Präzisionsbohren mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen

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1 Präzisionsbohren mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen Mit immer kürzeren Laserpulsen lassen sich immer präzisere Mikrostrukturen herstellen. Bei der Metallbearbeitung scheint jedoch eine Pulsdauer von etwa 0 ps eine Grenze zu sein, ab der eine weitere Verkürzung eher Nachteile mit sich bringt. Die zunehmende Miniaturisierung und die ständig wachsenden Ansprüche an Qualität und Leistungsfähigkeit von Produkten stellen Anforderungen an die Fertigungstechnik, an denen klassische Verfahren immer häufiger scheitern egal in welcher Branche. In der Elektronikindustrie beispielsweise ließ sich die Miniaturisierung bei Mobiltelefonen nur durch Laserbohren von Durchkontaktierungslöchern erreichen. Und bei der Kraftstoffeinspritzung erlaubt das Laserverfahren feinste und damit effizienzsteigernde Düsendurchmesser, wie sie mit der bisherigen Funkenerosion nicht zu erzeugen sind. Für die abtragende Bearbeitung gibt es inzwischen eine Vielzahl von Strahlquellen. Deren Wellenlängen reichen vom Infraroten bis ins Ultraviolett und deren Pulsdauer von ca. ms bis zu 00 fs. Mit abnehmender Wellenlänge und vor allem mit kürzer werdender Pulsdauer steigt der Aufwand und damit der Preis, gleichzeitig nimmt im Allgemeinen die Einsatzreife für industrielle Anwendungen ab. Im Folgenden werden drei Bereiche gegeneinander abgegrenzt: lange Pulse: > 00 µs, kurze Pulse: im Nanosekundenbereich, ultrakurze Pulse: kürzer als 0 ps. Diese Einteilung und die dabei auftretenden Lücken ergeben sich zum einen aus den unterschiedlichen Lasertypen und zum anderen aus dem physikalischen Wechselwirkungsmechanismus. Beim Langpulslaser wird die Pulsdauer im Wesentlichen von der Dauer der Anregungspulse durch Blitzlampen bestimmt. Diese Laser sind bei Anwendungen im Einsatz, bei DER AUTOR FRIEDRICH DAUSINGER ist stellvertretender Direktor am Institut für Strahlwerkzeuge an der Universität Stuttgart sowie als Mitglied der wissenschaftlichen Leitung der Forschungsgesellschaft für Strahlwerkzeuge mbh zuständig für den Bereich Mikrobearbeitung. Prof. Dr. F. Dausinger Institut für Strahlwerkzeuge, Pfaffenwaldring 43, D Stuttgart Tel. (07) , Fax (07) , dausinger@ifsw.uni-stuttgart.de denen hohe Produktivität im Vordergrund steht und Abstriche bei der Präzision in Kauf genommen werden. Kurze Laserpulse werden durch so genannte Güteschalter erzeugt. Gütegeschaltete Laser werden bereits für zahlreiche abtragende Präzisionsbearbeitungen in der Elektrotechnik eingesetzt und sind durch höhere Pulsenergien nun auch für Maschinenbauanwendungen interessant geworden. Ultrakurze Laserpulse werden durch Modenkopplung erzeugt. Die oben angegebene Obergrenze von ca. 0 ps wird bei Metallen durch Erreichen einer minimalen Wärmebelastung charakterisiert, die sich durch Pulsverkürzung nicht weiter absenken lässt. Ultrakurze Pulse nutzende Techniken werden neuerdings unter dem Begriff Femtonik zusammengefasst. Grundlagen des Bohrens mit Laserpulsen Abtragsmechanismen Das Abtragen mit Laserpulsen ist ein hochdynamischer Vorgang: Der Werkstoff wird in kurzer Zeit erwärmt, geschmolzen, ver- dampft und ionisiert. Der durch Verdampfung