CH697232B1 - Verfahren zur Lötbefestigung miniaturisierter Bauteile auf einem Substrat. - Google Patents

Description

  [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur über eine Lötverbindung erfolgenden Befestigung wenigstens eines miniaturisierten, eine Fügefläche aufweisenden Bauteils auf einer Fügegegenfläche eines Substrats.

[0002] Unterschiedliche Verfahren zum Befestigen miniaturisierter Bauteile mittels einer Lötverbindung sind aus dem Stand der Technik bekannt.

[0003] In der WO 99/26 754 wird ein Verfahren zur Lötbefestigung miniaturisierter Bauteile auf einem planen Substrat, das beispielsweise von einer Saphirplatte oder einer Pyrex-, Robax- oder Xerodor-Platte gebildet wird, beschrieben. Die Substratplatte wird zumindest teilweise mit einem gitterförmigen Metallmuster bzw. einer Metallstruktur beschichtet.

   Gemäss der WO 99/26 754 ist die Musterstruktur aus einem Gitter aus Flächenelementen oder einer Reihe von sich bevorzugt senkrecht schneidenden Streifen zusammengesetzt, die ein Gitter oder sonst irgendeine Struktur bilden, die durch einen gleichförmigen Wechsel von Metallbereichen und freien Bereichen gekennzeichnet ist. Die Flächenelemente können eine rechteckige Form, eine quadratische Form, eine runde Form oder irgendeine Form annehmen, die geeignet ist, bei diesem Verfahren verwendet zu werden. Die Musterschrittweite sollte hierbei wenigstens eine Grössenordnung kleiner sein als die Abmessungen der zu befestigenden Seite des Bauteils.

   Das Lötmaterial wird vorzugsweise auf der zu befestigenden, insbesondere konvexen Seite aus Metall, also der Fügefläche des Bauteils, oder gegebenenfalls auf dem planen Metallmuster, also der Fügegegenfläche der ebenen Substratplatte, aufgebracht. Das Bauteil wird oberhalb der Substratplatte angeordnet, wobei sich das plane Metallmuster und die Lötmaterialschicht des Bauteils bzw. die plane Lötmaterialschicht auf dem Metallmuster und die Seite des Bauteils, also die Fügegegenfläche und die Fügefläche, in berührungsfreier, vertikal beabstandeter Gegenüberlage befinden.

   Dann wird Wärmeenergie von der unbeschichteten Seite der ebenen Substratplatte zum Schmelzen von Lötmaterial der Lötmaterialschicht auf der beschichteten Seite, auf der auch das Bauteil angeordnet ist, bis zu einer Tropfenbildung des Lötmaterials zugeführt, wodurch der Lötmaterialtropfen den Zwischenraum zwischen dem Bauteil und der Substratplatte zur gegenseitigen Befestigung füllt. Die metallisierten Musterbereiche liefern einen Befestigungsbereich für das Lötmaterial, während es die metallfreien Bereiche ermöglichen, dass eine ausreichende Energiemenge durch die Substratplatte hindurchgehen kann, um das Lötmaterial zu schmelzen. Beim Zuführen der Wärmeenergie geht somit ein Teil der Energie durch die unbeschichteten Bereiche des Metallmusters.

   Derjenige Teil, der auf die mit Metall beschichteten Bereiche des Metallmusters gelangt, erwärmt entweder die Metallschicht oder wird reflektiert. Die Energie wird vorzugsweise mittels eines Laserstrahls aufgebracht. Aufgrund der Gitterstruktur des Metallmusters auf der Substratplatte kommt der Wahl eines geeigneten Lichtabsorptionskoeffizienten der Metallschicht eine besondere Bedeutung zu, da einerseits die Substratplatte nicht überhitzen darf, andererseits eine gewisse Mindesttemperatur zur Durchführung des Prozesses erforderlich ist. Üblicherweise werden bei dem in der WO 99/26754 beschriebenen Verfahren von dem Metallmuster etwa 70% der Oberfläche der ebenen Substratplatte mit Metall abgedeckt. In der Praxis hat sich ergeben, dass das Lötmaterial nahe den Querseiten des Bauteils wesentlich schneller abkühlt als der Rest des Lötmaterials.

   Dies kann zu Asymmetrien des erstarrten Lötmaterials führen. Da die Befestigung durch das Löten in der Regel zweier unterschiedlicher Materialien erfolgt, verursachen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten beim Lötmaterial und der ebenen Substratplatte hohe Spannungen und Verzüge nach Durchführung des Lötverfahrens. Abhängig vom mechanischen Widerstand des Trägermaterials kann eine parasitäre örtliche Verformung im Bereich der Lötverbindung aufgrund der hohen Spannungen entstehen.

[0004] Durch das oben beschriebene, bekannte Verfahren sind Genauigkeiten von etwa 2 Mikron in den 6 Freiheitsgraden erzielbar.

   Vor allem für die Montage von Bauteilen, die mikrooptische Elemente beinhalten oder tragen, sind jedoch noch höhere Montagegenauigkeiten erforderlich.

[0005] Eine Lösung zur Verbesserung des in der WO 99/26 754 offenbarten Verfahrens wird in der WO 2004/050 287 A1 derselben Anmelderin beschrieben. Bei diesem Verfahren ist die Metallschicht auf der ebenen Substratplatte flächig stetig in Form einer unterbrechungsfreien Schicht aufgebracht.

   Mit dem beschriebenen Lötverfahren werden angeblich Befestigungsgenauigkeiten im Bereich von 0,25 Mikron erreicht, so dass dieses Verfahren zur hochpräzisen Montage von mikrooptischen Komponenten auf einer Substratplatte verwendet werden kann.

[0006] Die beiden Verfahren aus der WO 99/26 754 und der WO 2004/050 287 A1 eignen sich vor allem zur Anwendung in einem automatischen, flussmittelfreien Laserlötprozess, da im Wesentlichen alle erforderlichen Schritte von Handhabungsrobotern, die über eine hochgenaue Positionssensorik verfügen, durchgeführt werden können. So kann jedes Bauteil frei im Raum hochpräzise in allen 6 Freiheitsgraden positioniert werden.

   Ist die gesamte Substratplatte mit der planen Metallschicht beschichtet, so besteht die Möglichkeit, entweder durch freies Positionieren eines Lötmaterialflachstücks oder im Falle einer Lötmaterialschicht das Bauteil in einer beliebigen Position auf der ebenen Substratplatte zu positionieren. Das miniaturisierte Bauteil kann beispielsweise als Halterung für ein mikrooptisches Element, z.B. eine Linse, eine optische Faser, eine Laserdiode etc., dienen. Solche mikrooptischen Bauteile haben typischerweise einen Durchmesser in der Grössenordnung von 2 mm und eine Höhe von 3 mm.

   Ein mögliches Beispiel einer Haltevorrichtung für ein mikrooptisches Bauteil ist der EP 1 127 287 B1 zu entnehmen.

[0007] Aufgrund der zumindest teilweisen freien Ausrichtbarkeit der Bauteile in möglicherweise allen 6 Freiheitsgraden werden hohe Anforderungen an das Positionierungssystem, mittels welchem die Bauteile auf der ebenen Substratplatte positioniert und während des Lötverfahrens gehalten werden, gestellt.

[0008] In der WO 2004/052 070 A1 ebenfalls derselben Anmelderin wird ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zum hochgenauen Fixieren eines miniaturisierten - insbesondere mindestens ein optisches Element tragenden oder enthaltenden - Bauteils auf einer ebenen Trägerplatte durch eine Löt-, Schweiss- oder Klebeverbindung beschrieben.

   Das Bauteil wird mit einem Greifer einer Roboterstation über der Trägerplatte relativ zu äusseren Bezugspunkten positioniert, wobei bevorzugt 5 der 6 Freiheitsgrade der Sollposition des Bauteils hochgenau entsprechen. Der senkrechte Abstand zwischen dem Bauteil und der Trägerplatte ergibt sich aus dem Sollabstand zuzüglich eines Aufmasses, das dem Schrumpfungsgrad der Verbindungsnaht entspricht. Im Anschluss wird eine Verbindung zwischen dem Bauteil und der Trägerplatte hergestellt, wobei eine Verbindungsnaht zwischen dem Bauteil und der Trägerplatte unter Schrumpfung erstarrt und somit eine Zugkraft auf den das Bauteil fassenden Greifer in senkrechter Richtung ausübt.

