L T R A K U R Z P U L S L A S E R. Glas, Keramik und Saphir Härtetest für Laserstrahlen

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1 24 l M Glas, Keramik und Saphir Härtetest für Laserstrahlen Glas, Saphir und Keramik sind beliebte Werkstoffe für mikro- und feinwerktechnische Applikationen, doch sie stellen konventionelle Fertigungsverfahren zusehends vor Probleme. Gerade für leistungsstarke LTRAKRZPLSLASER bieten sich deshalb interessante Betätigungsfelder. Bild 1. m die herausragenden Eigenschaften von ltrakurzpulslasern auf die Anforderungen hochproduktiver industrieller Fertigung zu übertragen, hat Trumpf seine ltrakurzpulslaser aus der Reihe TruMicro 5000 zu höheren Leistungen skaliert CHRISTOF SIEBERT Ihre herausragenden Eigenschaften machen sie für viele Produkte unverzichtbar: Glas dient in Smartphones als Substrat für das Display selbst und in der gehärteten Variante als Abdeckung für das Display. Keramik ist hart, chemisch stabil und wird beispielsweise als Substrat für elektronische Bauelemente und Schaltungen eingesetzt. Saphir ist elektrisch isolierend, ebenfalls extrem hart und kratzfest und somit für den Einsatz in der Halbleiter- und LED-Technologie geeignet. Glas, Keramik und Saphir haben allerdings eines gemeinsam: Sie lassen sich nur schwer bearbeiten. Als spröde und zum Teil sehr harte Materialien bringen sie konventionelle Fertigungsverfahren wie Fräsen, Bohren und Schleifen an ihre Grenzen. Die Werkzeuge verschleißen schnell, und oft sind mehrere Verfahrensschritte notwendig, um eine ausreichende Qualität zu erreichen. Laserstrahlen bei sprödharten Werkstoffen Laserstrahlen können bei sprödharten Materialien ihre Vorzüge besonders gut ausspielen. Sie arbeiten verschleißfrei und können auf kleinste Durchmesser fokussiert werden. Galvanometerscanner positionieren den Laserstrahl flexibel; so werden fast beliebige Konturgeometrien möglich. Besonders geeignet für die Bearbeitung von spröden Materialien sind ltrakurzpulslaser (Bild 1). Die Laserpulse sind weniger als 10 Pikosekunden lang und verdampfen Material, bevor Wärme an das umgebende Material übertragen wird. Werden die Laserparameter exakt auf die Anwendung angepasst, kann auf Nacharbeit völlig verzichtet werden. Dielektrische Materialien mit großer Bandlücke wie Glas sind für Licht im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich transparent. Die hohe Intensität von Pikosekundenpulsen kann aber freie Elektronen durch Mehrphotonenionisation erzeugen. Durch Kaskaden - ionisation werden dann weitere Ladungsträger freigesetzt, die ihrerseits Bindungen im Material auf - brechen können: Material wird abgetragen. > KONTAKT HERSTELLER TRMPF Laser- und Systemtechnik GmbH Ditzingen Tel Fax

2 l M 25 Bild 2. REM-Aufnahme einer laserbearbeiteten Saphir-Mikrostruktur Rissvermeidung durch geringen Wärmeeintrag Bei spröden Materialien ist es immer eine besondere Herausforderung, Mikrorisse zu vermeiden, da sie das Bauteil schwächen. Risse entstehen unter anderem, wenn zu viel Wärme in das Bauteil eingebracht wird. Die Wärme führt im Material zu Spannungen, die eine Rissbildung begünstigen. Der Entstehung von Mikrorissen kann durch geeignete Bearbeitungsstrategien entgegengewirkt werden. Zu berücksichtigen sind Parameter wie Pulsenergie, Pulsüberlapp, Wiederholrate, Fokusdurchmesser