Immer kleiner, immer feiner

Faszinierend an der Lasertechnologie ist der Umstand, dass die gesamte Bearbeitung mit einem Lichtstrahl erfolgt. Ohne jede Berührung entstehen komplexe Strukturen in Materialien, die bislang als schwer oder gar nicht bearbeitbar galten. Der Siegeszug des Lasers von den 1960ern bis heute ist beeindruckend. Aus den sehr teuren, sehr speziellen, sehr wartungsintensiven und sehr schwachen Lasern der Frühphase sind kompakte, wartungsarme und damit industriell wirtschaftlich einsetzbare Werkzeuge geworden.

Die Laserbearbeitung ist auf wenige Wirkmechanismen begrenzt: Die Laserenergie regt Elektronen im Zielmaterial an. Die daraus resultierenden Wirkungsformen sind bekannt. Zum einen verdampfen hohe Pulsenergien das Material, auch Laser-Ablation genannt. Das Material schmilzt durch den Energieeintrag. Überdies bricht die zugeführte Energie die chemischen Verbindungen auf oder sorgt für eine chemische Umwandlung von Molekülen.

Je nach zu bearbeitendem Material und Laser-Wellenlänge ändert sich der Anteil des reflektierten, absorbierten und transmittierten Laserlichts. Nur die absorbierte Energie wird im Bauteil wirksam. Schließlich spielen auch noch die Freisetzung des Lasers – in Pulsen oder als Dauerstrahl – die Strahlformung und -führung eine Rolle für den Produktionsprozess. Während beim Schweißen und Schneiden großer Bauteile starke Laserquellen erforderlich sind, kommt es bei der Mikromaterialbearbeitung auf eine sinnvolle Wahl der Laserparameter und eine präzise Dosierung der Laserleistung an. Üblich sind Laserquellen, die nur wenige Watt Leistung auf einen Fokusdurchmesser von wenigen Mikrometern konzentrieren.

Verfahrensvorteile der Laserbearbeitung

Aus der Art der Bearbeitung ergeben sich eine Reihe von Vorteilen, mit denen sich Laserverfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren absetzen können. Beim Schneiden von Materialien treten bei herkömmlichen Verfahren mechanische Belastungen auf. Das kann insbesondere bei empfindlichen Bauteilen oder in der Nähe sensibler Komponenten zu Beschädigungen führen. Ein Beispiel ist das Trennen bestückter Leiterplatten mit dem UV-Laser: Der Laser kann Leiterplatten direkt neben Elektronikkomponenten oder Leiterbahnen aus größeren Nutzen heraustrennen. Auch die empfindlichen Prepregs zum Verpressen von Multilayern lassen sich ohne mechanische Verzerrungen mit dem Laser strukturieren.

Da im Laserprozess keine mechanischen Belastungen entstehen, reduzieren sich auch die Kosten und der Zeitaufwand für die Werkzeugherstellung. Dies wird insbesondere beim Laser-Kunststoffschweißen deutlich: Gegenüber Vibrations- und Hot-Plate-Schweißverfahren lassen sich die Werkzeuge für die Fügepartner zu einem Bruchteil der Kosten fertigen, und auch die Umrüstung bei einer Umstellung der Produktion wird erheblich einfacher.

Auch die Qualität der Bearbeitung kann ein wichtiges Kriterium sein. Mit einem Pitch von 25/50 µm (Line/Space) beim Strukturieren metallbeschichteter Keramiken dringt die Laserbearbeitung bis in den Feinstleiterbereich vor – mit einer sehr guten Übereinstimmung von Layout und realer Geometrie bis in den Mikrometerbereich. Ein gutes Beispiel sind Mikrofluidiken aus der Medizintechnik: Bei den engen Kanälen ist ein partikelfreies, präzises Fügeverfahren mit feinen Schweißnähten eine Grundvoraussetzung. Das Laser-Kunststoffschweißen erfüllt diese Voraussetzungen in besonderer Weise.

Laserverfahren sind in der Regel softwaregesteuert. Für eine Veränderung der überfahrenen Kontur oder der Laserparameter sind nur Veränderungen der Vorgaben in den Steuerdaten erforderlich. In der Praxis geht dies so weit, dass sich das Lasersystem auf Verzerrungen aus Vorprozessen einstellt. Dann lassen sich aus nicht mehr vorgabegerechten Rohteilen funktionsfähige Gutteile produzieren.

