EP2432615A1 - Mounted optical component, method for the production thereof and use of same - Google Patents

Mounted optical component, method for the production thereof and use of same

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EP2432615A1
EP2432615A1 EP10721336A EP10721336A EP2432615A1 EP 2432615 A1 EP2432615 A1 EP 2432615A1 EP 10721336 A EP10721336 A EP 10721336A EP 10721336 A EP10721336 A EP 10721336A EP 2432615 A1 EP2432615 A1 EP 2432615A1
Authority
EP
European Patent Office
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optical component
socket
joining
wettable layer
solder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10721336A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Erik Beckert
Christoph Damm
Thomas Burkhardt
Marcel Hornaff
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2432615A1 publication Critical patent/EP2432615A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005—Soldering by means of radiant energy
    • B23K1/0056—Soldering by means of radiant energy soldering by means of beams, e.g. lasers, E.B.
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/47—Molded joint

Definitions

  • the invention relates to a mounted optical component and to a method for producing captured optical components. Furthermore, the invention relates to the use of captured optical components.
  • optical components are grasped or clamped by form and force fit.
  • cohesive processes mainly gluing, are used.
  • soft solder alloys are suitable.
  • soldering alloys applied as joining medium It may be necessary to produce wettable metallizations on the joining geometries of the components and the socket, eg by vapor deposition or sputtering.
  • the wettable layer can also be provided with the solder material as a thin-layer system, alternatively solder is applied as a discrete volume.
  • the remelting takes place by means of a laser, since the energy input must be discrete locally and temporally in order not to destroy sensitive optical components.
  • a remelting of the solder with classical reflow processes is impossible due to the purity requirements of the optics as well as due to the usually very different thermal expansion coefficients of component and socket, which would lead to inadmissible thermo-mechanical stresses in the global heating of the assembly to be joined.
  • the task is the joining of optical components, For example, lenses, mirrors, prisms, etc., from a usually vitreous, poorly heat-conducting material, in a socket (optomechanical component, usually made of good thermally conductive material such as metal or ceramic, for installation of the optical component in the overall system) by means of the material-locking joining process Based on "soldering".
  • optical components For example, lenses, mirrors, prisms, etc.
  • a socket optical component, usually made of good thermally conductive material such as metal or ceramic, for installation of the optical component in the overall system
  • Claim 11 relates to a method for producing a captured optical component and claim 14 to the use of captured optical components.
  • the other dependent claims show advantageous developments.
  • the mounted optical component has at least one optical component and a socket materially joined thereto, the at least one optical component and / or the socket having a wettable layer at least in the joining region, the socket tapering in the direction of the joining region and the joining medium forming the at least partially overlapping the tapered part of the socket, wherein the socket has a side facing the optical component as the front side and a side facing away from the optical component as the rear side, and wherein the optical component is in contact at least in regions with the front side of the socket.
  • the invention is based on locally reducing the thermal conductivity of the socket component at the joining location or in the joint area and at the same time allowing precise application of the solder and thus the joining medium, which leads to a material and molding conclusive connection leads. Due to the locally reduced thermal conductivity is a much lower and thus the optical component better adapted energy input necessary to ensure the wetting of the solder.
  • the socket tapers linear, continuous or stepped.
  • the joining surface located opposite the optical component and provided with a wettable metallization can be of any desired shape such as e.g. planar, cylindrical or have a freeform.
  • the angle between the normal of the joining surface and a straight line applied to the tapered region of the holder can be between ⁇ 0 ° and ⁇ 90 °. Cone geometries that have this angular range allow mechanically stable frame structures.
  • the socket of the mounted optical component has a pocket on the side facing the wettable layer into which the joining medium can at least partially penetrate.
  • the advantage of this variant is that the solder volume in the pocket, after remelting, contracts considerably more than the surrounding material due to the thermal expansion and thus generates a force on the component along the cone axis and in the direction of the socket. The optical component is thus biased, while their position remains largely unchanged laterally to the cone axis, which may be important for precision assembly.
  • the joining rich of the captured optical component has a diameter of 70 microns to 700 microns. These diameters apply to circular bases.
  • the underside of the cone terminates with an opening or joining surface, which is dimensioned so that a sufficient proportion of the solder volume is still in the region of the cone and thus forms the positive connection.
  • the "ring cutting edge" at the bottom of the cone represents the structure with the locally low thermal conductivity and the optimized wetting behavior, since little material volume of the heat conduction is available here.
  • a step-like tapered socket acts as a diaphragm spring to compensate for different thermal expansions of the socket and the optional optical component having a curved surface.
  • a cone angle of 90 ° which leads to a blind hole with a flat bottom, has to a certain extent a compliance in the sense of a diaphragm spring, which may prove advantageous if two components with greatly different thermal expansion are to be joined together.
  • the resilient action then leads to a compensation of expansion differences, e.g. can occur during operation and storage.