und Anzahl der Überfahrten. Der optimale Arbeitspunkt hängt vom Material, der Geometrie und den Zeit- und Qualitätsanforderungen ab und wird in Applikationsversuchen bestimmt. In einem bilateralen Projekt von Trumpf aus Ditzingen und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) aus Aachen) werden die theoretischen Grundlagen für eine Optimierung der Prozesse auf spröden Materialien erarbeitet. Zur Beurteilung der Qualität können verschiedene Kriterien herangezogen werden: die Biegefestigkeit des Bauteils als Maß für die durch Rissbildung herabgesetzte Bruchfestigkeit, die Rauheit der Schnittkante sowie der visuelle Eindruck der Kante. nter dem Licht - mikroskop und mithilfe des Rasterelektronenmikroskops kann die Beschaffenheit der Schnittkante beurteilt werden (Bild 2). Eine übliche Methode, um die Biegefestigkeit eines Bauteils zu messen, stellt der Vierpunkt-Biegetest dar (vgl. DIN EN 843-5). Dabei werden bearbeitete Musterplatten definierter Geometrie auf zwei walzenförmigen Auflagern positioniert. Über zwei weitere Walzen wird mit einer definierten Geschwindigkeit eine kontinuierlich steigende Kraft auf die Musterplatte ausgeübt, bis diese zerbricht. Die Kraft bei der Zerstörung wird gemessen, und über die Geometrie des Bauteils kann die Bruchspannung in MPa berechnet werden. Das Auftreten von Mikrorissen und deren Auswirkung auf die Bruchspannung streuen von einem Bauteil zum nächsten, dies kann durch eine Weibull-Verteilung statistisch beschrieben werden. Typischerweise werden 10 bis 15 Proben bearbeitet und dem Vierpunkt- Biegetest unterzogen. Bild 4 zeigt die Weibull-Verteilung eines Handy-Displayglases ( Corning Eagle XG ), das mit einem Trumpf-ltrakurzpulslaser geschnitten wurde. Der Punkt, an dem die Bruchwahrscheinlichkeit 10 Prozent beträgt, kann als charakteristischer Wert für die Biegefestigkeit des Bauteils angenommen werden. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Bearbeitungsverfahren vergleichen. Bearbeitung von gehärteten Gläsern Mit dem Boom von Smartphones steigt die Bedeutung der Displays. Berührungssensitive Displays (Touchscreens) haben die Handytastatur als wichtigste Benutzerschnittstelle abgelöst. In einem typischen Smartphone sind bis zu vier Glasscheiben verbaut: Zwei Scheiben bilden das eigentliche Display und enthalten die Dünnschichtransistoren und Flüssig - kristalle. Eine Scheibe stellt die Touch-Funktionalität zur Verfügung, und ein chemisch gehärtetes Deckglas schützt die darunterliegenden Schichten gegen Kratzer, Zerstörung und Verschmutzung. Da Anwender leichte und dünne Smartphones schätzen, werden immer dünnere Glasscheiben eingesetzt. Ein typisches Displayglas ist 0,3 mm dick, ein chemisch gehärtetes Deckglas 0,7 mm. Klassische Schneidverfahren kommen hier an ihre MIKROPRODKTION 05/12

