Sind Prozessparameter auf Material und Anwendung eingestellt, ist der Laserprozess äußerst stabil und reproduzierbar. Dies sorgt für eine anhaltend hohe Bearbeitungsqualität und Präzision gerade bei der Herstellung und Bearbeitung kleiner Bauteile, auch bei großen Losgrößen – sei es beim Schneiden, Schweißen oder Abtragen.
Schneiden und Schweißen
Laser sind ein fester Bestandteil der Elektronikproduktion. Sie schweißen und schneiden unterschiedliche Bauteile, Komponenten und Endprodukte. Dabei sorgen sie für hohe Produktivität und Qualität. Bestens geeignet für das Schweißen und Schneiden in der Elektronikfertigung sind gepulste Stablaser (Trupulse), Faserlaser (Trufiber), und Scheibenlaser (Trudisk) im unteren Leistungsbereich bis ein Kilowatt.
Feinschneiden
Die Geometrievielfalt beim Laserfeinschneiden ist nahezu grenzenlos gerade wenn es um filigrane Gehäuse und Bauteile mit glatten, gratfreien Schnittkanten geht. Faserlaser erzeugen bei Feinschneidprozessen einen Schnittspalt, der meist zwischen 20 und 100 µm liegt. Dadurch sind auch feinste Strukturen mit dünnen Stegen und Geometrien mit scharfen Radien problemlos zu erzeugen. Die Qualität der Schnittkanten und Präzision in der Bearbeitung ist herkömmlichen Verfahren wie Fräsen und Drahterodieren deutlich überlegen.
Die Materialvielfalt, die mit dem Laser bearbeitet werden kann, reicht von Baustahl und Edelstahl über Aluminium und Titan bis hin zu hoch reflektierenden Werkstoffen, wie Kupfer. In der Elektronik werden Laser bevorzugt zum Schneiden von Folien und dünnen Blechen eingesetzt. Mit Lasern lassen sich nicht nur sehr feine Schnitte sondern auch hohe Schneidgeschwindigkeiten realisieren. An Federelementen aus Bronze beispielsweise ist sehr gut zu erkennen, welche feinen Geometrien beim Laserschneiden möglich sind.
Punktschweißen
Das Punktschweißen ist eine typische Verbindungsform beim Einsatz von gepulsten Lasern. Bauteile werden dabei durch einzelne Schweißpunkte zu kompletten Baugruppen verbunden. Die Wärmeeinbringung und damit der Verzug sind hierbei sehr gering. Dies prädestiniert laserbasierte Punktschweißverfahren für die Elektronikproduktion. Laser schweißen beispielsweise Steckkontakte direkt in Stanzautomaten bei mehreren hundert Hüben pro Minute.
Möglich wird dies durch die Strahlführung per Laserlichtkabel und kompakte Fokussieroptiken. Mit Hilfe der sogenannten Burst-Funktion schweißen die TruPulse Laser beispielsweise elektrische Kontakte an Schaltern dreimal schneller als vergleichbare gepulste Laser ohne Burst-Funktion. Dafür überhöhen die Trupulse-Laser ihre mittlere Leistung kurzfristig und nutzen die Zeit des Werkstücktransfers zum Nachladen des Energiespeichers.
Das Resultat ist eine verkürzte Schweißzeit und damit insgesamt ein verkürzter Bearbeitungszyklus. Die hohe Effizienz der Burst-Funktion verdeutlicht das Scannerschweißen von elektrischen Schaltern mit einem Trupulse 124 und einer maximalen Pulsenergie von 90 Joule. Bei einer Pulsenergie von je 11,5 Joule pro Puls werden mit einer Scanneroptik PFO 20 zehn Schweißpunkte gesetzt. Mit der Burst-Funktion reduziert sich die Schweißzeit um den Faktor 3,4 im Vergleich zu einem herkömmlichen gepulsten Laser.
Nahtschweißen
Beim Nahtschweißen mit gepulsten Lasern werden Schweißpunkte so aneinandergesetzt, dass eine Schweißnaht entsteht. Dabei wird das Bauteil nicht so stark erwärmt, wie bei kontinuierlichen Schweißnähten, da das Werkstück zwischen den einzelnen Pulsen abkühlt. Abhängig vom Überlappungsgrad der Schweißpunkte können so auch gas- und flüssigkeitsdichte Nähte erstellt werden. Gute Beispiele hierfür sind Batteriegehäuse für Mobiltelefone oder Titangehäuse bei Herzschrittmachern.