   Gleichzeitig mit der Schrumpfung führt der Greifer eine gesteuerte oder geregelte senkrechte Bewegung in Richtung zur Trägerplatte - gegebenenfalls bis zu einer vertikalen definierten Sollposition - aus und gibt somit der Schrumpfung aktiv nach, so dass der Aufbau von hohen Spannungen weitgehend verhindert wird und beim Lösen des Bauteils vom Greifer keine Positionsänderung ausgelöst wird. Der Greifer vollzieht waagrecht zur Trägerplatte keine Positionsänderung während des Erstarrungsprozesses. Weiters wird ein Greifer zur Verwendung in dem Verfahren beschrieben.

[0009] Mittels der bekannten Verfahren zur Lötbefestigung miniaturisierter Bauteile auf einer planen Substratplatte und entsprechender Verfahren zum hochgenauen Positionieren der miniaturisierten Bauteile können z.B. Miniaturoptiken, insbesondere optische Linsensysteme, auf einer Ebene aufgebaut werden.

   Trotz der mittels der offenbarten Verfahren erzielten, zum Teil erheblichen Verbesserungen in der Endpositionierungsgenauigkeit der Bauteile ist der Aufbau von komplexeren Mikrosystemen, bei welchen beispielsweise eine Mehrzahl von Miniaturlinsen hochgenau auf einem Träger relativ zu einer gemeinsamen optischen Achse ausgerichtet werden soll, nur mit sehr grossem Vorpositionierungsaufwand, gesteuertem oder geregelten Festhalten des Bauteils während des Fixiervorgangs und gegebenenfalls einem Nachpositionieren der optischen Elemente den Bauteilen möglich, da es bei den bisherigen Verfahren während des Fixierens stets zu einer nur bedingt im Voraus bestimmbaren, zur Substratplatte waagrechten und senkrechten Verschiebung und eventuell einer Verdrehung der Bauteile kommt. Die erforderlichen hochgenauen Positionierungssysteme sind technisch komplex, wartungsintensiv und teuer.

   Somit ist beispielsweise die radialsymmetrische langgestreckte Anordnung einer Abfolge von miniaturisierten optischen Komponenten entlang einer Achse mittels der bekannten Verfahren nicht oder nur mit grossem und aus wirtschaftlichen Erwägungen oft nicht vertretbarem Aufwand realisierbar.

[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur über eine Lötverbindung erfolgenden Befestigung wenigstens eines miniaturisierten, eine Fügefläche und insbesondere mindestens ein mikrooptisches Element aufweisenden Bauteils auf einer Fügegegenfläche eines Substrats zur Verfügung zu stellen,

   das sich durch eine erhöhte Positionsgenauigkeit der Bauteile - insbesondere in Bezug auf eine gemeinsame optische Achse der jeweiligen mikrooptischen Elemente - bei gleichzeitig geringerem Positionierungsaufwand und hoher Wirtschaftlichkeit auszeichnet.

[0011] Diese Aufgabe wird durch die Verwirklichung der Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

[0012] Das erfindungsgemässe Verfahren dient zur Befestigung wenigstens eines miniaturisierten, eine Fügefläche aufweisenden Bauteils auf einer Fügegegenfläche eines Substrats mittels einer Lötverbindung. Die Fügefläche ist hierbei als diejenige Fläche des Bauteils definiert, mit der das Bauteil mittels der Lötverbindung auf dem Substrat befestigt werden soll.

   Die Fügegegenfläche des Substrats ist diejenige Fläche, auf die mindestens ein Bauteils mittels Lötverbindung befestigt werden kann. Das Substrat selbst ist derjenige Träger, auf welchem das Bauteil mittel- oder unmittelbar befestigt wird. Bevorzugt ist das Substrat aus einem Material ausgebildet, das zumindest in einem Teilbereich transparent für Laserstrahlung ist. Geeignete Materialien sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise Saphir, Pyrex, Robax oder Xerodor.

[0013] Erfindungsgemäss weist das Substrat auf seiner Oberfläche wenigstens einen Fügegegenflächenabschnitt auf, der entweder einen Teilabschnitt der Fügegegenfläche oder die gesamte Fügegegenfläche des Substrats darstellt und der von einer zumindest teilweise nach innen gewölbten ersten Zylinderfläche gebildet wird.

   Diese erste Zylinderfläche besitzt eine offene, ebene, gekrümmte erste Leitkurve, die insbesondere von einem zumindest in einem Teilabschnitt kreisförmigen, elliptischen, hyperbolischen oder parabolischen Bogen gebildet wird. Auf derjenigen Ebene, in welcher die erste Leitkurve verläuft und die im Folgenden als die erste Leitkurvenebene bezeichnet wird, steht senkrecht eine, einen charakteristischen Punkt der ersten Leitkurvenebene - insbesondere einen Mittelpunkt oder Schwerpunkt der ersten Leitkurve - durchstossende Achse der ersten Zylinderfläche, im Folgenden als die erste Zylinderflächenachse bezeichnet. Im Rahmen der Erfindung ist somit eine Zylinderfläche im mathematischen Sinn definiert als diejenige Fläche, die durch Parallelverschiebung einer Geraden, der Erzeugenden, längs einer Kurve, der ersten Leitkurve, entsteht.

   Die Zylinderflächenachse ist eine Parallele zu der Erzeugenden. Bevorzugt handelt es sich bei der ersten Leitkurve der ersten Zylinderfläche um einen Kreisbogen, so dass der Fügegegenflächenabschnitt die Form eines konkaven Kreiszylinderflächenabschnitts und somit einer Rinne hat. Der charakteristische Punkt, der von der ersten Zylinderflächenachse durchlaufen wird, ist in diesem Fall der Kreismittelpunkt der kreisbogenförmigen ersten Leitkurve.

   In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Substrat als ein Rohrsegment-Substrat mit der Form eines längsgeteilten Rohrsegments - insbesondere einer längsgeteilten Rohrhälfte - ausgebildet, so dass der Fügegegenflächenabschnitt zumindest von einem Teilabschnitt der Innenfläche des Rohrsegment-Substrats gebildet wird.

[0014] Der Fügegegenflächenabschnitt des Substrats ist mit einer unterbrechungsfreien, geschlossenen Metallschicht oder einer unterbrochenen Metallschicht, die diskret in Form einer Vielzahl beabstandeter Metallschicht-Elemente - beispielsweise eines Punktmusters - aufgebracht ist, zumindest teilweise beschichtet.

[0015] Die Fügefläche des Bauteils, die bevorzugt von einer Metallfläche gebildet wird,

   besitzt eine zumindest in einem Teilabschnitt im Wesentlichen mit dem Fügegegenflächenabschnitt korrespondierende - beispielsweise zylinderflächenförmige - Form, die ein Hineinragen der Fügefläche in den von dem Fügegegenflächenabschnitt aufgespannten Raum ermöglicht. Bevorzugt ist die Fügefläche des Bauteils als eine nach aussen gewölbte Zylinder-Fügefläche ausgebildet, die von einer zweiten Zylinderfläche mit einer im Wesentlichen kreisbogenförmigen ebenen zweiten Leitkurve und einer senkrecht auf der zweiten Leitkurvenebene stehenden zweiten Zylinderflächenachse, die den Kreismittelpunkt der kreisbogenförmigen zweiten Leitkurve auf der zweiten Leitkurvenebene durchstösst,

   gebildet wird.

[0016] Eine unterbrechungsfreie oder unterbrochene Lötmaterialschicht ist auf der Fügefläche des Bauteils und/oder auf der Metallschicht wenigstens des Fügegegenflächenabschnitts zumindest teilweises aufgebracht.