entstehende Druck beschleunigt die Schmelze und treibt diese an den Rand der Abtragszone, wo sie sich teilweise ablöst, teilweise als Schmelzgrat erstarrt. Der dabei abströmende Dampf erzeugt eine Stoßwelle, die zu weiterer Aufheizung und Plasmabildung führt. Die Wechselwirkung des Laserstrahls mit Plasma kann ihn deformieren und abschwächen, was wiederum Einkopplung und Erwärmung beeinflusst. Wie präzise und effizient der Abtragsprozess ist, wird maßgeblich vom Ausmaß der dabei entstehenden Schmelze bestimmt. Bei vielen Anwendungen wie z. B. beim Einzelpulsbohren von Filtern kann die erforderliche Prozessgeschwindigkeit nur durch einen hohen Schmelzanteil und damit niedrigem spezifischem Energiebedarf erreicht werden []. Bei hohen Anforderungen an die Präzision stören andererseits die dann kaum vermeidbaren Ablagerungen von unvollständig ausgetriebener Schmelze. Hier möchte man zwar energieaufwändig, jedoch präzisionssteigernd die Schmelzentstehung minimieren und Material möglichst vollständig in Dampfform abtragen. Anhand eines vereinfachten Abtragsmodells lassen sich wesentliche Erkenntnisse zum Einfluss der Pulsdauer auf die im Werkstück ablaufenden thermischen Vorgänge gewinnen [2]. Demnach verringert eine kürzere Pulsdauer zwar deutlich die Schmelzdicke. Doch unterhalb von 0 s (0 ps) verändert sich diese kaum noch und strebt einem Grenzwert knapp unterhalb von µm zu (Abb. ). Ein analoges Sättigungsverhalten wird auch für die Verdampfungsdauer und die Zeit bis zur vollständigen Erstarrung beobachtet. Selbst wenn die Pulsdauer τ H nur ps beträgt, dauert die Verdampfung dennoch mehr als ns lang an; Schmelze ist selbst nach 20 ns noch vorhanden. Aluminium für das die oben gezeigten Berechnungen durchgeführt wurden kann als ungünstiger Extremfall bezüglich der Schmelzfilmdicke angesehen werden. 40 LTJ April/Mai 2004 Nr.

2 Gründe dafür sind die relativ langen Relaxationszeit und die thermophysikalischen Eigenschaften von Aluminium. Bei Eisen dagegen sind deutlich geringere Schmelzdicken und eine Sättigung bei kürzeren Pulsdauern zu erwarten. Die berechneten Werte aus Abb. werden durch experimentelle Beobachtungen gestützt. Beispielsweise lässt sich bis zu einer Pulsdauer von etwa 00 fs wieder erstarrte Schmelze nachweisen [3]. Eine Erklärung dafür findet sich im Erwärmungsverhalten auf ultrakurzer Zeitskala: Das Laserlicht wechselwirkt zunächst mit den Leitungsbandelektronen des Metalls und heizt diese auf hohe Temperaturwerte auf. Um diese Energie von den Elektronen auf die Atome des Kristallgitters zu übertragen, ist eine Vielzahl von Stößen erforderlich die Erwärmung der Atome findet daher nur deutlich verzögert statt. Erst oberhalb von 0 ps ist die Temperatur zwischen Elektronen und Gitteratomen wieder ausgeglichen. Die Folge: Bei Laserpulsen, die kürzer als die Relaxationszeit von ca. 0 ps sind, wird die Pulsenergie zunächst im Elektronensystem zwischengespeichert und dann auf einer von der Relaxationszeit, nicht von der Pulsdauer bestimmten Zeitskala an das Gitter weitergegeben. Dies erklärt warum, wie in Abb. erkennbar, eine Verkürzung der Pulsdauer unterhalb der Relaxationszeit keine weitere Veränderung des thermischen Verhaltens bringt. Bohrlochausbildung Reiht man eine Vielzahl von Abtragspulsen aneinander, lässt