  • the socket of the captured optical component can be made of or contain metal, ceramic or polymer. Thus, stable versions are possible depending on the application, the size and the ambient conditions.
  • the optical component may be a lens, a mirror, a prism, a grating or an end cap.
  • the use of all conceivable optical components is also possible.
  • the wettable layer consists of at least one metal or a metal alloy or contains these.
  • the joining medium may consist of or contain metallic solder or solder.
  • solder Under solder is understood according to the invention a metal alloy, which consists of a certain ratio of metals depending on the individual case. Mainly tin, silver, copper and only exceptionally lead is used here. Usually, the melting temperature of the solder is lower than that of the individual metals or those of the workpiece.
  • Solders are by definition dustemperatur called brazes or solders due to their liquidity, said soft solders have softening temperatures below 450 0 C.
  • the softening temperature is above 450 ° C.
  • Brazing alloys are eutectic alloys, usually based on silver or brass. Another class of brazing alloys are phosphorus solders. Tin solders belong to the class of soft solders. Further constituents of soft solders are, for example, antimony, cadmium, aluminum, phosphorus, silver, bismuth, copper, nickel, tin and, exceptionally, lead.
  • the invention comprises a method for producing a captured optical component as described above, wherein in a first step, a wettable layer is applied to the at least one optical component, which is connected in a second step to the at least one socket by means of a joining medium.
  • the joining medium can be remelted in this process by means of laser radiation, wetted and cooled. Further possibilities for this are, for example, inductive methods or those with infrared radiation. Depending on the optics used and the materials used, the most suitable remelting process can be chosen. Treatment with radiation can be carried out with pinpoint accuracy, which means that very high precision can be achieved.
  • the wettable layer is produced by means of chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) by vapor deposition and / or sputtering or by electroplating.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • electroplating gold-terminated wettable coating systems.
  • the invention includes the use for mounting of captured optical components in High-performance laser optics, in short-wavelength optics, in particular in the ultraviolet, EUV or X-ray range, in space optics, in optoelectronic constructions, in laser systems, in spectroscopes, in optics for medical technology, which may be autoclavable.
  • FIG. 1 shows a mounted optical component with a wide joint area.
  • FIG. 2 shows a mounted optical component with a narrow joint area.
  • FIG. 3 shows a mounted blind-bore optical component.
  • FIG. 4 shows a mounted optical component with pocket.
  • FIG. 1 shows a mounted optical component 1.
  • version 2 borders on the tallized layer 4 of the optical component 3 directly.
  • the joining region 6 is circular in this figure.
  • the solder 5 wets both the joining region 6 and the joining surface 9 as well as the cylinder inner side 10 of the holder 2.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the combined optical component 1.
  • the radius of the joining region 6 in relation to the cylinder inner side 10, which is wetted with solder 5, is significantly smaller than in the variant illustrated in FIG.
  • the optical component 3, which is in cuboid form, is provided with a wettable layer 4 on its side facing the holder 2.
  • the solder or joining medium 5 has a rivet-like shape, wherein it wets the holder 2 in the region of the joining surface 9, the cylinder inner side 10 and the joining region 6.
  • FIG. 3 illustrates a mounted optical component 1, in which case the socket 2 has a blind hole.
  • the optical component 3 has a curved surface which is provided with a wettable layer 4, which covers the surface of the optical component 3 in sections.
  • the solder 5 wets both the wettable layer 4 in the joint area 6 and the cylinder inner side 10 of the socket 2 and the joining surface 9 of the socket. 2
  • FIG. 4 shows an embodiment of the mounted optical component 1, with the mount 2 additionally having a pocket 8.
  • the optical component 3 is completely and evenly coated with a wettable layer 4 on the side facing the holder 2. coated.
  • the solder 5 wets both the joint area 6 and the cylinder inner side 10 of the socket 2 and the joining surface.

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Abstract

The invention relates to a mounted optical component and to a method for producing mounted optical components. The invention also relates to the use of mounted optical components.

Description

Gefasste optische Komponente, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung Scanned optical component, process for their preparation and their use
Die Erfindung betrifft eine gefasste optische Kompo- nente sowie ein Verfahren zur Herstellung von gefass- ten optischen Komponenten. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung von gefassten optischen Komponenten.The invention relates to a mounted optical component and to a method for producing captured optical components. Furthermore, the invention relates to the use of captured optical components.
Klassisch werden optische Komponenten durch Form- und Kraftschluss gefasst bzw. geklemmt. Alternativ und besonders interessant für kleine oder sehr empfindliche Komponenten kommen Stoffschlüssige Verfahren, vorwiegend Kleben, zum Einsatz. Wenn polymerbasierte Klebstoffe aufgrund besonderer Einsatzbedingungen durch anorganische Fügemedien ersetzt werden müssen, bieten sich Weichlotlegierungen an.Classically, optical components are grasped or clamped by form and force fit. Alternatively and particularly interesting for small or very sensitive components cohesive processes, mainly gluing, are used. If polymer-based adhesives have to be replaced by inorganic compounding media due to special conditions of use, soft solder alloys are suitable.