Die Herausforderungen sind bei beiden Anwendungen ähnlich.
Der im Innern befindliche Elektrolyt bzw. die Elektronik dürfen nicht über eine bestimmte Temperaturschwelle hinaus erwärmt werden, es dürfen beim Verschließen der Naht keine Spritzer ins Innere gelangen und die Nähte müssen auch bei starken thermisch-mechanischen Belastungen absolut dicht sein.
Die Laserbearbeitung ermöglicht es, die Einschweißtiefe exakt einzustellen, so wird ein Durchschweißen in das Gehäuse verhindert, außerdem verteilt sich die Wärme der überlappenden Schweißpunkte über die gesamte Bauteilgeometrie und die thermische Belastung des Gehäuses wird gering gehalten.
Laser für die Handy-Herstellung
In der Produktion von Mobilfunktelefonen kommt der Laser entlang der gesamten Herstellungskette zum Einsatz. Gepulste Laser und Faserlaser besäumen die tiefgezogenen Gehäuse auf einem 3-D-Laserbearbeitungssystem und schneiden Tastaturlöcher und Durchbrüche. Gehäuseteile im Inneren und Li-Ionen-Akkus sind ebenfalls lasergeschweißt. Nahezu alle Tastaturen sind laserbeschriftet. Häufig wird die Kunststoffsichtscheibe, die das Display schützt, mit dem Laser an der Handyschale befestigt und schließlich schneiden Kurzpulslaser das Glas für Touchscreens und Displays.
Strukturieren, Schneiden, Abtragen und Bohren
Ultrakurzpuls-Laser sind ideale Werkzeuge für die Mikrobearbeitung: sie können auf kleinste Durchmesser fokussiert werden, sind pulsgenau zu steuern und ihr geringer Wärmeeinfluss führt zu hervorragenden Ergebnissen bei der Bearbeitung.
Die Pulsdauer bestimmt die Art der Wechselwirkung mit dem Material; durch ultrakurze Pulse – Pulsdauern unter 10 ps – wird die Laserenergie fast komplett im abgetragenen Material deponiert. Dadurch wird ein Aufschmelzen des umgebenden Materials vermieden, Gratbildung verhindert und Nacharbeit minimiert.
Funktionsweise der kalten Bearbeitung
Die Absorption eines Laserpulses, beispielsweise in Metallen, ist im Grunde eine Energieübertragung vom Laser-Puls auf die Elektronen des Materials. Für Pulsdauern im Nanosekundenbereich findet ein Temperaturausgleich zwischen Elektronen und Gitter statt, was ein Aufheizen über den Schmelzpunkt hinaus zur Folge hat, bis das Material teilweise verdampft.
Je kürzer die Laserpulse desto schneller findet der Energieübertrag auf die Elektronen statt. Idealerweise sind die Laserpulse so kurz, dass keine Zeit für einen Temperaturausgleich zwischen Elektronen und Gitter bleibt. In diesem Fall haben die so genannten „heißen Elektronen“ zwei Möglichkeiten zur Wechselwirkung mit dem „kalten Gitter“: Nach einer charakteristischen Zeit beginnt die Wärmediffusion zwischen den „heißen“ Elektronen und dem „kalten“ Gitter.
Diese sogenannte „Elektron-Phonon-Relaxationszeit“ ist eine Materialkonstante und hat einen typischen Wert von etwa 1 bis 10 ps. Ungefähr auf derselben Zeitskala aber mit ein wenig Verzögerung findet ein abrupter Energietransfer zwischen den „heißen“ Elektronen und dem Gitter statt, was eine Phasenexplosion (Sublimation) zur Folge hat.
Aus diesen Erkenntnissen lassen sich zwei fundamentale Schlüsse ziehen: Die Dauer des Laserpulses muss kurz genug sein, um einen Temperaturausgleich zwischen Elektronen und Gitter zu vermeiden. Für Metalle und viele weitere Materialien bedeutet dies Pulsdauern von 1 bis 10 ps oder weniger. Aufgrund der kurzen Zeitverzögerung zwischen Wärmediffusion und Ablation entsteht auch für die kürzesten Pulse eine Restwärme.
Aus diesen Erkenntnissen kann man den „kalten“ Laser-Abtrag als Bearbeitung mit minimaler Wärmediffusion definieren, bei der Pulsdauern von 1 bis 10 ps oder weniger erforderlich sind.