[0017] Das Bauteil wird in einem Schritt des Verfahrens mit dessen Fügefläche nahe dem Fügegegenflächenabschnitt des Substrats beispielsweise mittels eines Greifers eines Handhabungssystems angeordnet, so dass die Fügefläche in den von dem Fügegegenflächenabschnitt aufgespannten Raum hineinragt und sich der Fügegegenflächenabschnitt des Substrats und die Fügefläche des Bauteils in berührungsfrei beabstandeter, einen Zwischenraum bildenden Gegenüberlage befinden.

   In einem darauf folgenden Schritt wird elektromagnetische Strahlung, insbesondere ein Laserstrahlenbündel, zum zumindest teilweisen Schmelzen der Lötmaterialschicht derart zugeführt, dass sich durch eine Tropfenbildung des geschmolzenen Lötmaterials der Zwischenraum zwischen dem Fügegegenflächenabschnitt des Substrats und der Fügefläche des Bauteils zumindest teilweise füllt. In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Zuführen der elektromagnetischen Strahlung lokal begrenzt durch Richten des Laserstrahlenbündel auf die von dem Bauteil weggewandte Seite des Substrats derart, dass das Laserstrahlenbündel das Substrat durchdringt und die Metallschicht wenigstens des Fügegegenflächenabschnitts erhitzt, so dass die Lötmaterialschicht zumindest teilweise schmilzt.

   Durch Wirken der Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötmaterials auf das Bauteil von mehreren Seiten und die Ausgestaltung der Fügefläche und des Fügegegenflächenabschnitts erfolgt ein aktives Selbstausrichten des Bauteils oder der mehreren Bauteile gegenüber der ersten Zylinderflächenachse.

   Somit kann ein hochpräzises Vorzentrieren des Bauteils auf die auszurichtende Achse entfallen, da sich jedes Bauteil innerhalb des von der Zylinderfläche gebildeten Fügegegenflächenabschnitts in Bezug auf die erste Zylinderflächenachse selbst ausrichtet.

[0018] In einem weiteren Schritt wird auf das Erstarren des geschmolzenen Lötmaterials gewartet, wobei durch Schrumpfen des erstarrenden Lötmaterials die ausgerichtete Endposition des Bauteils - insbesondere der mehreren Bauteile - gegenüber der ersten Zylinderflächenachse erreicht wird und die gegenseitige Befestigung erfolgt.

[0019] Das Bauteil selbst ist beispielsweise eine Halterung für mindestens ein mikrooptisches Element, welches eine optische Achse definiert.

   Das Ausrichten des Bauteils erfolgt in diesem Fall insbesondere derart, dass die optische Achse und die erste Zylinderflächenachse parallel - insbesondere aufeinanderliegend - verlaufen. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich vor allem zum Aufbau von Optiken mit einer Abfolge von Linsen in einer radialsymmetrischen Anordnung. Mittels des erfindungsgemässen Verfahrens können somit beispielsweise endoskopartige langgestreckte miniaturisierte Optiken hergestellt werden.

   Wird als Substrat ein Rohrsegment-Substrat verwendet, das mit einem korrespondierenden Rohrsegment-Verschlussteil derart verschliessbar ist, dass der geschlossene Körper die Form eine Rohres aufweist, so kann eine langgestreckte Optik, die beispielsweise als Endoskop oder zum Leiten und Formen eines Lichtbündels innerhalb einer Welle, beispielsweise eines Vermessungsinstruments, verwendet wird, erzeugt werden. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass ein exaktes radiales Vorausrichten der Bauteile mit den mikrooptischen Elementen relativ zum Substrat entfallen kann, da sich die einzelnen Bauteile durch die Oberflächenspannung des Lötmaterials stets auf die gleiche Achse ausrichten.

   Weist das Bauteil eine abschnittsweise rotationsasymmetrische Fügefläche, insbesondere eine Zylinder-Fügefläche auf, so muss das Bauteil lediglich in Achsrichtung der ersten Zylinderflächenachse und bezüglich der Winkelausrichtung um die erste Zylinderflächenachse exakt positioniert werden. Die restlichen 4 Freiheitsgrade, nämlich der vertikale Abstand zum Substrat, die Winkelausrichtung um die vertikale Achse, die horizontale Lage innerhalb des Fügegegenflächenabschnitts senkrecht zur ersten Zylinderflächenachse und die Winkelausrichtung um die horizontale Senkrechte zur ersten Zylinderflächenachse sind verfahrensbedingt bei gleicher Dimensionierung der Komponenten, gleicher Lötmaterialmenge und gleichen thermischen Bedingungen durch das aktive Selbstausrichten des Bauteils stets konstant.

   Ist im Bauteil ein rotationssymmetrisches optisches Element zentrisch angeordnet, so kann die Winkelausrichtung um die erste Zylinderflächenachse vollkommen entfallen, so dass das Bauteil lediglich entlang der ersten Zylinderflächenachse exakt mittels einer Positionierungsvorrichtung positioniert werden braucht.

   Im Vergleich zu den bekannten Verfahren, bei welchen bei der Positionierung 5 Freiheitsgrade bestehen, in welchen das Bauteil hochpräzise zu positionieren ist, ergibt sich eine erhebliche Steigerung der Endpositionierungsgenauigkeit bei gleichzeitig einfacherer, kostengünstigerer und störunempfindlicherer Vorpositionierung des Bauteils durch die Positionierungsvorrichtung.

[0020] Es ist möglich, den Zwischenraum zwischen dem Fügegegenflächenabschnitt des Substrats und der Fügefläche des Bauteils bei oder nach dem Zuführen der elektromagnetischen Strahlung durch Absenken des Bauteils von einer Ausgangsposition in Richtung zum Substrat zu verringern, so dass die Fügefläche des Bauteils in das geschmolzene Lötmaterial eintaucht und somit die Fügefläche des Bauteils mit dem Lötmaterial benetzt wird.

   Gegebenenfalls wird im Anschluss - noch vor dem Einsetzen des Erstarrens - das Bauteil wieder in die Ausgangsposition zurückgefahren. In dieser Ausführungsform ist es denkbar, das Lötmaterial ebenfalls oder ausschliesslich auf der Fügefläche des Bauteils aufzubringen. Da jedoch eine Erwärmung eines Lötmaterials, das mit der von der Strahlung direkt erwärmten Metallschicht verbunden ist, effektiver ist, werden bessere Ergebnisse mit einem direkt auf der Metallschicht aufgebrachten Lötmaterial erzielt.

[0021] In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist das Lötmaterial zumindest auf einem Teilbereich der Metallschicht des Substrats diskret in Form einer Vielzahl beabstandeter Lötmaterialschichtelemente, beispielsweise in Form eines Punktmusters, oder flächig stetig in Form einer ununterbrochenen Schicht aufgebracht.

   Dieser Teilbereich ist hierbei wesentlich grösser als der eigentliche Befestigungsabschnitt, den ein einzelnes Bauteil in Anspruch nimmt. Gegebenenfalls ist die gesamte Metallschicht mit dem Lötmaterial beschichtet. Eine Energiequelle, z.B. ein Laser, wird unter dem Substrat ausgerichtet und gibt einen Energiestrahl von der Unterseite des Substrats ab. Der Energiestrahl durchdringt das Substrat und trifft auf die Metallschicht. Diese erwärmt sich in einem lokal eng begrenzten Bereich und schmilzt innerhalb dieses Bereichs die Lötmaterialschicht oder das Lötmaterialmuster auf. Es kommt in diesem Bereich zu einer Tropfenbildung aufgrund der Oberflächenspannung des Lots.

   Somit wird, gegebenenfalls durch zusätzliches Absenken des Bauteils, die Fügefläche des Bauteils mit Lötmaterial benetzt, so dass eine Lötverbindung herstellbar ist.

[0022] Aus dem Stand der Technik sind weitere unterschiedlichste Variationen bezüglich der Ausbildung und Anordnung der Metallschicht und der Lötmaterialschicht bekannt, die ebenfalls bei dem erfindungsgemässen Verfahren zum Einsatz kommen können.