Damit Weichlotlegierungen als Fügemedium appliziert werden können, ist es erforderlich, auf den Fügegeometrien der Komponenten und der Fassung benetzungsfä- hige Metallisierungen, z.B. durch Bedampfen oder Besputtern, zu erzeugen. Die benetzungsfähige Schicht kann zugleich mit dem Lotwerkstoff als Dünnschichtsystem versehen werden, alternativ wird Lot als diskretes Volumen appliziert. Das Umschmelzen erfolgt mittels Laser, da der Energieeintrag örtlich und zeitlich diskret erfolgen muss, um empfindliche opti- sehe Komponenten nicht zu zerstören. Ein Umschmelzen des Lotes mit klassischen Reflowprozessen verbietet sich aufgrund der Reinheitsanforderungen der Optik wie auch aufgrund der meist stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Komponente und Fassung, die zu unzulässigen thermomechanischen Spannungen beim globalen Aufheizen der zu fügenden Baugruppe führen würden.So that soldering alloys applied as joining medium It may be necessary to produce wettable metallizations on the joining geometries of the components and the socket, eg by vapor deposition or sputtering. The wettable layer can also be provided with the solder material as a thin-layer system, alternatively solder is applied as a discrete volume. The remelting takes place by means of a laser, since the energy input must be discrete locally and temporally in order not to destroy sensitive optical components. A remelting of the solder with classical reflow processes is impossible due to the purity requirements of the optics as well as due to the usually very different thermal expansion coefficients of component and socket, which would lead to inadmissible thermo-mechanical stresses in the global heating of the assembly to be joined.
Als kritisch für den Laserlötprozess hat sich in der Vergangenheit die stark unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der beiden zu fügenden Partner Optikkomponente und Fassung erwiesen. Durch den starken Temperaturgradienten im Fassungswerkstoff, der in der Regel eine hohe bis sehr hohe thermische Leitfähigkeit be- sitzt, muss im Allgemeinen mit großen Laserleistungen gearbeitet werden, um ein lokales Aufwärmen und damit eine Benetzung zu ermöglichen. Dies steht im Widerspruch zur Forderung, die Laserleistung so gering wie möglich zu halten, um die schlecht wärmeleitende, op- tische Komponente nicht zu schädigen. Entsprechend sind Fügestellen von Optiken mit Fassungen aus Metall oder Keramik unter Ausnutzung von Lot als Fügemedium und dem Laser als Energiequelle zum Umschmelzen bisher sehr schwierig zu beherrschen.Critical to the laser soldering process has proven in the past, the very different thermal conductivity of the two partners to be mated optical component and socket. Due to the high temperature gradient in the frame material, which as a rule has a high to very high thermal conductivity, it is generally necessary to work with large laser powers in order to allow a local warm-up and thus a wetting. This contradicts the requirement to keep the laser power as low as possible in order not to damage the poorly heat-conducting, optical component. Accordingly, joints of optics with frames made of metal or ceramic using solder as a joining medium and the laser as an energy source for remelting are so far very difficult to control.
Der Aufgabe liegt das Fügen optischer Komponenten, z.B. Linsen, Spiegel, Prismen etc., aus einem in der Regel glasartigen, schlecht wärmeleitenden Werkstoff, in einer Fassung (optomechanische Komponente, meist aus gut wärmeleitendem Werkstoff wie Metall oder Ke- ramik, zum Einbau der Optikkomponente im Gesamtsystem) mittels des stoffschlüssigen Fügeverfahrens „Löten" zugrunde.The task is the joining of optical components, For example, lenses, mirrors, prisms, etc., from a usually vitreous, poorly heat-conducting material, in a socket (optomechanical component, usually made of good thermally conductive material such as metal or ceramic, for installation of the optical component in the overall system) by means of the material-locking joining process Based on "soldering".
Diese Aufgabe wird durch die gefasste optische Kompo- nente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 11 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer gefassten optischen Komponente und Anspruch 14 auf die Verwendung von gefassten optischen Komponenten. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.This object is achieved by the combined optical component with the features of claim 1. Claim 11 relates to a method for producing a captured optical component and claim 14 to the use of captured optical components. The other dependent claims show advantageous developments.
