Kurzpuls-Laserprozesse dienen vor allem nicht-schmelzender Materialbearbeitung und für dieses Anwendungsfeld entstehen interessante neue Applikationen. Ob Hartglas-Herstellung, Photovoltaik-Dünnschichtstrukturierung oder Elektrodenstrukturierung bei Lithiumionen-Akkus: nahezu jede fortschrittliche Technologie bedient sich der Ultrakurzpuls-Laserprozesse.

Bild 1: Das Absaug- und Filtersystem LAS 260 für Prozesse mit Ultrakurzpuls-Lasern fängt auch Nanopartikel ein.

Bild 1: Das Absaug- und Filtersystem LAS 260 für Prozesse mit Ultrakurzpuls-Lasern fängt auch Nanopartikel ein. ULT

Die dabei entstehenden Laserrauche haben maßgeblichen Einfluss auf die Produktqualität und Lebensdauer der Produktionsmaschinen sowie Umwelt-, Sicherheits- und Gesundheitsaspekte. Um so wichtiger ist der Einsatz eines geeigneten Filtersystems, das alle schädlichen Partikel gründlich einfängt.

Unterschiedliche Partikelgrößen

Die nachfolgend vorgestellte Untersuchung erfolgte an einem Femtosekunden-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und nimmt die Korrelationen zwischen abgetragener Materialart und Verteilung der Partikelgrößen bzw. Partikelkonzentration unter die Lupe. Besonderes Augenmerk lag dabei auf den Unterschieden der Partikelgrößen von Stahl- und Kunststoffbearbeitung.

Das bei der Laser-Materialbearbeitung entstehende Aerosol wurde nahe am Entstehungsort eingefangen und in ein Filtersystem gesaugt. Dabei bestimmte ein Motorenabgas-Partikelgrößenspektrometer (Engine Exhaust Particle Sizer, EEPS) mit einem Messbereich von 5,6 bis 560 nm kontinuierlich die Verteilung der Partikelgrößen. Zu diesem Zweck analysierte das System eine Probe.

doppelt gefiltert hält besser

Gegenstand einer Untersuchung beim Spezialisten für Absaug- und Filtersysteme ULT war die Partikelverteilung während des Betriebs von Ultrakurzpuls-Laserprozessen. Im Größenbereich zwischen 50 und 200 nm gab es hohe Partikelkonzentrationen bis zu 106 #/cm³. Durch den Einsatz des Filtersystems LAS 260 mit plissiertem Vorfilter und Hepa-Nachfilter ließ sich ein Wirkungsgrad der Filtrierung von deutlich mehr als 99 Prozent nachweisen. Bei nicht-krebserregenden und nicht-mutagenen Stoffen lässt sich die gereinigte Luft dem Arbeitsplatz wieder zuführen und damit Energiekosten sparen.

Vorfilter mit großer Oberfläche

Die Partikel der Probe werden positiv geladen und bewegen sich in einem elektrischen Feld auf Elektrometer zu, wo sie ihre Ladung abgeben. Die abgegebene Ladung ist ein Maß für die Größe der Oberfläche des Partikels. Entsprechend ihrer elektrischen Beweglichkeit treffen die Partikel auf unterschiedliche Elektrometer. Die Größenverteilung ließ sich anhand der Stromstärken der Elektrometer errechnen. Darüber hinaus hat ein Sekundärelektronenmikroskop (SEM) Proben aus dem Filter untersucht, um die Form der Partikel zu analysieren.

Bild 2: Stahlpartikel von einem Materialabtragungsprozess mit Femtosekunden-Laser. Einige Metallpartikel zeigen Kalottenform.

Bild 2: Stahlpartikel von einem Materialabtragungsprozess mit Femtosekunden-Laser. Einige Metallpartikel zeigen Kalottenform. ULT

Zum Filtern des Rohgases kam ein Filtersystem LAS 260 mit Speicherfilter und plissiertem Vorfilter F9 zum Einsatz. Dieser Vorfilter besteht aus einer großen Oberfläche mit gut definierter Querstromfilterung für hohe Filterlebensdauer. Ein Hepa-Sekundärpartikelfilter der Klasse H14 sorgt für eine Reinigungsleistung auf 0,005 Prozent der ursprünglichen Partikelzahl. Diesem Filter ist ein Aktivkohlefilter nachgeschaltet, um eventuell noch enthaltene gefährliche Gase aus dem Laserprozess aufzufangen.

