehilfsstoff (z.B. Klebstoff) überbrückt dann den entstehenden Justierspalt.
Hier wurden erreichbare Justiergenauigkeiten von ±5 µm und kleiner nachgewiesen. Die
auf dem Substrat bestückte Elektronik kann dabei die Ansteuerung optoelektronischer
Bauelemente übernehmen und die zur Justierung notwendigen Messsignale generieren.
9. Als Fügeverfahren kommen vorwiegend das Kleben und in Zukunft auch das Laserstrahllöten
auf dickschichttechnologisch strukturierten Benetzungsflächen des Substrats
und metallisierten Oberflächen der optischen Bauelemente zum Einsatz.