Vorteile durch externe Dienstleistungspartner

Wer nicht die Möglichkeit hat, sich Lasersysteme in der Fertigung zu installieren, hat indes die Möglichkeit, das vielseitige Dienstleistungsangebot von Lasermicronics, eines Geschäftsbereiches von LPKF, zu nutzen. Lasermicronics befasst sich ausschließlich mit Dienstleistungen im Bereich der Laser-Mikromaterialbearbeitung. Das Unternehmen bearbeitet pro Jahr bis zu fünf Millionen kundenspezifische Bauteile an den Standorten Garbsen und Erlangen (Laser-Kunststoffschweißen) für namhafte Kunden aus der Automobil-, Medizin-/Pharma- und Consumerindustrie. Mit einem umfangreichen Park von Lasersystemen lassen sich unterschiedliche Produktgruppen bearbeiten.

Die Laserbearbeitung ist nicht nur für hochvolumige Projekte effizient. Durch die Dienstleistungsfertigung beziehungsweise  -materialbearbeitung ist es möglich, auch kleinere und mittlere Stückzahlen ohne eigene Laser-Produktionslinien zu realisieren. Lasermicronics bietet ein breites Angebotsspektrum, von Machbarkeitsstudien, über die Prototypenfertigung bis hin zur Serienfertigung in 100.000er-Stückzahlen. Der Dienstleister übernimmt auch Consulting-Aufgaben bei Prozessentwicklung und -optimierung.

Laserbearbeitung vom Feinsten

Besonders nachgefragt ist das Laserschweißen von Kunststoffen für den sicheren, präzisen, wirtschaftlichen und hygienischen Fügeprozess von Kunststoffen. Beim Laser-Kunststoffschweißen durchdringt der Laserstrahl das obere, lasertransparente Bauteil. Dort schmilzt er zunächst den unteren Fügepartner. Durch einen geringen Fügedruck findet eine Wärmeübertragung auf das Oberteil statt, es schmilzt im Bereich der Schweißnaht. Nach der Abkühlung sind beide Bauteile sicher miteinander verbunden. Mit den vorhandenen Systemen lassen sich alle gängigen Varianten des Laser-Kunststoffschweißens wie Quasisimultan-, Kontur- und Radialschweißen durchführen. Das Laserschweißen setzt sich durch optisch hochwertige, sichere Schweißnähte von anderen Verfahren ab. Aber auch das Laserschneiden von Leiterplatten wird häufig durchgeführt. Vor allem, um flexible, starr-flexible und dünne Multilayer mit höchster Präzision in beliebigen Konturen zu schneiden.

Das Laser Direct Patterning zur Herstellung von Feinstleiterstrukturen ist genauso wie die Laserstrukturierung zur Herstellung von Feinstleitern wie etwa für kompakte, hochintegrierte High Density Interconnect-Strukturen, (HDI) nachgefragt. Weitere Anwendungen wie das Bohren von Microvias (in verschiedenen Materialien mit Lochdurchmessern von minimal 50 µm); die Mikrobearbeitung von Keramik (Keramikmaterialien aus grüner und gesinterter Keramik); die TCO/ITO Laserbearbeitung (Laser Strukturierung leitfähiger TCO-Beschichtungen auf Glassubstraten), ein Verfahren zur Bearbeitung von Membran-Elektroden-Einheiten in der Brennstoffzellentechnik, sowie für die Reparatur und Nacharbeit von Leiterplatten oder um Mikro-Metallteile zu schneiden.

Ein bekanntes Verfahren ist auch die Laser-Direktstrukturierung (LDS). Mit ihr ist es möglich, aus einfachen Spritzguss-Kunststoffkörpern dreidimensionale Schaltungsträger zu erzeugen. Der Grundkörper wird aus einem Kunststoff gespritzt, der mit einem LDS-Additiv versehen ist. Der Laserstrahl aktiviert das Additiv und hinterlässt eine mikroraue Oberfläche für eine bessere Haftfestigkeit. Mit einer anschließenden stromlosen Metallisierung bauen sich an den vom Laser beschriebenen Pfaden Metallschichten auf. Auch das Prototyping für dreidimensionale Schaltungsträger gehört ins Portfolio. Durch ein spezielles Lackverfahren lassen sich beliebige dreidimensionale Körper mit einer lasersensitiven Schicht versehen. Diese Technik erleichtert das Prototyping für Einbau- und Funktionstest und macht bei Kleinserien das Spritzgusswerkzeug überflüssig.

(mrc)