Mikrosysteme, LTCC und HTCC

Gruppe

Applikation - Optisches Packaging

Thema

Finales laser-optisches LTCC-Package mit hybrider Kühlung (AlN-Substrat auf LTCC-Kühlstruktur), umlaufender LTCC-Rahmen, Fluidanschlüsse über Messinganschluss und lötbaren äußeren Kontakten

Simulation der Laserdiode durch einen Dickschichtheizer, Messung der Temperatur in Abhängigkeit der Verlustleistung; Kühlung auf 30° C bei 12 W Verlustleistung der Laserdiode (grüner Pfeil)

Funktionstest des laseroptischen Packages nach der Justage der optischen Elemente

Multifunktionale laseroptische LTCC-Baugruppe hoher Zuverlässigkeit:

 

Laser sind seit etwa 50 Jahren etablierte und noch immer hoch innovative kohärente Quellen pho-tonischer Energie und finden Anwendungen in vielen Bereichen der Produktion, Sensorik und Kommunikation. Neben immer höheren Leistungen und kürzeren Pulsen steht als weiterer Trend der Laserentwicklung deren Miniaturisierung und Integration in komplexere Systeme im Vordergrund. Beispiele hierfür aus dem aktuellen Stand der Kommerzialisierung sind laserbasierte Projektoren für z.B. Automobilscheinwerfer, LIDAR-Systeme zum lokalen 3D-Scannen von z.B. Fahrzeugumgebungen oder Laserquellen unterschiedlichster Wellenlängen und Leistungsklassen für die Bioanalytik.

Multifunktionale Systemplattformen, basierend auf mehrlagigen keramischen Substraten, sind bereits etabliert in der Elektronikfertigung für hybride, zuverlässige und an besondere Einsatzbedingungen angepasste Elektronikbaugruppen und können auch laseroptische Baugruppen im kleinen und mittleren Leistungsbereich adressieren. Grund hierfür sind die exzellenten mechanischen und damit für die Zuverlässigkeit wichtigen Eigenschaften der verwendeten Keramikwerkstoffe, sowie die Möglichkeiten der 3D-Strukturierung und Integration von elektrischen Verdrahtungen sowie passiven elektrischen Bauelementen in den keramischen Plattformen. Deren Fertigung im Nutzen erlaubt darüber hinaus die parallele und damit kosteneffektive Prozessierung sowohl während der Plattformfertigung als auch während der hybriden Integration weiterer Komponenten.

Entwicklungsergebnis der Zusammenarbeit der Fraunhofer Institute IKTS und IOF ist daher eine beispielhafte multifunktionale laseroptische Baugruppe hoher Zuverlässigkeit. Die Verwendung einer 3D-strukturierten und lokal gut wärmeleitenden keramischen Plattform mit integrierter Wasserkühlung erlaubt die hybride Integration einer Laserdiode mittlerer Leistung (8 W optisch, ca. 12 W elektrisch) sowie eines SMD-Temperatursensors in der Nähe der Laserdiode zum Aufbau einer geschlossenen Regelschleife zur aktiven Kühlung der Laserdiode. Darüber hinaus enthält die keramische Plattform mechanische Strukturen zur Montage der Strahlformungsoptik für die Faserkopplung der Laserdiode sowie zur hermetischen Hausung der gesamten Laserbaugruppe.  

Im internen Vorlaufprojekt konnte die Eignung der Technologie zur Systemintegration laseroptischer Baugruppen in LTCC erfolgreich demonstriert werden. Damit lassen sich in Zukunft die adressierten Zielmärkte Lasermaterialbearbeitung und Sensorik bedienen sowie die potentiell neuen Märkte für strukturierte Laserbeleuchtungen sowie für Laserquellen für neue Verfahren der Kommunikationstechnik öffnen.

 

Technische Daten:

 

  • Größe LTCC-Packaging: 30x 17.5 x 2 mm³
  • Größe Kühlstruktur: 11.6 x 11.6 mm²
  • Herstellung auf 4“ LTCC-Basis (8 Gehäuse möglich)
  • Gesamtleistung Laserdiode: 20 W
  • Optische Leistung Laserdiode: 8 W
  • Verlustleistung Laserdiode: 12 W
  • Thermischer Widerstand der miniaturisierten aktiven Kühlung:  0.75 K/W @ 23 °C der Kühlflüssigkeit

 

Leistungsangebot:

 

  • Kundenberatung bzgl. der Herstellungsmöglichkeiten in LTCC
  • Gehäusedesign nach Kundenwunsch
  • Ausarbeitung und Qualifizierung von Herstellungsprozessen
  • Musterherstellung
  • Technologietransfer