Erfindungsgemäß weist die gefasste optische Komponente mindestens eine optische Komponente und eine hiermit stoffschlüssig gefügte Fassung auf, wobei die mindestens eine optische Komponente und/oder die Fassung zumindest im Fügebereich eine benetzbare Schicht aufweist, die Fassung sich in Richtung des Fügebereichs verjüngt und das Fügemedium den sich verjüngenden Teil der Fassung zumindest bereichsweise über- läppt, wobei die Fassung eine der optischen Komponente zugewandte Seite als Vorderseite und eine von der optischen Komponente abgewandte Seite als Rückseite aufweist und wobei die optische Komponente mit der Vorderseite der Fassung zumindest bereichsweise in Kontakt steht.According to the invention, the mounted optical component has at least one optical component and a socket materially joined thereto, the at least one optical component and / or the socket having a wettable layer at least in the joining region, the socket tapering in the direction of the joining region and the joining medium forming the at least partially overlapping the tapered part of the socket, wherein the socket has a side facing the optical component as the front side and a side facing away from the optical component as the rear side, and wherein the optical component is in contact at least in regions with the front side of the socket.
Der Erfindung liegt zugrunde, die thermische Leitfähigkeit der Fassungskomponente am Fügeort bzw. im Fügebereich lokal zu verringern und gleichzeitig eine genaue Applizierung des Lotes und somit dem Fügemediums zu ermöglichen, welches zu einer stoff- und form- schlüssigen Verbindung führt. Durch die lokal verringerte thermische Leitfähigkeit ist ein wesentlich geringerer und damit der optischen Komponente besser angepasster Energieeintrag notwendig, um das Benetzen des Lotes zu gewährleisten.The invention is based on locally reducing the thermal conductivity of the socket component at the joining location or in the joint area and at the same time allowing precise application of the solder and thus the joining medium, which leads to a material and molding conclusive connection leads. Due to the locally reduced thermal conductivity is a much lower and thus the optical component better adapted energy input necessary to ensure the wetting of the solder.
Bevorzugt verjüngt sich die Fassung linear, stetig oder stufenförmig. Die an der optischen Komponente befindliche, gegenüberliegende und mit einer benet- zungsfähigen Metallisierung versehene Fügefläche kann beliebige Formen wie z.B. planar, zylindrisch oder eine Freiform besitzen.Preferably, the socket tapers linear, continuous or stepped. The joining surface located opposite the optical component and provided with a wettable metallization can be of any desired shape such as e.g. planar, cylindrical or have a freeform.
Der Winkel zwischen der Normalen der Fügefläche und einer an den sich verjüngenden Bereich der Fassung angelegten Geraden kann zwischen ≥ 0° und ≤ 90° liegen. Kegelgeometrien, die diesen Winkelbereich aufweisen, erlauben dabei mechanisch stabile Fassungs- strukturen.The angle between the normal of the joining surface and a straight line applied to the tapered region of the holder can be between ≥ 0 ° and ≦ 90 °. Cone geometries that have this angular range allow mechanically stable frame structures.
Bevorzugt weist die Fassung der gefassten optischen Komponente auf der der benetzbaren Schicht zugewandten Seite eine Tasche auf, in die das Fügemedium zumindest teilweise eindringen kann. Vorteilhaft an dieser Variante ist, dass sich das in der Tasche befindliche Lotvolumen nach dem Umschmelzen aufgrund der thermischen Dehnung wesentlich stärker zusammenzieht als das umgebende Material und somit eine Kraft auf die Komponente entlang der Kegelachse und in Richtung der Fassung hin erzeugt. Die optische Komponente wird somit vorgespannt, gleichzeitig bleibt deren Lage lateral zur Kegelachse weitestgehend unverändert, was für die Präzisionsmontage wichtig sein kann.Preferably, the socket of the mounted optical component has a pocket on the side facing the wettable layer into which the joining medium can at least partially penetrate. The advantage of this variant is that the solder volume in the pocket, after remelting, contracts considerably more than the surrounding material due to the thermal expansion and thus generates a force on the component along the cone axis and in the direction of the socket. The optical component is thus biased, while their position remains largely unchanged laterally to the cone axis, which may be important for precision assembly.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Fügebe- reich der gefassten optischen Komponente einen Durchmesser von 70 μm bis 700 μm auf. Diese Durchmesser gelten für kreisförmige Grundflächen. In dieser Variante schließt die Unterseite des Kegels mit einer Öffnung bzw. Fügefläche ab, die so dimensioniert ist, dass ein ausreichender Anteil des Lotvolumens sich noch im Bereich des Kegels befindet und somit den Formschluss bildet. Gleichzeitig stellt die „Ringschneide" am Grund des Kegels die Struktur mit der lokal geringen thermischen Leitfähigkeit und dem optimierten Benetzungsverhalten dar, da hier wenig Materialvolumen der Wärmeleitung zur Verfügung steht.In a further embodiment, the joining rich of the captured optical component has a diameter of 70 microns to 700 microns. These diameters apply to circular bases. In this variant, the underside of the cone terminates with an opening or joining surface, which is dimensioned so that a sufficient proportion of the solder volume is still in the region of the cone and thus forms the positive connection. At the same time, the "ring cutting edge" at the bottom of the cone represents the structure with the locally low thermal conductivity and the optimized wetting behavior, since little material volume of the heat conduction is available here.
