Laser-basiertes Löten - Fügetechnologie für den hermetischen Verschluss miniaturisierter medizintechnischer Geräte

Neuartige optische Designs und mikro-optische Komponenten, sowie stoffschlüssige Fügeverfahren erlauben die Miniaturisierung von medizintechnischen Geräten, beispielsweise für Endoskopobjektive. Das laser-basierte Solderjet Bumping erlaubt die hermetisch dichten Verschluss durch eine lokal erzeugte Lotverbindung. Diese stoffschlüssige, metallische Fügeverbindung ist eine langzeitstabile und autoklavierbare Alternative zu polymerbasierten Klebeverbindungen. Die Auswahl aus verschiedenen Lotlegierungen, von niedrigschmelzenden BiSn-Loten über bleifreie Zinnbasierte Lote bis zum biokompatiblen hochschmelzenden eutektischen AuSn-Lot, sowie die Variation der Prozessparameter erlaubt die flexible Anpassung an unterschiedliche Benetzungsverhältnisse und komplexe Fügegeometrien. Es werden miniaturisierte Endoskopobjektive vorgestellt, bei denen Saphirfenster (Durchmesser 1,2 mm) durch überlappende Platzierung von Au80Sn20-Lotkugeln (Durchmesser 100 ?m) mit Edelstahlkapillaren hermetisch dicht verlötet wurden. Leckratenuntersuchungen mit Helium weisen Leckraten besser als 10-8 mbar*l/s bis 4*10-9 mbar*l/s auf. Nach Überdruckprüfung (5 bar, Stickstoff) und vier Autoklavierzyklen (134 °C, 2,1 bar, Wasserdampf) zeigen optische Inspektion und Leckratenprüfungen keine Veränderung der Demonstratoren.

New optical designs and miniaturized optical components, as well as material-fit joining techniques allow for the downsizing of biomedical devices such as endoscopic systems. Laser-based Solderjet Bumping allows for hermetical sealing by means of localized solder joints. These material-fit, metal-based joints provide a longterm stable alternative to polymeric adhesives and permit for processing in steam autoclaves. The selection from a wide variety of solder alloys ranging from the low-melting BiSn alloy over lead-free tin-based solders to the biocompatible high-melting eutectic AuSn solder alloy, as well as the parametrization of the process allow for precise adjustment to different wetting behavior and complex shaped joining geometries. Miniaturized endoscope tips are demonstrated with windows made of saphire (diameter 1.2 mm) soldered to endoscope tips made of stainless steel by subsequent placement of eutectic AuSn solder spheres (diameter 100 ?m) using the Solderjet Bumping technique. Measurement of leakage rate with helium showed results better than 10-8 mbar*l/s to 4*10-9 mbar*l/s. Pressure test (5 bar, nitrogen) and four sterilization cycles in an autoclave (134 °C, 2.1 bar, steam) showed no detectable change during optical inspection and measurement of leakage rate.