   So ist es beispielsweise möglich, anstelle der Lötmaterialschicht ein Lötmaterialflachstück, das entweder auf der Fügefläche des Bauteils oder auf dem Fügegegenflächenabschnitt des Substrats positioniert ist, zu verwenden.

[0023] Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben, wobei auch auf weitere Vorteile der Erfindung eingegangen wird. Im Einzelnen zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine erste Zylinderfläche und deren erste Leitkurve zur Begriffsdefinition;


  <tb>Fig. 2a<sep>ein Grundteil aus ein Rohrsegment-Substrat mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht;


  <tb>Fig. 2b<sep>ein weiteres Grundteil aus einem Rohrsegment-Substrat mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht und einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht;


  <tb>Fig. 2c<sep>ein weiteres Grundteil aus einem Rohrsegment-Substrat mit einer unterbrochenen Metallschicht in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Metallschichtelemente;


  <tb>Fig. 2d<sep>ein weiteres Grundteil aus einem Rohrsegment-Substrat mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht und einer unterbrochenen Lötmaterialschicht in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Lötmaterialschicht-Elemente;


  <tb>Fig. 3a<sep>ein Bauteil mit einer Zylinder-Fügefläche;


  <tb>Fig. 3b<sep>ein weiteres Bauteil mit einer Zylinder-Fügefläche;


  <tb>Fig. 3c<sep>eine zweite Zylinderfläche und deren zweite Leitkurve zur Begriffsdefinition;


  <tb>Fig. 3d<sep>ein weiteres Bauteil mit einer Kugel-Fügefläche;


  <tb>Fig. 3e<sep>mikrooptische Elemente in Form von optischen Linsen;


  <tb>Fig. 4<sep>ein mikrooptisches System aus einem Rohrsegment-Substrat, Bauteilen mit mikrooptischen Elementen und einem Rohrsegment-Verschlussteil;


  <tb>Fig. 5a, 5b, 5c<sep>den Querschnitt durch ein Bauteil und ein Rohrsegment-Substrat mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht und einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht in verschiedenen Verfahrensstadien;


  <tb>Fig. 6a, 6b, 6c<sep>den Querschnitt durch ein Bauteil und ein Rohrsegment-Substrat mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht und einer unterbrochenen Lötmaterialschicht in verschiedenen Verfahrensstadien;


  <tb>Fig. 7a, 7b, 7c, 7d<sep>den Querschnitt durch ein Bauteil mit einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht und ein Rohrsegment-Substrat mit einer unterbrochenen Metallschicht in verschiedenen Verfahrensstadien;


  <tb>Fig. 8a, 8b, 8c<sep>den Querschnitt durch ein Bauteil mit einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht und ein Rohrsegment-Substrat mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht und einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht in verschiedenen Verfahrensstadien;


  <tb>Fig. 9a<sep>ein weiteres Grundteil mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht;


  <tb>Fig. 9b, 9c, 9d<sep>mögliche Ausführungsformen von Bauteilen mit einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht für das Grundteil aus Fig. 9a;


  <tb>Fig. 10a<sep>ein weiteres Grundteil mit einer unterbrochenen Metallschicht in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Metallschichtelemente;


  <tb>Fig. 10b, 10c<sep>mögliche Ausführungsformen von Bauteilen mit einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht für das Grundteil aus Fig. 10a;


  <tb>Fig. 11a<sep>ein weiteres Grundteil mit einer unterbrochenen Metallschicht in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Metallschichtelemente;


  <tb>Fig. 11b<sep>ein Bauteil mit einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht für das Grundteil aus Fig. 11a;


  <tb>Fig. 12a<sep>ein Grundteil mit einer nach aussen gewölbten ersten Zylinderfläche und einer unterbrochenen Metallschicht in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Metallschichtelemente;


  <tb>Fig. 12b, 12c<sep>mögliche Ausführungsformen von Bauteilen mit einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht für das Grundteil aus Fig. 12a; und


  <tb>Fig. 13<sep>einen Ausschnitt eines Querschnitts durch ein endoskopartiges mikrooptisches System aus einem Rohrsegment-Substrat, Bauteilen mit mikrooptischen Elementen und einem Rohrsegment-Verschlussteil.

[0024] In Fig. 1 ist abstrakt eine nach innen gewölbte erste Zylinderfläche 4a dargestellt, die von einer als Halbkreisbogen ausgebildeten, in einer ersten Leitkurvenebene 6a verlaufenden ersten Leitkurve 5a durch Parallelverschiebung einer senkrecht auf der ersten Leitkurvenebene 6a stehenden Geraden entlang der ersten Leitkurve 5a, oder von der ersten Leitkurve 5a in Richtung nämlicher Geraden aufgespannt wird.

   Der Mittelpunkt der halbkreisbogenförmigen ersten Leitkurve 5a bildet einen charakteristischen Punkt 8a auf der ersten Leitkurvenebene 6a, auf dem senkrecht die Zylinderflächenachse, im Folgenden als die erste Zylinderflächenachse 7a bezeichnet, steht.

[0025] Fig. 2a zeigt ein Grundteil 25a aus einem Substrat 1a mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht 3a. Das Substrat 1a besteht aus einem laserstrahlendurchlässigen kristallinen Material, insbesondere einem Saphirstück oder einem Pyrex-Wafer mit einer Wandstärke von etwa 1 bis 2 Millimeter, und hat die Form eines Rohrsegments, weshalb es im Folgenden als Rohrsegment-Substrat 1a bezeichnet wird. Das Rohrsegment-Substrat 1a besitzt eine Innenfläche, die zur Lötbefestigung mindestens eines Bauteils vorgesehen ist, so dass diese Innenfläche einen Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ bildet.

   Der Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ wird abstrakt von der nach innen gewölbten ersten Zylinderfläche 4a und deren ersten Leitkurve 5a aus Fig. 1 erzeugt. Da der Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ in diesem Fall die einzige Fügegegenfläche 2a des Rohrsegment-Substrats 1a ist und es keine weitere Fügegegenfläche gibt, bildet der Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ hier die gesamte Fügegegenfläche 2a. Ein Grossteil des Fügegegenflächenabschnitts 2a ¾ ist mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht 3a beschichtet.

   Die Metallschicht setzt sich beispielsweise u.a. aus Chrom, Nickel und Gold zusammen und hat insbesondere eine Dicke von zirka 1 Mikron.

[0026] Fig. 2b zeigt ein Grundteil 25b, das dem Grundteil 25a entspricht, jedoch ist auf einem Grossteil der Metallschicht 3a des Fügegegenflächenabschnitts 2a ¾ eine unterbrechungsfreie Lötmaterialschicht 10a aufgebracht, die sich beispielsweise aus SnPb oder Sn96Ag4 zusammensetzt.

[0027] Anstelle mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht 3a, wie in Fig. 2a gezeigt, kann der Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ auch mit einer unterbrochenen Metallschicht in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Metallschichtelemente 3b ¾ ¾ beschichtet sein.

   Ein solches Grundteil 25c zeigt die Fig. 2c.

[0028] Eine weitere mögliche Variante eines Grundteils 25d ist aus Fig. 2d ersichtlich, bei welchem der Fügegegenflächenabschnitts 2a ¾ des Substrats 1a vollkommen mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht 3c beschichtet ist, die wiederum mit einer unterbrochenen Lötmaterialschicht, die aus einem Muster aus einer Vielzahl beabstandeter Lötmaterialschicht-Elemente 10b ¾ ¾ besteht, beschichtet ist.

[0029] In den Fig. 3a und 3b sind zwei unterschiedliche Bauteile 11a und 11b dargestellt, die jeweils eine Fügefläche 12a aus Metall haben, welche als eine nach aussen gewölbte Zylinder-Fügefläche 12a ausgebildet ist.

