Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
VORTEIL (Vertikale Oberflächenemitter für Robuste Temperaturstabile Effiziente Integrierte Lasersystems) ist ein vom BmBF gefördertes Forschungsvorhaben zur Entwicklung von Hochleistungslasern basierend auf VCSELn (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, Abbildung 1). Solche Laser können beispielsweise zur umweltschonenden Reinigung von Fassaden und Bauwerken oder auch als Zündkerzen für großvolumige Verbrennungsmotoren verwendet werden.
Partner im Verbund sind:
- Philips Photonics (Ulm und Aachen)
- Curamik (Eschenbach)
- Cicor (Radeberg)
- Clean Lasersysteme (Herzogenrath)
- Bosch (Stuttgart)
Am Fraunhofer IZM wurde im Projektverlauf das Ziel verfolgt, den Wärmewiderstand des Laserpumpmoduls durch den Einsatz von einfachen und präzisen Montageverfahren zu verringern. Hierbei wurden sowohl bekannte Prozesse, wie das Löten, optimiert, als auch seinerzeit innovative Prozesse, wie das Silbersintern, weiterentwickelt. Die Leistung und Lebensdauer der VCSEL Arrays konnten dabei wesentlich erhöht werden.
Durch die erfolgreiche Hochskalierung der Leistungsbereiche der Laserpumpmodule konnten neue Anwendungsbereiche wie beispielsweise die umweltschonende Oberflächenreinigung erschlossen werden. Das gelang durch die Anordnung von vielen VCSEL in einem dichtgepackten Array mit auf Waferlevel integrierten Strukturen zur Stromzufuhr und Wärmeabfuhr. Durch eine parallele Produktion und Qualitätskontrolle der VCSEL einschließlich der Integration von Mikrooptiken auf Waferebene sowie der Robustheit dieser Komponenten bei hohen Temperaturen und Drücken war der Bau eines sehr kompakten Laserpumpmoduls möglich. Dabei mussten die VCSEL Arrays elektrisch und thermisch mit einer Trägerstruktur verbunden werden. Zusätzlich wurde ein verbesserter Kühler, der im Rahmen der Projektarbeit durch die Firma Rogers hinsichtlich des Wärmewiderstands deutlich verbessert wurde, eingesetzt. Die zum Einsatz gekommenen Verbindungstechnologien wie das Löten unter Verwendung von SnAgCu-Lot oder AuSn20-Lot sowie das Silbersintern haben eine einfache und schnelle Montage ermöglicht.