In einer Ausführungsform der gefassten optischen Kom- ponente wirkt eine stufenförmig verjüngte Fassung als Membranfeder zur Kompensation von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen von der Fassung und der, gegebenenfalls eine gewölbte Oberfläche aufweisenden, optischen Komponente. Ein Kegelwinkel von 90°, der zu einer Sackbohrung mit ebenem Grund führt, weist in einem bestimmten Maße eine Nachgiebigkeit im Sinne einer Membranfeder auf, die sich als vorteilhaft erweisen kann, wenn zwei Komponenten mit stark unterschiedlicher thermischer Ausdehnung miteinander ge- fügt werden sollen. Die federnde Wirkung führt dann zu einer Kompensation von Ausdehnungsunterschieden, die z.B. bei Betrieb und Lagerung auftreten können.In one embodiment of the captured optical component, a step-like tapered socket acts as a diaphragm spring to compensate for different thermal expansions of the socket and the optional optical component having a curved surface. A cone angle of 90 °, which leads to a blind hole with a flat bottom, has to a certain extent a compliance in the sense of a diaphragm spring, which may prove advantageous if two components with greatly different thermal expansion are to be joined together. The resilient action then leads to a compensation of expansion differences, e.g. can occur during operation and storage.
Die Fassung der gefassten optischen Komponente kann aus Metall, Keramik oder Polymer bestehen oder dieses enthalten. Somit sind in Abhängigkeit vom Einsatzbereich, der Größe sowie der Umgebungsbedingungen stabile Fassungen ermöglicht.The socket of the captured optical component can be made of or contain metal, ceramic or polymer. Thus, stable versions are possible depending on the application, the size and the ambient conditions.
Die optische Komponente kann eine Linse, ein Spiegel, ein Prisma, ein Gitter oder eine Endkappe sein. Hier ist auch der Einsatz von sämtlichen denkbaren optischen Komponenten möglich.The optical component may be a lens, a mirror, a prism, a grating or an end cap. Here The use of all conceivable optical components is also possible.
Bevorzugt besteht die benetzbare Schicht aus mindes- tens einem Metall oder einer Metall-Legierung oder enthält diese. Das Fügemedium kann aus metallischem Lot oder Weichlot bestehen oder dieses enthalten.Preferably, the wettable layer consists of at least one metal or a metal alloy or contains these. The joining medium may consist of or contain metallic solder or solder.
Dies führt zu einer verbesserten Benetzung metalli- scher Fassungsgeometrien beim Fügeverfahren Löten bei gleichzeitig minimiertem Energieeintrag zum Umschmel- zen des Lotes. Daraus resultieren minimierte thermo- mechanische Belastungen empfindlicher optischer Komponenten, höhere Festigkeit der Verbindung aufgrund besserer Benetzung des Lotes und hohe Genauigkeiten aufgrund lediglich in Kegelachse wirkender Fügekräfte.This leads to an improved wetting of metallic frame geometries during the joining process soldering with simultaneously minimized energy input for remelting the solder. This results in minimized thermo-mechanical loads on sensitive optical components, higher strength of the connection due to better wetting of the solder and high accuracies due to joining forces acting only in the cone axis.
Unter Lot wird erfindungsgemäß eine Metall-Legierung verstanden, die je nach Einzelfall aus einem bestimmten Mengenverhältnis von Metallen besteht. Hauptsächlich wird hier Zinn, Silber, Kupfer und nur noch ausnahmsweise Blei eingesetzt. Üblicherweise ist die Schmelztemperatur des Lotes niedriger als die der einzelnen Metalle bzw. die des Werkstücks.Under solder is understood according to the invention a metal alloy, which consists of a certain ratio of metals depending on the individual case. Mainly tin, silver, copper and only exceptionally lead is used here. Usually, the melting temperature of the solder is lower than that of the individual metals or those of the workpiece.
Lote werden definitionsgemäß aufgrund ihrer Liqui- dustemperatur als Hartlote oder Weichlote bezeichnet, wobei Weichlote Erweichungstemperaturen unterhalb von 4500C aufweisen. Für Hartlote liegt die Erweichungstemperatur über 4500C.Solders are by definition dustemperatur called brazes or solders due to their liquidity, said soft solders have softening temperatures below 450 0 C. For brazing alloys, the softening temperature is above 450 ° C.
Als Hartlote werden eutektische Legierungen, meist auf Silber- oder Messing-Basis bezeichnet. Eine wei- ter Klasse von Hartloten sind Phosphorlote. Zinnlote gehören in die Klasse der Weichlote. Weitere Bestandteile von Weichloten sind z.B. Antimon, Cadmi- ura, Aluminium, Phosphor, Silber, Bismut, Kupfer, Nickel, Zinn und nur noch ausnahmsweise Blei.Brazing alloys are eutectic alloys, usually based on silver or brass. Another class of brazing alloys are phosphorus solders. Tin solders belong to the class of soft solders. Further constituents of soft solders are, for example, antimony, cadmium, aluminum, phosphorus, silver, bismuth, copper, nickel, tin and, exceptionally, lead.
