Schnell kristallisierende Glaslote für Laserfügeanwendungen

Im Bereich der Sensorik werden Gehäuse aus Korund oder Saphir verwendet, da sie hohen mechanischen Belastungen standhalten und in extremen Umgebungen eingesetzt werden können. Zum Fügen dieser Bauteile sind Dichtungsmaterialien notwendig, die einen auf Korund oder Saphir (a = 8,4×10-6 K-1) angepassten linearen thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen und bei Einsatztemperaturen von bis zu 1100 °C eingesetzt werden können. Dafür eignen sich Glaslote, welche während des Fügeprozesses kristallisieren. Die Temperaturen, welche bei herkömmlichen Fügeverfahren notwendig sind, eigenen jedoch für die Einkapselung von temperaturempfindlichen Bauteilen nicht, da hierfür eine kurzzeitige, lokale Energieeinbringung in der Fügezone erforderlich ist. Während eines Laserfügeprozesses wird nur die Fügezone für kurze Zeit aufgeheizt und die Bauteile nicht zerstört. Verfügbare kristallisierende Glaslote verweisen nach Abschluss des Laserfügens noch einen hohen Anteil an Glasphase auf und erzielen somit nicht die gewünschten Einsatztemperaturen von 1100 °C. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit, schnell kristallisierende Glaslote betrachtet, welche den Anforderungen des Laserfügens gerecht werden. Dafür wurden Gläser aus den Systemen BaO-TiO2-SiO2 (Glassystem A), CaO-Al2O3-SiO2 (Glassystem B) und MgO-CaO-Al2O3-SiO2 (Glassystem C) ausgewählt, wobei die SiO2-Konzentration in den Systemen B und C gering gehalten wurde (≤ 20 mol%). Zur Ermittlung eines geeigneten Temperatur-Zeit-Profils für den Laserfügeprozess wurde das Sinter- und Kristallisationsverhalten mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) und Erhitzungsmikroskopie (HSM) untersucht. Im Anschluss daran erfolgten Benetzungs- und Fügeversuche mittels Laserstrahlen anhand verschiedener Korund- und Saphir-Kapillarröhrchen. Dabei zeigte sich, dass das Glassystem A nicht zum Laserfügen geeignet ist, da die Kristallisationsgeschwindigkeit der stöchiometrischen Zusammensetzung zu hoch ist und eine vollständige Verdichtung des Glaslotes nicht möglich ist. Durch die Erhöhung des SiO2-Gehalts konnte das Sinterverhalten des Glases deutlich verbessert werden. Jedoch führt diese Erhöhung zu einem Absinken des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wodurch sich die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundwerkstoffs und des Glaslotes zu stark unterscheiden und es zu Spannung im Fügeverbund kommt.