3 26 l M Bild 3. Laserschneiden von Glas mit einem Pikosekundenlaser Bild 4. Weibull- Verteilung eines Handy-Display - glases ( Corning Eagle XG ), das mit einem Trumpf- ltrakurzpulslaser geschnitten wurde. Bei einer Bruchwahrscheinlichkeit von 10 Prozent liegt der charakteristische Wert für die Biegefestigkeit des Bauteils Grenzen. Speziell chemisch gehärtetes Glas ist mit Schneidrädern nicht mehr zu bearbeiten beim Fräsen ist eine intensive Nachbearbeitung in Form von Schleifen und Polieren notwendig. Stattdessen können infrarote und grüne ltrakurzpulslaser zum Einsatz kommen, die aufgrund ihrer Pikosekundenpulse die Bildung von Mikrorissen reduzieren und eine Schneidkante erzeugen, die einer gefrästen qualitativ weit überlegen ist. Der Schnitt wird durch mehrfache Überfahrten mit dem Laserstrahl erzeugt (Bild 3). Durch die Wahl der Prozessstrategie können Geschwindigkeit, Kantenqualität und Kantenwinkel bestimmt werden. Das Abtrags - verfahren ist gegenüber alternativen Laserverfahren sehr robust, da sich beispielsweise eine geringe Durchbiegung des Glases nicht auf die Ergebnisse auswirkt. In Versuchen mit einem grünen Pikosekundenlaser wurden auf Corning Eagle XG Biegefestigkeiten von bis zu 280 MPa erreicht. Mit einem infraroten Pikosekundenlaser konnte eine dreifach höhere Geschwindigkeit bei nur wenig geringerer Biege - festigkeit festgestellt werden. Die Verfügbarkeit von immer leistungsfähigeren Pikosekundenlasern bietet große Chancen für eine noch effizientere Glasbearbeitung. Dies wird beim Vergleich der Abtragsraten und Effizienzen von Stahl und Glas deutlich (Bild 5). Während die Abtrag - effizienz von Stahl aufgrund von Plasmaabschirmung schon bei Fluenzen (Pulsenergiedichten) über 5 J/cm² abnimmt, lässt Glas deutlich höhere Fluenzen zu, bis die Abtragseffizienz ein Maximum erreicht. Höhere Pulsenergie kann bei Glas also in effizienteren Abtrag umgesetzt werden. Zur weiteren Reduktion von Gewicht und Dicke wird über den Einsatz von ultradünnem Glas nachgedacht. Bei einer Dicke von bis zu 50 µm ist das Glas noch sensibler in der Handhabung und extrem empfindlich gegenüber mechanischer Bearbeitung. Ohne Laser ist eine Bearbeitung nicht mehr möglich. Saphir für die ganz harten Fälle Saphir ist das zweithärteste Material nach Diamant und deswegen mechanisch nur sehr schwer zu bearbeiten. Das Schneiden von Saphir mit Lasern ist heute ein Standardverfahren bei der LED-Herstellung; hier dient Saphir als Substrat. Saphir wird aufgrund seiner Kratzfestigkeit und optischen Transparenz zum Beispiel als hrenglas oder als Schutzfenster bei optischen Geräten eingesetzt. Gerade bei der Bearbeitung kleiner Konturen also dem Ausschneiden kleiner Scheiben und dem Bohren kleiner Löcher spielt der ltrakurzpulslaser seine Vorteile aus. Mit dem Galvanometerscanner können flexible Konturen abgefahren werden. Die ultrakurzen Pulse vermeiden einen Wärmeeinfluss und führen so zu hervorragender Kantenqualität. Bild 6 zeigt kreisförmige, quadratische und dreieckige Konturen, die aus Saphir mit der Dicke 0,4 mm mit dem Pikosekundenlaser TruMicro 5070 mit infraroter Wellenlänge ausgeschnitten wurden. Die kleinste Konturgröße beträgt 0,2 mm. Durch eine geschickte Bearbeitungsstrategie, kombiniert mit den ultrakurzen Pulsen, werden Ausbrüche und Risse vermieden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, mit Pulsenergien um 100 µj zu arbeiten. Ein höherer Durchsatz kann dann beispielsweise durch die Teilung des