sich eine tiefe Bohrung mit hohem Aspektverhältnis erreichen. Die sich dabei verändernde Geometrie der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Werkstück beeinflusst den Abtragsprozess erheblich (Abb. 2). Mit zunehmender Ausbildung der Bohrkapillare geht der Abtrag pro Puls um bis zu zwei Größenordnungen zurück. Dieses Phänomen wurde bereits bei zahlreichen Werkstoffen beobachtet sowohl mit kurzen als auch mit ultrakurzen Pulsen und ist als universell anzusehen. Verschiedene Ursachen können dafür verantwortlich sein. Die veränderte Geometrie wirkt sich auf die Absorption der Laserstrahlung aus, die in der Kapillare unter großem Einfallswinkel auf eine vergrößerte Oberfläche auftrifft. Gleichzeitig steigen die Wärmeableitungsverluste mit zunehmender Krümmung der Oberfläche. Modellrechnungen zeigen, dass sich allein durch diese beiden Zeit t in ns ABBILDUNG Der Einfluss der Pulsdauer auf die Schmelzschichtdicke, die Dauer des Abdampfens und die Existenz einer schmelzflüssigen Phase lässt sich berechnen (hier für Aluminium). Unterhalb einer Pulsdauer τ H von ca. 0 ps (0 s) tritt eine Sättigung der Kurven ein, und selbst mit ultrakurzen Pulsen ist eine Schmelze unvermeidbar. Mittlere Abtragsrate in µm/puls AI H = 0 J/cm 2 Erstarrung t s Schmelzdicke d m Verdampfung t v 250 J/cm J/cm J/cm 2 ABBILDUNG 2 Beim Bohren von Stahl mit ultrakurzen Laserpulsen fällt die Bohrrate mit zunehmender Bohrtiefe und beeinflusst vom Umgebungsdruck ab (τ H = 0 fs, λ = 800 nm, d f 8 µm). geometrischen Effekte eine Absenkung der Bohrgeschwindigkeit um zwei Größenordnungen erklären lässt [2]. Weiterhin ist zu erwarten, dass Plasma, das sich während des Bohrens bildet, die Laserstrahlung absorbiert und nur noch ein Bruchteil der einfallenden Pulsenergie die Abtragsfront an der Kapillarspitze erreicht. Im so genannten Hirschegg-Modell [4], das den Bohrprozess phänomenologisch beschreibt, wird dem Plasma eine aktive Rolle als sekundäres Bohrwerkzeug zugewiesen. Während das primäre Bohrwerkzeug, der Laserstrahl, in dessen Propagationsrichtung, Pulsdauer τ H in s 970 hpa hpa Bohrtiefe in µm also axial wirkt, weitet das Plasma die Bohrung auf und wirkt radial. Wenn dies kontrolliert abläuft, kann es den Bohrprozess durchaus positiv beeinflussen, da die oben genannten geometrischen Effekte verringert werden und eine gewünschte zylindrische Bohrlochform leichter erreicht wird. Bei Abtragsprozessen kann sich Plasma in zwei unterschiedlichen Ausgangssubstanzen bilden. Man spricht zum einen von Materialdampfplasmen und zum anderen von Gasplasmen. Der Materialdampf lässt sich bereits bei relativ niedriger Intensität ionisieren. Die Erzeugung und Ausbreitung des 3 2 Max. Schmelzfilmdicke d m in µs LTJ 4

3 Optimierung des Bohrprozesses Konus der gestreuten Strahlung fokussierter Strahl ABBILDUNG 3 Die Intensitätsverteilung eines ultrakurzen Laserpulses (τ H = 0 fs, λ = 800 nm, d f 8 µm, E W/cm 2 ) wird vor dem Fokus durch den so genannten Luftdurchbruch einem nichtlinearen Effekt deformiert. Ohne Luftdurchbruch würde man den mit durchgezogenen Linien dargestellten Strahlverlauf erwarten. Die tatsächlich zu beobachtende deformierte Strahlverteilung ist rechts auf dem Schirm dargestellt, der sich 620 mm hinter dem Fokus befindet. Materialdampfes