Generell können erfindungsgemäß alle Weichlotlegierungen eingesetzt werden.In general, all soft solder alloys can be used according to the invention.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer gefassten optischen Komponente, wie vorstehend beschrieben, wobei in einem ersten Schritt eine benetzbare Schicht auf die mindestens eine optische Komponente aufgebracht wird, die in einem zweiten Schritt mit der mindestens einen Fassung mittels eines Fügemediums verbunden wird.Furthermore, the invention comprises a method for producing a captured optical component as described above, wherein in a first step, a wettable layer is applied to the at least one optical component, which is connected in a second step to the at least one socket by means of a joining medium.
Das Fügemedium kann in diesem Verfahren mittels Laser-Strahlung umgeschmolzen werden, benetzt und erkaltet. Weitere Möglichkeiten hierfür sind beispiels- weise induktive Verfahren oder solche mit Infrarot- Strahlung. In Abhängigkeit von der eingesetzten Optik und den Materialien kann somit das am besten geeignete Umschmelzverfahren gewählt werden. Eine Behandlung mit Strahlung kann hierbei punktgenau erfolgen, wo- durch eine sehr hohe Präzision erreichbar ist.The joining medium can be remelted in this process by means of laser radiation, wetted and cooled. Further possibilities for this are, for example, inductive methods or those with infrared radiation. Depending on the optics used and the materials used, the most suitable remelting process can be chosen. Treatment with radiation can be carried out with pinpoint accuracy, which means that very high precision can be achieved.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird die benetzbare Schicht mittels chemischer Gasphasenab- scheidung (CVD) , physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) durch Bedampfen und/oder Besputtern oder mittels Galvanisieren erzeugt. Vorteilhaft für die flussmittelfreie Prozessierung während des Lötens sind mit Gold endende benetzbare Schichtsysteme.In a preferred variant of the method, the wettable layer is produced by means of chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) by vapor deposition and / or sputtering or by electroplating. Advantageous for fluxless processing during soldering are gold-terminated wettable coating systems.
Weiterhin umfasst die Erfindung die Verwendung zur Anbringung von gefassten optischen Komponenten in Hochleistungs-Laseroptiken, in Optiken für kurze Wellenlängen, insbesondere im Ultraviolett-, EUV- oder Röntgen-Bereich, in Weltraumoptiken, in optoelektronischen Aufbauten, in Lasersystemen, in Spektrosko- pen, in Optiken für die Medizintechnik, die gegebenenfalls autoklavierbar sind.Furthermore, the invention includes the use for mounting of captured optical components in High-performance laser optics, in short-wavelength optics, in particular in the ultraviolet, EUV or X-ray range, in space optics, in optoelectronic constructions, in laser systems, in spectroscopes, in optics for medical technology, which may be autoclavable.
Somit ist eine Einsatzbereich und eine Montage von makroskopischen und auch miniaturisierten optischen Komponenten in (vorwiegend metallischen, aber auch keramischen) Fassungen möglich, insbesondere dann, wenn metallische Lote als stoffschlüssiges Fügemedium Anwendungsvorteile hinsichtlich Temperatur- und Strahlungsstabilität, geringes Ausgasen im Vakuum, Tieftemperaturtauglichkeit sowie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit besitzen.Thus, a field of application and assembly of macroscopic and also miniaturized optical components in (mainly metallic, but also ceramic) versions is possible, especially when metallic solders as cohesive joining medium application advantages in terms of temperature and radiation stability, low outgassing in vacuum, low temperature capability and electrical and have thermal conductivity.
Anhand der nachfolgenden Figuren 1 bis 4 soll der anmeldungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.With reference to the following figures 1 to 4 of the application according to the object will be explained in more detail, without wishing to limit this to the specific embodiments shown here.
Figur 1 zeigt eine gefasste optische Komponente mit breitem Fügebereich.FIG. 1 shows a mounted optical component with a wide joint area.
Figur 2 zeigt eine gefasste optische Komponente mit schmalem Fügebereich.FIG. 2 shows a mounted optical component with a narrow joint area.
Figur 3 zeigt eine gefasste optische Komponente mit Sackbohrung .FIG. 3 shows a mounted blind-bore optical component.
Figur 4 zeigt eine gefasste optische Komponente mit Tasche.FIG. 4 shows a mounted optical component with pocket.