   Die Form der Zylinder-Fügefläche 12a ist bestimmt durch eine zweite Zylinderfläche 14a, wie in Fig. 3c abstrakt gezeigt, mit einer im Wesentlichen kreisbogenförmigen ebenen zweiten Leitkurve 15a und einer senkrecht auf der zweiten Leitkurvenebene 16a stehenden zweiten Zylinderflächenachse 17a, die den Kreismittelpunkt 18a der kreisbogenförmigen zweiten Leitkurve 15a auf der zweiten Leitkurvenebene 16a durchstösst.

   Der Radius des kreisbogenförmigen zweiten Leitkurve 15a der zweiten Zylinderfläche 14a ist etwas kleiner, insbesondere zirka 0,2 bis 1,0 mm in Abhängigkeit von der Schichtdicke der jeweiligen Beschichtungen, als der Radius der kreisbogenförmigen ersten Leitkurve 5a der ersten Zylinderfläche 4a der Grundteile 25a, 25b, 25c, 25d, so dass die Form der Zylinder-Fügefläche 12a mit der Form des Fügegegenflächenabschnitts 2a ¾ der Grundteile 25a, 25b, 25c, 25d insofern korrespondiert, als dass ein Hineinragen der Zylinder-Fügefläche 12a in den von dem Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ aufgespannten Raum 9a, 9b, 9c (siehe Fig.

   5a, 6a und 7a) ermöglicht wird, wobei die Zylinder-Fügefläche 12a des Bauteils 11a oder 11b in eine berührungsfrei beabstandete, einen Zwischenraum bildenden Gegenüberlage mit einem konstanten Flächenabstand von insbesondere 0,2 bis 0,5 mm bringbar ist und die erste Zylinderflächenachse 7a und die zweite Zylinderflächenachse 17a parallel sind. In den Bauteilen 11a und 11b ist jeweils ein mikrooptisches Element 26a bzw. 26b fixiert. Die beiden in Fig. 3e einzeln dargestellten unterschiedlichen mikrooptischen Elemente 26a, 26b, die beispielsweise als zwei optischen Mikrolinsen ausgeführt sind, unterscheiden sich in den Ausführungsbeispielen insbesondere im Durchmesser.

   Beide mikrooptischen Elemente 26a und 26b definieren jeweils eine optische Achse 27a bzw. 27b und sind derart in den Bauteilen 11a bzw. 11b positioniert, dass die optischen Achsen 27a bzw. 27b jeweils mit der zweiten Zylinderflächenachse 17a und nach der Lötbefestigung mit der ersten Zylinderflächenachse 7a zusammenfallen.

   Handelt es sich bei den mikrooptischen Elementen 26a und 26b um rotationssymmetrische Elemente, so ist die Winkelausrichtung des Bauteils 11a oder 11b im Grundteil 25a, 25b, 25c oder 25d um die erste Zylinderflächenachse 7a im Wesentlichen unproblematisch und das Bauteil 11a oder 11b muss lediglich in einem einzigen Freiheitsgrad in Richtung der ersten Zylinderflächenachse 7a exakt positioniert werden.

[0030] Eine weitere mögliche Variante eines Bauteils zeigt Fig. 3d, in der ein Bauteil 11c mit einer Fügefläche aus Metall, die als eine Kugel-Fügefläche 12b, in deren Zentrum sich das mikrooptische Element 26a befindet, ausgebildet ist.

   Durch die Kugelgestalt ergibt sich ein weiterer Freiheitsgrad in der Positionierbarkeit des Bauteils 11c, nämlich eine Verdrehbarkeit um die vertikale Achse.

[0031] Fig. 4 zeigt ein mikrooptisches System 35a, das sich aus dem Grundteil 25a, isoliert dargestellt in Fig. 2a, mehreren - hier drei - Bauteilen 111a, 211a, 311a, die jeweils dem Bauteil 11a aus Fig. 3a gleichen, Lötmaterial 110a ¾, 210a ¾, 310a ¾ und einem Rohrsegment-Verschlussteil 21a zusammensetzt. Das Grundteil 25a umfasst das Rohrsegment-Substrat 1a und die unterbrechungsfreie Metallschicht 3a, die auf dem von der ersten Leitkurve 5a in Richtung der Zylinderflächenachse 7a aufgespannten Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ aufgebracht ist.

   Die Bauteile 111a, 211a, 311a, die jeweils ein mikrooptisches Element 126a, 226a, 326a enthalten, sind mittels des Verfahrens zur Lötbefestigung über geschmolzenes und wieder erstarrtes Lötmaterial 110a ¾, 210a ¾, 310a ¾ derart auf der unterbrechungsfreien Metallschicht 3a befestigt, dass die optischen Achsen der mikrooptischen Elemente 111a, 211a, 311a und die erste Zylinderflächenachse 7a jeweils aufeinanderliegen.

   Mittels des Rohrsegment-Verschlussteils 21a ist das Rohrsegment-Substrat einschliesslich der Bauteile 111a, 211a, 311a derart verschliessbar, dass die Aussenfläche des mikrooptischen Systems 35a die Form einer geschlossenen Kreiszylinderfläche hat.

[0032] In den Fig. 5a bis 8c wird an vier unterschiedlichen Beispielen, die jeweils einen Querschnitt durch ein Grundteil und ein Bauteil in verschiedenen Verfahrensstufen zeigen, das erfindungsgemässe Verfahren veranschaulicht, wobei unterschiedliche Varianten von Bauteilen und Metall- und Lötmaterialbeschichtungen gezeigt werden. Aus diesem Grunde werden die Fig. 5a bis 8c im Anschluss gemeinsam beschrieben, wobei zum Teil Bezugszeichen, die in der Beschreibung vorangegangener Figuren erläutert wurden, aufgeführt werden.

   In den Fig. 5a bis 5c ist die Zylinder-Fügefläche 12a des Bauteils 11b unbeschichtet und der Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ des Rohrsegment-Substrats 1a mit einer unterbrechungsfreien Metallschicht 3a und nämliche mit einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht 10a beschichtet, während in den Fig. 6a bis 6c der Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ des Rohrsegment-Substrats 1a mit einer unterbrochenen Lötmaterialschicht 10b beschichtet ist. In den Fig. 8a bis 8c ist ausser der unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht 10a auf dem Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ des Rohrsegment-Substrats 1a ebenfalls eine weitere unterbrechungsfreie Lötmaterialschicht 10d auf der Zylinder-Fügefläche 12a des Bauteils 11a aufgebracht.

   In den Fig. 7a bis 7d befindet sich auf dem Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ des Rohrsegment-Substrats 1a eine unterbrochenen Metallschicht 3b aus einer Vielzahl beabstandeter Metallschichtelemente 3b ¾ ¾ und auf der Zylinder-Fügefläche 12a des Bauteils 11b eine unterbrechungsfreie Lötmaterialschicht 10c.

[0033] Die Fig. 5a, 6a, 7a und 8a zeigen die Ausgangsposition des Bauteils 11a oder 11b zu Beginn des Verfahrens.

   In einem insbesondere ersten Schritt des Verfahrens wird beispielsweise mittels eines Greifers eines Handhabungssystems nach einem Grobausrichten und gegebenenfalls einem Feinpositionieren in Richtung der Zylinderflächenachse 7a das Bauteil 11a bzw. 11b mit dessen Zylinder-Fügefläche 12a nahe dem Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ des Rohrsegment-Substrats 1a insbesondere durch Absenken des Bauteils 11a bzw.11b angeordnet, so dass die Zylinder-Fügefläche 12a in den von dem Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ mit den jeweiligen Metall- und gegebenenfalls Lötmaterialbeschichtungen aufgespannten Raum 9a, 9b, 9c bzw. 9d hineinragt.

   Der Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ und die Zylinder-Fügefläche 12a mit den jeweiligen Beschichtungen befinden sich in berührungsfrei beabstandeter, einen Zwischenraum 19a, 19b, 19c bzw. 19d bildenden Gegenüberlage, wie in den Fig. 5b, 6b, 7b und 8b gezeigt. Der durch den Zwischenraum 19a, 19b, 19c bzw. 19d gebildete Abstand zwischen der Zylinder-Fügefläche 12a des Bauteils 11a bzw. 11b und dem Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ des Rohrsegment-Substrats 1a beträgt beispielsweise 0,2 bis 0, 5 mm.