4 M I K R O L A S E R B ERA R BR EII K T l N G l Bild 5. Oben: Die Abtragsrate von Stahl nimmt bereits bei Fluenzen von 5 J/cm 2 ab; unten: Die Abtragsrate von Glas nimmt bei höheren Fluenzen nicht ab. Eine höhere Pulsenergie steigert somit die Effizienz des Prozesses Laserstrahls mit einer Pulsenergie von 250 µj in zwei Einzelstrahlen mit je 125 µj und eine parallele Bearbeitung an zwei Bauteilen erzielt werden. Für exzellente Qualität ist das Zusammenspiel von Bearbeitungsstrategie, Absaugung und Werkstückaufnahme entscheidend. Keramik verschleißund temperaturbeständig Technische Keramiken kommen immer dann zum Einsatz, wenn Bauelemente hohen Temperaturen ausgesetzt sind oder geringer Verschleiß wichtig ist. Bei vielen Anwendungen stehen die elektrischen Isolationseigenschaften im Vordergrund. So dienen technische Keramiken beispielsweise als Platinenmaterial für Sensorikchips in der Automobil - industrie, als verschleißarmes Lagermaterial für Pumpen oder als Material für Düsen in der Lebensmittelindustrie. Zu den bekanntesten technischen Keramiken gehören Alumi - niumoxid, Aluminiumnitrid und Zirkoniumoxid. Wenn dünne Keramik gebohrt, geschnitten oder strukturiert werden soll, ist der Laser das geeignete Werkzeug. So können 0,3 mm dicke Zirkoniumoxidplatten mit infraroten MIKROPRODKTION 05/12

5 28 l M Bild 6. Kreisförmige, quadratische und dreieckige Konturen, die aus Saphir mit der Dicke 0,4 mm mit dem Pikosekundenlaser TruMicro 5070 mit infraroter Wellenlänge ausgeschnitten wurden Bild 7. Lasergebohrte Platte aus Aluminiumoxid Bild 8. Aluminiumnitrid, Dicke 500 µm, Bohrdurchmesser 60 µm Bild 9. Lasergeschnittene Geometrie in Aluminiumoxid ltrakurzpulslasern bis zu 10 mm/s schnell geschnitten werden. Durch die ultrakurzen Pulse entsteht eine glatte, rissfreie Schnittkante. Beim Bohren spielt der ltrakurzpulslaser seine Eigenschaft als scharf zu fokussierendes Werkzeug aus: Bohrungen mit einem Durchmesser von 60 µm sind in 0,5 mm dickem Aluminiumoxid und Alumi - niumnitrid möglich (Bilder 7, 8 und 9). Es werden Bohrraten von bis zu 20 Löchern pro Sekunde erreicht. Beim Ritzen und Brechen der Laser ritzt das Material bis zu einem Drittel der Dicke, danach wird die Keramik mechanisch gebrochen sind Geschwindigkeiten bis zu 50 mm/s möglich. Effiziente Laserstrahlquellen mit hoher Leistung In der industriellen Fertigung ist der Durchsatz eine entscheidende Größe. Voraussetzung ist allerdings, dass die geforderte Bearbeitungsqualität erreicht wird. m die herausragenden Eigenschaften von ltrakurzpulslasern auf die Anforderungen hoch - produktiver industrieller Fertigung zu übertragen, hat Trumpf seine ltrakurzpulslaser aus der Reihe TruMicro 5000 zu höheren Leistungen skaliert. Die neuen Modelle TruMicro 5070 und TruMicro 5270 bieten 100 W infrarote und 60 W grüne Laserleistung mit Pulsdauern von weniger als 10 Pikosekunden. Die regenerativen Verstärker basieren auf der Scheibenlasertechnologie, bei der die Verringerung ther - mischer Effekte im Lasermedium eine gute Strahlqualität und eine Skalierung zu hohen mittleren Leistungen ermöglicht. Alle ltrakurzpulslaser von Trumpf arbeiten mit einer zweistufigen Regelung, sodass sich Bearbeitungsergebnisse unter allen Bedingungen reproduzieren lassen. Pulsenergie und Frequenz werden außerhalb des Verstärkers durch einen externen Modulator variiert so wird vermieden, dass die Strahleigenschaften durch eine Variation der Laser - parameter beeinflusst werden. MI ATOR CHRISTOF SIEBERT ist Leiter des Bereichs Branchenmanagement Mikroanwendungen bei Trumpf in Ditzingen; christof.siebert@de.trumpf.com