Laser-Markieren versus Label-Markieren in der Elektronikfertigung

In vielen Produktionsprozessen kommt das Label-Markieren noch zum Einsatz – trotz diverser Einschränkungen, wie Kosten für die Verbrauchsmaterialien, erforderliche Servicearbeiten sowie Lagerhaltung. Darüber hinaus benötigen Label-Drucker meistens mehr Produktionsfläche und sind hinsichtlich der Flexibilität limitiert. Im Gegensatz dazu bietet das Markieren mit Laser viele Vorteile: Es sind keine Verbrauchsmaterialien erforderlich. Der bewährte Prozess erfolgt sehr schnell und das Resultat ist eine verlässliche und resistente Kennzeichnung. Laser-Markieren erfolgt antistatisch und bietet eine große Flexibilität hinsichtlich der zu markierenden Materialien. Ein Motivwechsel kann zudem einfach und vielseitig erfolgen.

In der Leiterplattenfertigung kommen oft Tintenstrahldrucker für die Kennzeichnung zum Einsatz, jedoch sind die Anforderungen an die Codierung in den vergangenen Jahren gestiegen. Hinzu kommen die allgemein bekannten Platz- und Ablöseprobleme bei Etikettenaufklebern, verblassende Druckschriften oder Schwierigkeiten bei Gravurschriftbreiten. Immer mehr Informationen müssen auf immer weniger Raum aufgebracht werden. Eine Herausforderung ist hierbei das zu kennzeichnende Material – in der Regel Kunststoff – sowie die für die Kennzeichnung zur Verfügung stehende geringe Fläche. Eine sehr gute Lösung ist das Beschriften oder Markieren mit einem Laser. Welcher Lasertyp hierfür der Richtige ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Die Polymere im Kunststoff bestimmen, welches Laserverfahren in Frage kommt. Auch gibt es Kunststoffe, die eigentlich nicht für die Lasermarkierung geeignet sind. Hier gibt es Lösungen, wie sie dennoch mit einem Laser beschriftet werden können. Die Markierungs-Komponenten ermöglichen unter anderem Traceability in der Produktion und die Identifikation von Teilen aller Art.

MOPA-Laserbeschriftungssystem von der ACI Laser GmbH für Leiterplatten mit sehr kleinen 2D-Codes. Eine Kamera im Strahlengang erfasst dabei Live- bzw. Einzelbilder, die thermische Trift wird kompensiert. Kraus

Der FlexMarker II von IPTE arbeitet mit einer beweglichen Laser-Einheit und einer festen PCB Position. IPTE

CO₂– und Faserlaser

CO₂-Laser arbeiten mit einer Gasmischung, die zur Erzeugung des Laserstrahls angeregt wird. Sie kennzeichnen Papier und Karton, Kunststoff, Gummi, Holz, eloxierte Oberflächen sowie Glas und Keramik. Das Medium befindet sich in Form von Gas oder einer Gasmischung in einer Laserröhre zwischen zwei Resonatorspiegeln. Ein Spiegel ist lichtundurchlässig, der andere ist teildurchlässig. Wird dem Gas Energie zugeführt, entstehen Lichtwellen. Diese werden zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert, bis sie schließlich als Laserstrahl aus dem teildurchlässigen Spiegel austreten. Das laseraktive Medium ist Kohlendioxid (CO₂). Es wird mit Helium und Stickstoff gemischt. Es können auch Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Xenon beigemischt werden, um die physikalischen und chemischen Abläufe bei der Strahlerzeugung zu unterstützen.

Soll Metall mit einem CO₂-Laser beschriftet werden, ist der Auftrag einer speziellen Paste oder eines Sprays notwendig, der vor dem Laserprozess auf das Werkstück aufgebracht und getrocknet werden muss. Die Markierung wird mit dem Laser in das Metall gebrannt. Nach dem Laserprozess muss der Rest der Paste oder des Sprays wieder abgewaschen werden. Dieser Vorgang benötigt sehr viel Energie, dementsprechend langsam muss der Laser gefahren werden. Auf manchen Metallen ist mit diesem Prozess ein hoher Kontrast erzielbar, wobei zu beachten ist, dass nicht alle Metalle für Pasten- oder Spraymarkierung geeignet sind. Die dafür notwendigen Pasten oder Sprays sind sehr teuer und der gesamte Prozess ist sehr zeitintensiv.