[0034] In einem nächsten Schritt wird elektromagnetische Strahlung in Form eines Laserstrahlenbündels 30a zum zumindest teilweisen Schmelzen der Lötmaterialschicht 10a, 10b, 10c bzw. 10d durch Richten des Laserstrahlenbündels 30a auf die von dem Bauteil 11a bzw. 11b weggewandte Seite des Rohrsegment-Substrats 1a zugeführt.

   Das Laserstrahlenbündel 30a durchdringt das für Laserstrahlung zumindest teilweise transparente Rohrsegment-Substrat 1a und erhitzt die Metallschicht 3a bzw. 3b des Fügegegenflächenabschnitts 2a ¾. Die erhitzte Metallschicht 3a oder 3b wirkt wie eine Art Herdplatte und schmilzt die entweder direkt auf der Metallschicht 3a oder die auf der Zylinder-Fügefläche 12a des Bauteils 11a oder 11b geringfügig beabstandet befindliche Lötmaterialschicht 10a, 10b, 10c bzw. 10d, wobei im Falle einer unterbrochenen Metallschicht 3b, wie in den Fig. 7a bis 7d, das Laserstrahlenbündel 30a ausserdem die unterbrochene Metallschicht 3b teilweise durchdringt und die Lötmaterialschicht 10c des Bauteils 11b direkt aufschmilzt.

   Durch eine Tropfenbildung des geschmolzenen Lötmaterials 10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾ füllt sich - wie aus den Fig. 5c, 6c, 7c und 8c ersichtlich - zumindest teilweise der Zwischenraum 19a, 19b, 19c, 19d zwischen dem Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ und der Zylinder-Fügefläche 12a, wobei gegebenenfalls, wie in Fig. 6c gezeigt, eine Vielzahl beabstandeter Lötmaterialschichtelemente 10b ¾ ¾ zu einem gemeinsamen geschmolzenen Lötmaterial 10b ¾ zusammenschmelzen und allfällige Zwischenräume in der Metallschicht 3b, wie in Fig. 7c gezeigt, ausgefüllt werden.

   Durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötmaterials 10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾ wird eine Kraft auf das Bauteil 11a bzw. 11b ausgeübt, durch welche nämliches aufgrund der zylindrischen Ausgestaltung der Zylinder-Fügefläche 12a und des Fügegegenflächenabschnitts 2a ¾ derart ausgerichtet wird, dass die erste Zylinderflächenachse 7a und die zweite Zylinderflächenachse 17a eine bestimmte - insbesondere parallele - Lage zueinander einnehmen.

   Um ein solches Selbstausrichten zu ermöglichen, ist es von Vorteil, das Bauteil 11a oder 11b nach Verflüssigung des Lötmaterials 10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾ entweder vollkommen vom Greifer loszulassen oder lediglich bezüglich eines Freiheitsgrads, nämlich in Richtung parallel zur ersten Zylinderflächenachse 7a, zu fixieren und in den restliche Freiheitsgraden insbesondere mittels eines aktiv oder passiv nachgiebigen Greifers des Handhabungssystems frei beweglich zu lassen.

   Beispielsweise erfolgt das Ausgleichen der von dem Handhabungssystem auf das Bauteil 11a oder 11b wirkenden, die Selbstausrichtung behindernden Kräfte, indem die Kräfte mittels eines Kraftsensors am Greifer erfasst werden und das Handhabungssystem durch kraftgeregeltes Verstellen den Kräften nachgibt.

[0035] Im Falle eines rotationssymmetrischen mikrooptischen Elements ist eine Verdrehung des Bauteils um die erste Zylinderflächenachse 7a, wie in Fig. 6c gezeigt, unkritisch.

[0036] In einem nachfolgenden Schritt nach Beendigen des Zuführens elektromagnetischer Strahlung wird auf das Erstarren des geschmolzenen Lötmaterials 10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾ gewartet. Da das Erstarren des Lötmaterials mit einer Schrumpfung einhergeht, ändert sich die Position des Bauteils 11a oder 11b nochmals, nämlich in vertikaler Richtung zum Rohrsegment-Substrat 1a.

   Erst nach Abkühlen des geschmolzenen und wieder erstarrten Lötmaterials 10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾ hat sich das Bauteil 11a oder 11b endgültige ausgerichtet, wobei im gezeigten Beispiel die erste Zylinderflächenachse 7a und die zweite Zylinderflächenachse 17a aufeinanderliegen. Da das beschriebene Verfahren eine gute Wiederholbarkeit zeigt, ist es somit möglich, unterschiedliche Bauteile 11a oder 11b hintereinander im Fügegegenflächenabschnitt 2a ¾ anzuordnen, wobei die Achsen 17a der Bauteile 11a oder 11b nach Abkühlung mit hoher Genauigkeit aufeinanderliegen, ohne dass ein Ausrichten der Bauteile 11a oder 11b mittels eines Handhabungssystems vonnöten ist.

   Tragen die Bauteile 11a oder 11b unterschiedliche mikrooptischen Elemente 26a oder 26b, so ist auf ein konstantes Gewicht und konstante thermische Eigenschaften der Bauteile 11a oder 11b zu achten.

[0037] In einem optionalen weiteren Verfahrensschritt wird das Rohrsegment-Substrat 1a mit einem derart ausgestalteten Rohrgegensegment-Verschlussteil 21a verschlossen, dass das Rohrsegment-Substrat 1a und das Rohrgegensegment-Verschlussteil 21a gemeinsam die Form eines geschlossenen Rohrs bilden, wie in Fig. 7d im Querschnitt gezeigt wird. Ein hierdurch hergestelltes Endoskop 20a zeigt Fig. 13 im Querschnitt.

   Mehrere Bauteile 11b mit Linsen als mikrooptische Elemente 26b sind hintereinander auf einer gemeinsamen optischen Achse 27b in einem mit einem Rohrsegment-Verschlussteil 21a verschlossenen Rohrsegment-Substrat 1a auf einer unterbrochenen Metallschicht 3b über Lötmaterial 10c ¾ fixiert. Zur Veranschaulichung des Strahlengangs des somit hergestellten optischen Systems ist der Verlauf zweier Strahlenbündel 22a und 22b eingezeichnet.

[0038] Eine weitere mögliche Ausführungsform eines Grundteils 25e ist der Fig. 9a zu entnehmen. Auf der Oberseite eines Substrats 1b ist eine unterbrechungsfreie Metallschicht 3d aufgebracht. Die gesamte mit der Metallschicht 3d beschichtete Fläche dient als Fügegegenfläche 2b, auf die Bauteile mittels Lötung befestigt werden können.

   Die Fügegegenfläche 2b unterteilt sich in zwei unterschiedliche Bereiche, nämlich einen flächen Fügegegenflächenabschnitt 2b ¾ ¾ und einen zylindrischen Fügegegenflächenabschnitt 2b ¾, der von der kreisbogenförmigen ersten Leitkurve 5a in Richtung der ersten Zylinderflächenachse 7a aufgespannt wird. Auf dem Grundteil 25e befestigbare Bauteile zeigen die Fig. 9b, 9c und 9d. Das bereits in den vorangegangenen Figuren gezeigte Bauteil 11a, dessen Fügefläche 12a mit einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht 10c in einem Teilabschnitt beschichtet ist, siehe Fig. 9b, kann ebenso wie das in Fig. 9c gezeigte Bauteil 11d, das mit der unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht 10e beschichtet ist, im Fügegegenflächenabschnitt 2b ¾ mittels des erfindungsgemässen Lötverfahrens befestigt werden.

   Zur Winkelausrichtung um die erste Zylinderflächenachse 7a weist das Bauteil 11d seitliche Finnen, die auf dem flachen Fügegegenflächenabschnitt 2b ¾ ¾ fixiert werden, auf, so dass das Bauteil 11d nur in einem Freiheitsgrad, nämlich in Richtung der ersten Zylinderflächenachse 7a, frei positionierbar ist. In Fig. 9d ist ein Bauteil 11e mit einer Lötmaterialschicht 10f gezeigt, das im flachen Fügegegenflächenabschnitt 2b ¾ ¾ frei positioniert und befestigt werden kann.

