Automatisierung von Montageanlagen für Hochleistungsdiodenlaser Buchkatalog

Diodenlaser niedriger Leistung haben sich als Strahlungsquellen in der Glasfasertechnik, in Schreib- und Leseköpfen von optischen Speichermedien oder in Barcodescannern und ähnlichen Anwendungsgebieten seit langem etabliert und sind zu einem Stück Alltagstechnik geworden. In steigendem Maße werden seit einigen Jahren Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) als Pumpquellen für Festkörper- und Faserlaser verwendet. Daneben werden sie mittlerweile in Anwendungsfeldern eingesetzt, die zuvor von Festkörper- oder Gaslasern abgedeckt wurden. Attraktiv sind HLDL unter anderem durch den hohen elektro-optischen Wirkungsgrad von bis zu 65%, die kompakte Bauform und den vergleichsweise niedrigen leistungsbezogenen Preis. Eine durchschnittliche Lebensdauer von über 10000 Stunden und ein geringer Wartungsaufwand tragen mit dazu bei, dass der Markt für HLDL stetig wächst. Die positive Entwicklung der Märkte für HLDL-Produkte kann in Zukunft durch die Senkung der Herstellungskosten weiter begünstigt werden. Ein großes Potential zur Reduzierung der Kosten bietet die Erhöhung des Automatisierungsgrads bei der Montage von HLDL. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei die Montage des Laserbarrens auf Kühlkörper wie Wärmesenken bzw. Submounts. Die Automatisierung dieses Montageprozesses ist bislang nur in Ansätzen erfolgt. Durch einen höheren Automatisierungsgrad bei der Montage von Laserbarren kann der Durchsatz gesteigert werden, während gleichzeitig mit der Ausschussrate die Stückkosten sinken. Die Montage von Laserbarren auf Kühlkörper wie Wärmesenken oder Submounts ist sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht einer der kritischsten Prozessschritte bei der Herstellung von Hochleistungsdiodenlasern. Durch die Qualität des Montageprozesses werden die entscheidenden Eigenschaften des Diodenlasers wie Abstrahlcharakteristik, optische Ausgangsleistung und Lebensdauer maßgeblich beeinflusst. Da sich dieser Prozessschritt weit hinten in der Herstellungskette befindet, verursacht eventuell entstehender Ausschuss hohe Kosten und ist daher aus wirtschaftlicher Sicht unbedingt zu minimieren. Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit und der Montagequalität bei der Herstellung von Diodenlasern wird eine automatisierte Montageanlage entwickelt und aufgebaut, die eine hochpräzise Montage von Laserbarren auf Wärmesenken und Submounts ermöglicht und eine hochqualitative Lötverbindung erzeugt. Die Schwerpunkte der Entwicklungsarbeit liegen vor allem in der Umsetzung einer aktiven Justage, der Implementierung einer reproduzierbaren Prozessführung sowie der Entwicklung der dazu benötigten Baugruppen wie Sensorik, Lötofen und Vakuumgreifer. Für die aktive Justage des Laserbarrens relativ zur Wärmesenke wird ein geeigneter optischer Abstandssensor, zusammen mit mehreren, hochpräzisen Linear- und Rotationsachsen in einem Regelkreis zusammengefasst und in die Montageanlage integriert. Dadurch gelingt es, den Überstand des Laserbarrens über der Vorderkante der Wärmesenke mit einer Genauigkeit von ±1 µm und die korrespondierende Verdrehung des Laserbarrens mit einer Toleranz von ± 0, 2 mrad zu justieren. Die Qualifizierung der Montageanlage erfolgt durch die Untersuchung der Montageergebnisse, die beim Verlöten von Laserbarren auf Wärmesenken mittels Indium erzielt werden. Zur Vervollständigung des Packages werden in einem weiteren Lötprozess n Kontaktbleche unter Verwendung von InSn-Lot auf die Laserbarren montiert. Somit ist die entwickelte Montageanlage in der Lage, ein komplettes, funktionstüchtiges Diodenlaser-Package aufzubauen. Des Weiteren wird die Eignung der Montageanlage zur Handhabung von Submounts im Rahmen eines Lötprozesses unter Verwendung von AuSn-Lot untersucht. Die Lötung von Laserbarren auf Submounts mit AuSn-Lot erfolgt bei einer Maximaltemperatur von 350°C.