In Figur 1 ist eine gefasste optische Komponente 1 dargestellt. Hierbei grenzt die Fassung 2 an die me- tallisierte Schicht 4 der optischen Komponente 3 direkt an. Der Fügebereich 6 ist in dieser Figur kreisförmig. Das Lot 5 benetzt sowohl den Fügebereich 6 als auch die Fügefläche 9 sowie die Zylinderinnensei- te 10 der Fassung 2. Der Kegelwinkel, der sich zwischen- der Kegelachse 7 und einer Geraden 11, die an die Fassung 2 angelegt ist, ergibt, liegt im Bereich von > 0 ° .FIG. 1 shows a mounted optical component 1. In this case, version 2 borders on the tallized layer 4 of the optical component 3 directly. The joining region 6 is circular in this figure. The solder 5 wets both the joining region 6 and the joining surface 9 as well as the cylinder inner side 10 of the holder 2. The cone angle, which results between the cone axis 7 and a straight line 11 which is applied to the holder 2, lies in FIG Range of> 0 °.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der ge- fassten optischen Komponente 1. Hier ist der Radius des Fügebereichs 6 im Verhältnis zur Zylinderinnenseite 10, die mit Lot 5 benetzt ist, deutlich kleiner als in der in Figur 1 dargestellten Variante. Die op- tische Komponente 3, die in Quaderform vorliegt, ist auf Ihrer der Fassung 2 zu weisenden Seite mit einer benetzbaren Schicht 4 versehen. Das Lot bzw. Fügemedium 5 weist eine nietenartige Form auf, wobei es die Fassung 2 im Bereich der Fügefläche 9, der Zylinde- rinnenseite 10 sowie dem Fügebereich 6 benetzt.FIG. 2 shows a further embodiment of the combined optical component 1. Here, the radius of the joining region 6 in relation to the cylinder inner side 10, which is wetted with solder 5, is significantly smaller than in the variant illustrated in FIG. The optical component 3, which is in cuboid form, is provided with a wettable layer 4 on its side facing the holder 2. The solder or joining medium 5 has a rivet-like shape, wherein it wets the holder 2 in the region of the joining surface 9, the cylinder inner side 10 and the joining region 6.
In Figur 3 ist eine gefasste optische Komponente 1 abgebildet, wobei hier die Fassung 2 eine Sackbohrung aufweist. Die optische Komponente 3 besitzt eine ge- wölbte Oberfläche, die mit einer benetzbaren Schicht 4 versehen ist, die die Oberfläche der optischen Komponente 3 abschnittsweise bedeckt. Das Lot 5 benetzt sowohl die benetzbare Schicht 4 im Fügebereich 6 als auch die Zylinderinnenseite 10 der Fassung 2 und die Fügefläche 9 der Fassung 2.FIG. 3 illustrates a mounted optical component 1, in which case the socket 2 has a blind hole. The optical component 3 has a curved surface which is provided with a wettable layer 4, which covers the surface of the optical component 3 in sections. The solder 5 wets both the wettable layer 4 in the joint area 6 and the cylinder inner side 10 of the socket 2 and the joining surface 9 of the socket. 2
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform der gefassten optischen Komponente 1, wobei die Fassung 2 zusätzlich eine Tasche 8 aufweist. Die optische Komponente 3 ist mit einer benetzbaren Schicht 4 auf der der Fassung 2 zugewandten Seite vollständig und gleichmäßig be- schichtet. Das Lot 5 benetzt sowohl den Fügebereich 6 als auch die Zylinderinnenseite 10 der Fassung 2 und die Fügefläche 9. FIG. 4 shows an embodiment of the mounted optical component 1, with the mount 2 additionally having a pocket 8. The optical component 3 is completely and evenly coated with a wettable layer 4 on the side facing the holder 2. coated. The solder 5 wets both the joint area 6 and the cylinder inner side 10 of the socket 2 and the joining surface. 9

Claims

Patentansprüche claims
1. Gefasste optische Komponente (1) mit mindestens einer optischen Komponente (3) und einer hiermit stoffschlüssig gefügten Fassung (2) , wobei die mindestens eine optische Komponente (3) und/oder die Fassung (2) zumindest im Fügebereich (6) eine benetzbare Schicht (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fassung (2) in Richtung des Fügebereichs (6) verjüngt und das Fügemedium (5) den sich verjüngenden1. A mounted optical component (1) having at least one optical component (3) and a socket (2) joined thereto, wherein the at least one optical component (3) and / or the socket (2) at least in the joining region (6) Wettable layer (4), characterized in that the socket (2) tapers in the direction of the joining region (6) and the joining medium (5) tapers
Teil der Fassung (2) zumindest bereichsweise überlappt, wobei die Fassung (2) eine der optischen Komponente (3) zugewandte Seite als Vorderseite und eine von der optischen Komponente (3) abgewandte Seite als Rückseite aufweist und wobei die optische Komponente (3) mit der Vorderseite der Fassung (2) zumindest bereichsweise in Kontakt steht.Part of the socket (2) at least partially overlapping, wherein the socket (2) one of the optical component (3) facing side as the front and one of the optical component (3) facing away from the rear side and wherein the optical component (3) the front of the socket (2) at least partially in contact.