[0039] Eine Variante des Grundteils 25e aus Fig. 9a zeigt Fig. 10a in Form eines Grundteils 25f.

   Auf der Oberseite eines Substrats 1c ist auf einer Fügegegenfläche 2c, die sich in einen flachen Fügegegenflächenabschnitt 2c ¾ ¾ und einen von einer ersten Leitkurve 5b entlang der ersten Zylinderflächenachse 7b aufgespannten Fügegegenflächenabschnitt 2c ¾ unterteilt, eine unterbrochene Lötmaterialschicht, die sich aus einer Vielzahl an Lötmaterialschicht-Elementen 3e ¾ ¾ zusammensetzt, aufgebracht. Aufgrund der Form der ersten Leitkurve 5b ergibt sich ein Steg im Fügegegenflächenabschnitt 2c ¾, der ein Verdrehen eines dort angeordneten Bauteils 11f, siehe Fig. 10b, um die erste Zylinderflächenachse 7b bei Positionieren und während des Befestigungsvorgangs verhindert.

   Die Fügefläche 12c des Bauteil 11f wird von einer der ersten Leitkurve 5b bezüglich der Form entsprechenden, jedoch kleineren zweiten Leitkurve 15b aufgespannt und ist mit einer Lötmaterialschicht 10g beschichtet. Ein auf dem flachen Fügegegenflächenabschnitt 2c ¾ ¾ mittels der Lötmaterialschicht 10f frei positionierbares Bauteil 11e zeigt Fig. 10c.

[0040] Eine weitere mögliche Ausführungsform eines Grundteils 25g mit einem auf nämlichem lötbefestigbaren Bauteil 11g zeigen die Fig. 11a und 11b. Die wellenförmige erste Leitkurve 5c spannt entlang der ersten Zylinderflächenachse 7c eine Zylinderfläche, die einen Fügegegenflächenabschnitt 2d ¾, der die gesamte Fügegegenfläche 2d des Grundteils 25g bildet, auf.

   Der Fügegegenflächenabschnitt 2d ¾ des Substrats 1d ist streifenförmig mit Metallschicht-Elementen 3f ¾ ¾ beschichtet, auf denen das Grundteil 11g, dessen von der zweiten Leitkurve 15c aufgespannte Fügefläche 12d mit einer Lötmaterialschicht 10h beschichtet ist, befestigt werden kann. Das Bauteil 11g weist zwei mikrooptische Elemente auf und ist lediglich bezüglich eines einzigen Freiheitsgrads - entlang der ersten Zylinderflächenachse 7c - auf dem Grundteil 25g frei positionierbar.

[0041] Während bei den vorangegangenen Ausführungsformen wenigstens ein Fügegegenflächenabschnitt der Fügegegenfläche des Substrats von einer zumindest teilweise nach innen gewölbten ersten Zylinderfläche gebildet wird und die Fügefläche des Bauteils eine zumindest in einem Teilabschnitt im Wesentlichen mit dem Fügegegenflächenabschnitt korrespondierende - beispielsweise 

  zylinderflächenförmige - Form aufweist, die ein Hineinragen der Fügefläche in den von dem Fügegegenflächenabschnitt aufgespannten Raum ermöglicht, zeigen die Fig. 12a, 12b und 12c eine Ausführungsform eines Grundteils 25h und eines dazugehörigen Bauteils 11h, bei denen es sich gegenteilig verhält. Die Oberseite eines Substrats 1e des Grundteils 25h, siehe Fig. 12a, weist einen ebenen und einen nach aussen gewölbten Abschnitt auf, welcher Letzterer die Form eines längs geteilten Kreiszylinders mit einer folglich von einem Halbkreisbogen 5d entlang der ersten Zylinderflächenachse 7d aufgespannten ersten Zylinderfläche hat. Die Oberfläche ist in einem Teilabschnitt mit einer Vielzahl an länglichen, parallel zueinander streifenförmig aufgebrachten Metallschicht-Elementen 3g ¾ ¾ beschichtet.

   Der gesamte beschichtete Bereich bildet somit eine Fügegegenfläche 2e, die sich wiederum in einen ebenen Fügegegenflächenabschnitt 2e ¾ ¾ und in einen nach aussen gewölbten zylindrischen Fügegegenflächenabschnitt 2e ¾ unterteilt. Das Bauteil 11h verfügt über eine mit dem zylindrischen Fügegegenflächenabschnitt 2e ¾ korrespondierende, nach innen gewölbte, ebenfalls kreiszylindrische und nämlichen halb zu umgreifen vermögende Fügefläche 12e aus Metall, die mit einer Lötmaterialschicht 10i beschichtet ist. Um die Winkelposition des Bauteils 11h um die erste Zylinderflächenachse 7d des Grundteils 25h festzulegen, besitzt das Bauteil ausserdem eine weitere flache, mit einer Lötmaterialschicht 10j beschichtete Fügefläche, die auf dem ebenen Fügegegenflächenabschnitt 2e ¾ ¾ des Grundteils 25h aufliegt.

   Ein aktives Selbstausrichten ist bei dieser Anordnung ebenfalls teilweise möglich, jedoch ist die durch das Selbstausrichten in bis zu 5 Freiheitsgraden erzielbare Positionierungsgenauigkeit geometrisch bedingt geringer als bei den vorangegangenen Ausführungsformen.

Claims (13)

1. Verfahren zur über eine Lötverbindung erfolgenden Befestigung wenigstens eines miniaturisierten, eine Fügefläche (12a, 12b, 12c, 12d) aufweisenden Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) auf einer Fügegegenfläche (2a, 2b, 2c, 2d) eines Substrats (1a, 1b, 1c, 1d), wobei - wenigstens ein Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) der Fügegegenfläche (2a, 2b, 2c, 2d) des Substrats (1a, 1b, 1c, 1d) - von einer zumindest teilweise nach innen gewölbtenn ersten Zylinderfläche (4a) mit - einer offenen, ebenen, gekrümmten ersten Leitkurve (5a, 5b, 5c), die insbesondere durch einen zumindest in einem Teilabschnitt kreisförmigen, elliptischen, hyperbolischen oder parabolischen Bogen gebildet wird, und - einer senkrecht auf der ersten Leitkurvenebene (6a) stehenden ersten Zylinderflächenachse (7a, 7b, 7c), die einen charakteristischen Punkt (8a)

der ersten Leitkurvenebene (6a) - insbesondere einen Mittelpunkt oder Schwerpunkt der ersten Leitkurve (5a, 5b, 5c) - durchstösst, gebildet wird und - mit einer unterbrechungsfreien oder unterbrochenen Metallschicht (3a, 3b, 3b ¾ ¾, 3c, 3d, 3e ¾ ¾, 3f ¾ ¾) zumindest teilweise beschichtet ist, - die Fügefläche (12a, 12b, 12c, 12d) des Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) eine zumindest in einem Teilabschnitt im Wesentlichen mit dem Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) korrespondierende - beispielsweise zylinderflächenförmige - Form aufweist, die ein Hineinragen der Fügefläche (12a, 12b, 12c, 12d) in den von dem Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) aufgespannten Raum (9a, 9b, 9c, 9d) ermöglicht, und - eine unterbrechungsfreie oder unterbrochene Lötmaterialschicht (10a, 10b, 10b ¾ ¾, 10c, 10d, 10e, 10g, 10h) auf der Fügefläche (12a, 12b,