Typische Anwendungen der Mikrobearbeitung mit Ultrakurzpulslasern sind das Strukturieren von Solarzellen, der Dünnschichtabtrag beispielsweise bei Photovoltaikmodulen, das Schneiden von Halbleitern, Glas und Saphir, sowie das Bohren von Keramiken, Halbleitern und Metallen.
Strukturieren
CI(G)S-Dünnschicht-Solarzellen werden heute in vielen Fällen mechanisch strukturiert. Für die Reihenverschaltung einzelner Bereiche auf einer Solarzelle müssen die Schichten in schmalen Linien abgetragen werden. Die mechanische Strukturierung führt zu Ausbrüchen der Kanten – um eine ausreichende elektrische Isolation zu erreichen, müssen die Spuren breit werden. Durch die Strukturierung mit ultrakurzen Laserpulsen können die Spuren schmaler werden, die nutzbare Fläche und damit die elektrische Leistung der Solarzelle steigt.
Der thermische Einfluss auf das Material wird durch die ultrakurze Pulsdauer begrenzt wie z. B. mit den Lasern Trumicro 5050 und 5250.
Abtragen
Kurzpulslaser mit hoher Pulsenergie sind das Mittel der Wahl, wenn großflächig dünne Schichten abgetragen werden sollen. Bei Dünnschicht-Solarzellen z.B. werden die Schichten auf einer Breite von typischerweise 10 mm bis 15 mm am Rand abgetragen, um eine nachfolgende Versiegelung der Schichten gegen Feuchtigkeit zu erreichen. Dazu sind kurze Pulse wichtig, um die Schichten effizient abzutragen und den Einfluss auf das Glas klein zu halten.
Der Trumicro 7050 arbeitet über den gesamten Pulsfrequenzbereich mit gleichbleibend kurzer Pulsdauer von 30 ns; der Abtrag bleibt konstant effizient selbst wenn Parameter verändert werden. Eine weitere Anwendung ist das Abtragen von transparenten leitenden Schichten wie z.B. ITO (Indium-Zinnoxid) auf Funktionsgläsern.
Beim Reinigen von korrodierten oder beschichteten Blechen zur Vorbereitung nachfolgender Schweiß- oder Klebeschritte führt die hohe Pulsenergie von 80 Mikrojoule zu hoher Produktivität.
Schneiden
Der Anteil von Smartphones steigt, Touchscreens sind eine Selbstverständlichkeit – Glas wird also zu einer immer wichtigeren Komponente bei der Herstellung mobiler Kommunikationsgeräte. Dabei sollen die Mobiltelefone und Tablet-Computer noch flacher und leichter werden. Die Gläser für Touchscreens müssen also immer dünner werden, das Schneiden mit herkömmlichen Methoden also Ritzen und Brechen wird immer schwieriger, Mikrorisse gefährden die Haltbarkeit, außerdem ist die Nacharbeit sehr aufwendig.
Mit Ultrakurzpulslasern wie Trumicro 5250 und 5270 lässt sich Glas dagegen mit sehr guter Kantenqualität schneiden. Die mechanische Belastung des Materials ist auf ein Minimum reduziert – es entstehen keine Risse an den Kanten, dadurch müssen die geschnittenen Bauteile nicht mehr abgeschliffen werden.
Bohren
Kontaktlöcher werden meist entweder durch mechanisches Bohren oder mittels eines schwachen Kohlen(di)oxidlasers hergestellt. Die Qualität der Kontaktlöcher, ihr Mindestdurchmesser wie auch der Durchsatz sind jedoch bei beiden Verfahren beschränkt.
Pikosekundenlaser mit hoher Durchschnittsleistung ermöglichen dagegen die Bohrung von Kontaktlöchern mit hoher Kantenqualität, variablen Durchmessern und hohem Durchsatz. Die resultierenden Kontaktlöcher sind vollkommen rund, und das Umgebungsmaterial weist weder Absplitterungen noch Wärmeeinflüsse auf. Die Bohrrate beträgt hier mehr als 1.000 Kontaktlöcher pro Sekunde. Der Einsatz von Pikosekundenlasern mit hoher Durchschnittsleistung und Pulsenergie steigert so beim Bohren von Kontaktlöchern in keramische Folien sowohl die Qualität als auch den Durchsatz.
Statorbleche schneiden
Diese Statorbleche sind mit dem TruFiber Faserlaser geschnitten. Die scharfen Radien stellen für den Laser kein Problem dar.
(hb)