2. Gefasste optische Komponente (1) gemäß Anspruch2. Scanned optical component (1) according to claim
1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fassung (2) linear, stetig oder stufenförmig verjüngt.1, characterized in that the socket (2) tapers linear, continuous or stepped.
3. Gefasste optische Komponente (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Normalen (7) der Fügefläche (9) und einer an den sich verjüngenden Bereich der Fassung (2) angelegten Geraden > 0° und ≤ 90° liegt .3. A confined optical component (1) according to claim 2, characterized in that the angle between the normal (7) of the joining surface (9) and applied to the tapered portion of the socket (2) straight lines> 0 ° and ≤ 90 ° lies .
4. Gefasste optische Komponente (1) gemäß einem der4. Scanned optical component (1) according to one of
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (2) auf der der benetzbaren Schicht (4) zugewandten Seite eine Tasche (8) aufweist, in die das Fügemedium (5) zumindest teilweise eindringen kann.Claims 1 to 3, characterized in that the socket (2) on the wettable layer (4) side facing a pocket (8) into which the joining medium (5) can at least partially penetrate.
5. Gefasste optische Komponente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügebereich (6) einen Durchmesser von 70 μm bis 700 μm aufweist.5. Gefasste optical component (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the joining region (6) has a diameter of 70 microns to 700 microns.
6. Gefasste optische Komponente (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine stufenförmig verjüngte Fassung (2) als Membranfeder zur Kompensation von unterschiedlichen Wärmeausdehnun- gen von der Fassung (2) und der, gegebenenfalls eine gewölbte Oberfläche aufweisenden, optischen Komponente (3) wirkt.6. Sculpted optical component (1) according to any one of claims 2 to 5, characterized in that a step-shaped tapered socket (2) as a diaphragm spring to compensate for different thermal expansions of the socket (2) and, optionally having a curved surface , optical component (3) acts.
7. Gefasste optische Komponente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (2) aus Metall, Keramik oder Polymer besteht oder dieses enthält.7. Sculpted optical component (1) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the socket (2) made of metal, ceramic or polymer or contains this.
8. Gefasste optische Komponente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (3) eine Linse, Spiegel, Prisma, Gitter oder Endkappe ist.8. A confocal optical component (1) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the optical component (3) comprises a lens, mirror, prism, grating or end cap.
9. Gefasste optische Komponente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die benetzbare Schicht (4) aus mindestens einem Metall oder einer Metall-Legierung besteht oder diese enthält.9. A confined optical component (1) according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the wettable layer (4) consists of at least one metal or a metal alloy or contains.
10. Gefasste optische Komponente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Fügemedium (5) aus metallischem Lot oder Weichlot besteht oder dieses enthält.10. Gefasste optical component (1) according to any one of claims 1 to 9, characterized in that joining medium (5) consists of metallic solder or solder or contains this.
11. Verfahren zur Herstellung einer gefassten optischen Komponente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in einem ersten Schritt eine benetzbare Schicht (4) auf die mindestens eine optische Komponente (3) aufgebracht wird, die in einem zweiten Schritt mit der mindestens einen11. A method for producing a mounted optical component (1) according to any one of claims 1 to 10, wherein in a first step, a wettable layer (4) is applied to the at least one optical component (3) in a second step with the at least one
Fassung (2) mittels eines Fügemediums (5) verbunden wird.Socket (2) by means of a joining medium (5) is connected.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügemedium (5) mittels Laser-Strahlung umgeschmolzen wird, benetzt und erkaltet.12. The method according to claim 11, characterized in that the joining medium (5) is remelted by means of laser radiation, wetted and cooled.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die benetzbare13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that the wettable
Schicht (4) mittels chemischer Gasphasenabschei- dung (CVD) , physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) durch Bedampfen und/oder Besputtern oder mittels Galvanisieren erzeugt wird.Layer (4) by means of chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) by vapor deposition and / or sputtering or is produced by electroplating.
14. Verwendung von gefassten optischen Komponenten (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur An- bringung von gefassten optischen Komponenten (1) in Hochleistungs-Laseroptiken, in Optiken für kurze Wellenlängen, im Ultraviolett-, EUV- oder Röntgen-Bereich, in Weltraumoptiken, in optoe- lektonischen Aufbauten, in Lasersystemen, in Spektroskopen, in Optiken für die Medizintechnik. 14. The use of captured optical components (1) according to one of claims 1 to 10 for mounting captured optical components (1) in high-power laser optics, in short-wavelength optics, in the ultraviolet, EUV or X-ray range, in space optics, in optoelectronic constructions, in laser systems, in spectroscopes, in optics for medical technology.
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