Faserlaser sind Festkörperlaser, bei denen der dotierte Kern einer Glasfaser das Lasermedium ist. Sie eignen sich besonders  zur Kennzeichnung von härteren Materialien wie Edelstahl und Kunststoff (ABS), aber auch feinen Folien. Der Laserkern ist umgeben von einem Pumpmantel. Nach energetischer Anregung werden die Lichtsignale durch lange, dünne Stränge aus purem Glas übertragen, deren Durchmesser dem eines menschlichen Haares entspricht. Aufgrund der großen Länge wird das Laserlicht vielfach verstärkt. Das heißt, die Faser dient nicht nur als Strahlführungssystem, sondern zugleich als Resonator für die Strahlerzeugung und -verstärkung. An den Endflächen des Faserlasers befinden sich zwei Spiegel. Sie bilden einen Resonator, der einen kontrollierten Laserbetrieb ermöglicht. Einzelne Fasern erzeugen Laserstrahlleistungen von mehreren 100 W bei guter Strahlqualität und hohem Wirkungsgrad. Höhere Laserstrahlleistungen werden durch Bündelung mehrerer Fasern erzielt.

Die Laserröhre beim Faserlaser selbst ist erstaunlich klein. Über Strahlführungsmodule kann der Laserstrahl zur einfachen Integration um 90° abgelenkt werden. Bluhm Systeme

Laserkennzeichnung für Elektronikbauteile

Produkte aus der Elektronik- und Halbleiterindustrie sind meistens Massenprodukte, die vollautomatisch in großen Stückzahlen produziert werden. Viele elektrische Bauteile wie SMD-Teile sind sehr klein und benötigen zahlreiche Informationen. Dabei werden kleine, komplexe 2D-DataMatrix-Codes eingesetzt, die gut und dauerhaft lesbar sein müssen. In den Codes (meist Datamatrix- oder Barcodes) finden sich Informationen zu den Teileeigenschaften, Produktionsdaten, Chargennummern und noch vieles mehr. Derartige Bauteil-Kennzeichnungen müssen einfach und teilweise auch elektronisch lesbar sein sowie eine dauerhafte Haltbarkeit aufweisen.

Lasercodierung auf Mikroverbinder mittels Faserlaser. Bluhm Systeme

Bei Huf Electronics werden zum Beispiel die einzelnen Baugruppen vor jeder Auslieferung in einem Prüfautomaten nicht nur mechanisch, sondern auch elektronisch „auf Herz und Nieren“ überprüft. Ist das Prüfergebnis in Ordnung, erhält die Baugruppe den eingangs beschriebenen Data Matrix-Code. Früher kam für die Kennzeichnung ein Tintenstrahldrucker von Bluhm Systeme zum Einsatz. Doch die Anforderungen an die Codierung sind in den vergangenen Jahren gestiegen. Immer mehr Informationen mussten auf immer weniger Raum aufgebracht werden.

Heute löst diese Aufgabe ein e-Solar Mark Laser von Bluhm mit 10 W Leistung. Selbst kleinste Codierungen werden scharf und schnell auf die Produkte aufgebracht. Im Fall der Leiterplatinen muss auf dem grünen Lack der Leiterplatte ein Farbumschlag erzeugt werden, der den Data Matrix-Code darstellt. Bei Huf Electronics werden auf einer Fläche von 6 x 6 mm² alle notwendigen Produktinformationen wie Seriennummer, fortlaufende Nummer, Datum und Uhrzeit mit insgesamt 32 Zeichen verschlüsselt als winziges Schachbrettmuster codiert. Typische Eigenschaft aller Laser aus der Solaris Serie ist die kompakte Größe. Kontroller-Einheit und Laserröhre sind mit einer drei Meter langen Zuleitung verbunden. Die Laserröhre selbst ist erstaunlich klein. Über Strahlführungsmodule kann der Laserstrahl zur einfachen Integration um 90° abgelenkt werden. So lassen sich kompakte Laser-Codierer viel einfacher in jede Produktionsumgebung einplanen.