Referenzprojekt Laser-Lötprozess

Die Anforderungen an die Bandbreite von Transmittern und Receivern zur optischen Datenübertragung steigen stetig. Entwicklungen für Bauteile der nächsten Generation mit 400 Gbit Kapazität sehen 50 Gbit pro Kanal vor. Hierzu sind 8 Kanäle notwendig, sodass insgesamt 16 Kontakte am Modul benötigt werden, ohne die notwendigen Versorgungs- und Support-Leiter. Der Stand der Technik für das Löten der elektrischen Anschlüsse an die Hochleistungstransceiver ist das manuelle Löten mit feinsten Lötkolben. Alternative Löttechniken wie Hot Bar oder induktive Techniken zeigen keine zufriedenstellenden Ergebnisse, insbesondere die unerwünschte Brückenbildung zwischen benachbarten Lötpunkten ist eine große Fehlerquelle.

Ziel des Projektes war die Entwicklung einer hochdynamischen automatischen Laser-Lötmaschine für die Herstellung der elektrischen Anschlüsse an optische Transceiver mit sehr hohen Datenraten von 400 Gbit/ s und mehr. Damit sollte der Lötprozess zum aktuellen Stand der Technik um den Faktor 10 beschleunigt werden.

Zur Gewährleistung der Prozesssicherheit ist es dabei notwendig, die Temperatur im Lötpunkt präzise zu messen und über eine schnelle Regelschleife konstant im Optimum zu halten.

Das technologische Herausforderung bei der prozessgeregelten automatischen Laser-Lötanlage war die neu zu entwickelnde inline-Temperaturmessung direkt im Laserfokus, auf deren Basis ein Regelkreis zur genauen Regelung der Laserleistung bzw. des Laserprozesses aufgesetzt werden sollte. Im hier vorliegenden Größenbereich von 200 µm oder kleiner gab es dazu bisher keine verfügbaren Technologien.

Die Temperaturmessung wird ermöglicht durch den Einsatz eines UV-Diodenlasers im Bereich von 450 nm Wellenlänge, wodurch der Laser in einem anderen Wellenlängenbereich arbeitet, als die im IR-Bereich arbeitende Temperaturmessung. Dadurch ergibt sich eine Trennung des Messsignals vom Laserlicht, sodass das Pyrometer koaxial zum eigentlichen Lötlaser in den Strahlengang integriert werden kann und nicht mehr seitlich angeordnet werden muss, was zu einer Verformung des Messpunkts und zu einer ungenauen Temperaturmessung führt.

Eine weitere wesentliche Herausforderung der neuen Maschine war die präzise Positionierung der Lötstelle im Laserstrahl sowie das Handling der sehr weichen Drähte. Hierzu wurde eine umfangreiche Bildverarbeitung in Kombination mit hochgenauen motorischen Messtischen in die Maschine implementiert.

Im Rahmen des Projekts wurde ein Prototyp für die automatische Laserlötung von opto-elektronischen Bauteilen aufgebaut, an dem die Funktionsfähigkeit des Verfahrens anhand von Praxistests demonstriert werden konnte.

Zum Abschluss des Projekts steht damit eine automatische Laser-Lötmaschine für opto-elektronische Bauteile mit folgenden Leistungsmerkmalen zur Verfügung:

• Genaue Positionierung der Platine unter dem Laserpoint mittels einer entsprechenden Vorrichtung auf 5 µm
• Genaue Positionierung der Drähte auf der Platine mittels Greifern auf 5 µm
• Automatisches Löten sämtlicher Teile
• Entnahme des gelöteten und Zuführung des nächsten Bauteils.

PFIF begleitete das Projekt von der Antragstellung über die Projektphase bis hin zur Erstellung der erforderlichen Abschlussdokumentation. Die Unterstützung durch PFIF gewährleistet einen reibungslosen Projektablauf auch für unvorhergesehene Umstände, wie zum Beispiel die Beantragung einer Projektverlängerung, die in diesem Projekt aufgrund von technischen Problemen erforderlich war.