Schließlich wurde die Leistung des Filtersystems LAS 260 ermittelt. Dabei lief der Laser im Dauerbetrieb und die Partikelkonzentrationen wurden wie zuvor beschrieben mit dem EEPS-Verfahren im Rohgas sowie im gereinigten Gas gemessen.

Nanopartikel sind schneller

Die Bilder 2 und 3 veranschaulichen die Partikelform, betrachtet mit dem Sekundärelektronenmikroskop (SEM). Wie erwartet waren die meisten dieser Partikel nicht geschmolzen. Eine geringe Anzahl der Metallpartikel zeigte jedoch eine Kalottenform (halbkugelförmig). Das lässt auf ausreichende thermische Energie schließen, um dieses Material zu schmelzen. In allen Fällen ist die Größe dieser Partikel mit d = 100 bis 200 nm sehr gering.

Bild 3: Kunststoffpartikel von einem Materialabtragungsprozess mit Femtosekunden-Laser. Die Partikelform ist zumeist kubisch.

Bild 3: Kunststoffpartikel von einem Materialabtragungsprozess mit Femtosekunden-Laser. Die Partikelform ist zumeist kubisch. ULT

Im Gegensatz zur Metallverarbeitung schienen die Kunststoffpartikel anfänglich kleiner zu sein. Auf dem Filter bildeten sie jedoch kleine zusammengebackene Plättchen. Die Partikelform ist zumeist kubisch und die Ausbildung der Plättchen kann durch thermische Energie während der Agglomerationsphase auf dem Filter erfolgen.

Auf Grund dieser Ergebnisse ist die Filtertechnologie neu zu überdenken. In Hinblick auf die Absaugung gilt es, die hohe kinetische Energie dieser Partikel zu berücksichtigen. Kleine Partikel sind durch die kinetische Energie schneller. Um auch die kleinen Partikel im Nanometerbereich aufzufangen, muss ein weiter entfernter Absaugort die als Grundregel nahe am Entstehungsort eingerichtete Absaugung ergänzen.

Bild 4: Prinzip der Partikel-Vorfilterung beim LAS 260-System. Der F9-Filter fängt die meisten Partikel ein.

Bild 4: Prinzip der Partikel-Vorfilterung beim LAS 260-System. Der F9-Filter fängt die meisten Partikel ein. ULT

Hochwertiges Filtersystem

Da sich die Partikelgrößen hauptsächlich im Nanometerbereich befinden, können sie die Lunge-Blut-Barriere überwinden und stellen somit ein hohes Gesundheitsrisiko dar. Standard-Filterverfahren eignen sich daher nicht für die Luftreinigung. Bild 4 illustriert das Grundprinzip der Partikelfilterung beim Absaugsystem LAS 260. Wie bereits gezeigt, fängt der F9-Filter die allermeisten Partikel ein, sodass die Betriebskosten sehr niedrig sind.

Bild 5: EEPS-Daten von Rohgas und gereinigtem Gas bei der Kunststoffbearbeitung mit einen Ultrakurzpuls-Laser.

Bild 5: EEPS-Daten von Rohgas und gereinigtem Gas bei der Kunststoffbearbeitung mit einen Ultrakurzpuls-Laser. ULT

Bild 5 zeigt die Ergebnisse der EEPS-Messung bei der Kunststoff-Abtragung. Der statistische Maximalwert der Größenverteilung der Partikel lag bei einem Durchmesser von 90 nm mit einer Konzentration von 3 bis 4 *105 Partikeln pro Kubikzentimeter. Dieser Wert liegt erheblich über den akzeptablen Konzentrationswerten für die Gesundheit der Mitarbeiter und eine hohe Produktqualität. Auf Grund der Sandwichtechnik des Filtersystems LAS 260 lag die Konzentration in der gereinigten Luft in der Größenordnung des Hintergrundsignals des Labors mit dN << 10² #/cm³. In Bezug auf den Laserrauch ist also ein qualitativ hochwertiger Prozess möglich.

 

SMT Hybrid Packaging 2016, Halle 6, Stand 210