12c, 12d) des Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) und/oder auf der Metallschicht (3a, 3b, 3b ¾ ¾, 3c, 3d, 3e ¾ ¾, 3f ¾ ¾) wenigstens des Fügegegenflächenabschnitts (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) zumindest teilweises aufgebracht ist, mit den Schritten - Anordnen des Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) mit dessen Fügefläche (12a, 12b, 12c, 12d) nahe dem Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) des Substrats (1a, 1b, 1c, 1d), so dass - die Fügefläche (12a, 12b, 12c, 12d) in den von dem Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) aufgespannten Raum (9a, 9b, 9c, 9d) hineinragt und - sich der Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) und die Fügefläche (12a, 12b, 12c, 12d) in berührungsfrei beabstandeter, einen Zwischenraum (19a, 19b, 19c, 19d) bildender Gegenüberlage befinden,

- Zuführen von elektromagnetischer Strahlung zum zumindest teilweisen Schmelzen der Lötmaterialschicht (10a, 10b, 10b ¾ ¾, 10c, 10d, 10e, 10g, 10h), so dass sich durch eine Tropfenbildung des geschmolzenen Lötmaterials (10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾) der Zwischenraum (19a, 19b, 19c, 19d) zwischen dem Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) und der Fügefläche (12a, 12b, 12c, 12d) zumindest teilweise füllt, und - Warten auf das Erstarren des geschmolzenen Lötmaterials (10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾), wobei ein Ausrichten des Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) - insbesondere mehrerer Bauteile (111a, 211a, 311a) - gegenüber der ersten Zylinderflächenachse (7a, 7b, 7c) und die gegenseitige Befestigung erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat (1a, 1b, 1c, 1d) zumindest in einem Teilbereich transparent für Laserstrahlung ist, die elektromagnetische Strahlung von einem Laserstrahlenbündel (30a) gebildet wird und das Zuführen der elektromagnetischen Strahlung lokal begrenzt durch Richten des Laserstrahlenbündels (30a) auf die von dem Bauteil (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) weggewandte Seite des Substrats (1a, 1b, 1c, 1d) derart erfolgt, dass das Laserstrahlenbündel (30a) das Substrat (1a, 1b, 1c, 1d) durchdringt und die Metallschicht (3a, 3b, 3b ¾ ¾, 3c, 3d, 3e ¾ ¾, 3f ¾ ¾) wenigstens des Fügegegenflächenabschnitts (2a ¾, 2b ¾, 2c ¾, 2d ¾) erhitzt, so dass die Lötmaterialschicht (10a, 10b, 10b ¾ ¾, 10c, 10d, 10e, 10g, 10h) zumindest teilweise schmilzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei - die Metallschicht (3a, 3c, 3d) auf dem Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾) der Fügegegenfläche (2a, 2b) des Substrats (1a, 1b) unterbrechungsfrei ausgebildet und - die Lötmaterialschicht (10a, 10b, 10b ¾ ¾) - auf der unterbrechungsfreien Metallschicht (3a, 3c, 3d) wenigstens des Fügegegenflächenabschnitts (2a ¾, 2b ¾) zumindest teilweise und - entweder unterbrochen in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Lötmaterialschicht-Elemente (10b ¾ ¾) oder - in Form einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht (10a, 10b) aufgebracht ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei - die Metallschicht (3b, 3b ¾ ¾, 3e ¾ ¾, 3f ¾ ¾) auf dem Fügegegenflächenabschnitt (2c ¾, 2d ¾) der Fügegegenfläche (2c, 2d) des Substrats (1c, 1d) unterbrochen in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Metallschichtelemente (3b ¾ ¾, 3e ¾ ¾, 3 ¾ ¾) ausgebildet und - die Lötmaterialschicht (10c, 10d, 10e, 10g, 10h) - auf der Fügefläche (12a, 12b, 12c, 12d) des Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) zumindest teilweise und - entweder unterbrochen in Form eines Musters aus einer Vielzahl beabstandeter Lötmaterialschichtelemente oder - in Form einer unterbrechungsfreien Lötmaterialschicht aufgebracht ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2d ¾) die gesamte Fügegegenflache (2a, 2d) bildet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei - das Bauteil (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) mindestens ein mikrooptisches Element (26a, 26b), welches eine optische Achse (27a, 27b) definiert, aufweist und - im Schritt des Wartens auf das Erstarren das Ausrichten des Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) derart erfolgt, dass die optische Achse (27a, 27b) und die erste Zylinderflächenachse (7a, 7b, 7c) parallel - insbesondere aufeinanderliegend - verlaufen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei - der Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾) so ausgebildet ist, dass die erste Leitkurve (5a) der ersten Zylinderfläche (4a), die den Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾, 2b ¾) bildet, im Wesentlichen kreisbogenförmig ist und - der charakteristische Punkt (8a), der von der ersten Zylinderflächenachse (7a) durchlaufen wird, von dem Kreismittelpunkt der kreisbogenförmigen ersten Leitkurve (5a) gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei - das Substrat als ein Rohrsegment-Substrat (1a) mit der Form eines längsgeteilten Rohrsegments - insbesondere einer längsgeteilten Rohrhälfte - ausgebildet ist und - der Fügegegenflächenabschnitt (2a ¾) zumindest von einem Teilabschnitt der Innenfläche des Rohrsegment-Substrats (1a) gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Rohrsegment-Substrat (1a) in einem Schritt nach dem Anordnen des Bauteils (11a, 11b, 11c) - insbesondere mehrerer Bauteile (111a, 211a, 311a) - mit einem derart ausgestalteten Rohrgegensegment-Verschlussteil (21a) verschlossen wird, dass das Rohrsegment-Substrat (1a) und das Rohrgegensegment-Verschlussteil (21a) gemeinsam die Form eines geschlossenen Rohrs - insbesondere eines Endoskops (20a) - bilden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Fügefläche des Bauteils (11a, 11b) als eine nach aussen gewölbte Zylinder-Fügefläche (12a) ausgebildet ist, die von einer zweiten Zylinderfläche (14a) mit - einer im Wesentlichen kreisbogenförmigen ebenen zweiten Leitkurve (15a) und einer senkrecht auf der zweiten Leitkurvenebene (16a) stehenden zweiten Zylinderflächenachse (17a), die den Kreismittelpunkt (18a) der kreisbogenförmigen zweiten Leitkurve (15a) auf der zweiten Leitkurvenebene (16a) durchstösst, gebildet wird, wobei im Schritt des Wartens auf das Erstarren des geschmolzenen Lötmaterials (10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾) das Ausrichten des Bauteils (11a, 11b) - insbesondere mehrerer Bauteile (111a, 211a, 311a) - gegenüber der ersten Zylinderflächenachse (7a) derart erfolgt, dass die erste Zylinderflächenachse (7a)

und die - insbesondere mit der optischen Achse (27a, 27b) des mindestens einen mikrooptischen Elements (26a, 26b) parallel oder aufeinanderliegend verlaufende - zweite Zylinderflächenachse (17a) parallel - insbesondere aufeinanderliegend - verlaufen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Fügefläche des Bauteils (11c) als eine nach aussen gewölbte Kugel-Fügefläche (12b), die von einem Abschnitt der Oberfläche eines Kugelsegments gebildet wird, ausgebildet ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei - das Anordnen des Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) mittels eines Handhabungssystems - insbesondere eines Greifers - erfolgt und - im Schritt des Wartens - das Ausrichten des Bauteils (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) - insbesondere mehrerer Bauteile (111a, 211a, 311a) - gegenüber der ersten Zylinderflächenachse (7a, 7b, 7c) zumindest teilweise durch Wirken der Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötmaterials (10a ¾, 10b ¾, 10c ¾, 10d ¾) auf das Bauteil (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) in Form einer zumindest teilweisen Selbstausrichtung erfolgt und - von dem Handhabungssystem auf das Bauteil (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) wirkende, die Selbstausrichtung behindernde Kräfte - insbesondere mittels eines nachgiebigen Greifers - im Wesentlichen ausgeglichen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ausgleichen der von dem Handhabungssystem auf das Bauteil (11a, 11b, 11c, 11d, 11f, 11g) wirkenden, die Selbstausrichtung behindernden Kräfte erfolgt, indem die Kräfte - insbesondere mittels eines Kraftsensors - erfasst werden und das Handhabungssystem - insbesondere durch kraftgeregeltes Verstellen - den Kräften nachgibt.