13.04.2016

Cool bleiben mit Nano-Lot

Hochleistungs-Diodenlaser sollen zu mehr Energieeffizienz beitragen. / Der neue Laserhärtekopf von Scansonic.

Diodenlaser beanspruchen minimalen Bauraum. Damit ihre Leistung steigen kann, brauchen Entwickler dringend neue Lösungen für die Wärmeabfuhr.

Funken sprühen. Ihr Ursprung ist der kaum schuhkarton-große Kasten auf dem Roboterarm, der ein komplettes, höchst energieeffizientes Diodenlasersystem beinhaltet.

Diese Vision hatten 13 Projektpartner im Forschungsprojekt BrightLas vor Augen, als sie 2013 antraten, um kompakte Diodenlaser zu realisieren, die möglichst ohne Konvertierung in Festkörpern und ohne Übertragung in Fasern Metalle und Kunststoffe schweißen, löten, härten, bohren und schneiden sollen. Um sie für industrielle Einsätze fit zu machen, wollten sie die Leistung von Dioden im Wellenlängenbereich von 808 nm um 50 Prozent steigern, dabei 25.000 Stunden Lebensdauer und einen Steckdosenwirkungsgrad von 60 Prozent erreichen.

Die Ziele waren zu hoch gesteckt. Knackpunkt: Das Wärmemanagement. Der angepeilte Leistungszuwachs bei minimiertem Bauraum scheiterte vor allem daran, dass fest eingeplante Hochleistungswärmesenken auf Basis von Kupfer-Diamant sich im Betrieb zu stark ausdehnten. Der damit einhergehenden mechanischen Belastung waren die Systeme nicht gewachsen. Das Problem der Wärmeabfuhr ist nicht neu. Schon vor einem Jahrzehnt hatten u.a. Osram, Jenoptik, Rofin und Dilas im Verbundprojekt TRUST systematisch untersucht, was Ausfälle und vorzeitigen Leistungsabfall von Hochleistungs-Diodenlasern verursacht. Ihr Fazit: „Die Eigenschaften des Halbleitermaterials sind untergeordnet“. Vielmehr stehe und falle die Zuverlässigkeit der Laser mit der Montage, dem Leistungslevel und der Kühltemperatur. Thermische und elektro-optische Belastungen erwiesen sich in den Lebensdauertests als besonders kritisch.

Hoffen auf Nanolote
Angesichts der winzigen Dimensionen der Laserdioden geht die Suche nach leistungsfähigeren Wärmesenken Hand in Hand mit der Optimierung der Lötverfahren in der Montage. Zur Verbindung von Halbleiterdioden und Wärmesenken sind leitfähige Lote gefragt, die sich bei möglichst niedriger Temperatur in maximaler Präzision verarbeiten lassen. Ein Lösungsansatz kommt aus der Nanotechnologie. So lassen sich Edelmetalle wie Gold und Silber im Nano-Maßstab bei Temperaturen weit unter ihrem normalen Schmelzpunkt verarbeiten, weisen aber nach dem Abkühlen ihre üblichen Materialeigenschaften auf. Die Hochschulen Darmstadt und Aschaffenburg haben in einem Projekt mit der arteos GmbH das Potential von Gold-Nanoloten aufgezeigt. Diese lassen sich ab 40 Grad Celsius verarbeiten und haben nach dem Erkalten aber den üblichen Gold-Schmelzpunkt von 1.064 Grad Celsius.

Im BrightLas Projekt ist es Forschern der TU Berlin gelungen, die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit von Silber für Laserdioden nutzbar zu machen. Und das so überzeugend, dass sie ihre Nano-Silberpasten nun im eigenen Start-up Nano-Join vermarkten. BrightLas-Sprecher und Lumics-Geschäftsführer Nils Kirstaedter zeigt sich von der neuen Lösung angetan: „Wir würden diese Silberpasten gerne serienmäßig einsetzen, denn damit könnten wir Wärmesenken um Faktor drei kleiner auslegen“. Schlüssel dazu ist ein Silberprecursor, der beim Erhitzen weich wird und Nano-Silberpartikel freisetzt. Die Paste lässt sich in einem drucklosen Sinterprozess applizieren und bei 230 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius zu dichten, haftfesten Silberschichten verarbeiten.

Neue Diodenlaser im kW-Bereich
Der Start-up ist nicht der einzige Output des Forschungsprojekts. Lumics hat darin die technische Basis für ein neues 1,6 kW-Modul gelegt und Projektpartner DirectPhotonics ein 500-W-Modul mit integrierter Elektronik als Baustein für Multi-kW-Systeme entwickelt. Obendrein haben Scansonic MI und Lumics in dem Projekt wichtige Impulse für ein Laserhärtkopf-System zum Löten und Schweißen von Feinblechen mit Direkt-Dioden generiert. Auf der LASER World of PHOTONICS 2015 hatte Projektpartner SITEC bereits eine erste industrielle Anlage mit der neuen Technologie im Gepäck. Die Fortsetzung folgt 2017 in München.


Bildquelle: Lumics, Scansonic

 
 
 
 
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