beginnt jedoch frühestens 0 ps nach Pulsbeginn und dauert bis in den Nanosekundenbereich (siehe oben). Es ist daher zu erwarten, dass Materialdampfplasmen nur bei langen und kurzen Laserpulsen eine Rolle spielen. Verkürzt man die Pulsdauer in den Ultrakurzbereich, dann muss wenn die für das Abtragsvolumen verantwortliche Pulsenergie konstant gehalten werden soll die Pulsspitzenleistung und damit die Intensität invers proportional erhöht werden. Dadurch gelangt man zu Intensitäten, die ausreichen, um Gase zu ionisieren. Dieser als Durchbruch bezeichnete Effekt ist so schnell, dass er sich bereits während ultrakurzen Laserpulsen ausbildet. In Abb. 3 ist neben der schematischen Darstellung der Strahlfokussierung und -propagation auch die auf einem Schirm hinter dem Fokus zu beobachtende und durch einen Luftdurchbruch erzeugte Strahldeformation wiedergeben. Um den Strahlfleck des Laserstrahls herum bildeten sich bei der verwendeten Pulsdauer von ca. 00 fs und einer relativ hohen Intensität im Fokus von ca W/cm 2 Nebenstrukturen mit erheblichen Energieanteilen aus. Diese Nebenstrukturen, deren Ausgangspunkt vor dem Fokus lokalisiert werden kann (Abb. 3), bewirken eine starke Aufweitung und Deformation der Bohrlochgeometrie [5]. Die Zündung eines Gasplasmas wird durch die Gegenwart von Werkstückoberflächen erleichtert. Das senkt die Schwellintensität um Schirm Größenordnungen ab. Partikel, die nach einem Abtragsprozess noch während der Pulspause in der Bohrkapillare verbleiben, können als besonders wirksam angesehen werden, um beim darauffolgenden Laserpuls einen Gasdurchbruch zu initiieren. Man spricht dann von einem partikelgezündeten Durchbruch. Ein solches in der Bohrkapillare gezündetes Plasma ist mit einer beträchtlichen lokalen Temperatur- und damit Druckerhöhung verbunden. Letztere behindert das Austreiben von Schmelze und Dampf und liefert damit einen dritten Grund für den beobachteten drastischen Abfall der Bohrgeschwindigkeit. Welche der drei diskutierten Ursachen veränderte Bohrlochgeometrie, Plasmenbildung oder Druckerhöhung zur Wirkung kommt, hängt von den Prozessparametern ab und lässt sich somit beeinflussen. Erstens wird die Art und Wirkung des laserinduzierten Plasmas wie bereits diskutiert in erster Linie von der Intensität des Laserstrahls und der Pulsdauer bestimmt. Zweitens bietet sich aufgrund der stark nichtlinearen Wellenlängenabhängigkeit der Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Plasma die Variation der Wellenlänge als wichtige Einflussgröße an. Und drittens lässt sich durch die Zusammensetzung und Dichte des Gases, das die Wechselwirkungszone abdeckt, die Schwelle für einen Durchbruch zu höheren Intensitätswerten verschieben. Als besonders wirksam zeigt sich hierbei eine Verringerung der Dichte durch moderate Druckerniedrigung (Abb. 2). Es gibt verschiedene Prozessstrategien, nach denen sich ein Loch bohren lässt. In Abbildung 4 sind unterschiedlichen Verfahren dargestellt: Man unterscheidet Einzelpuls-Bohren, Perkussions-Bohren, Trepanieren und Wendelbohren. Beim Einzelpuls-Bohren werden mit einem einzelnen energiereichen Laserpuls Bohrtiefen von bis zu mehreren Millimetern erreicht. Dabei bildet sich jedoch relativ viel Schmelze und die Steuerungsmöglichkeiten während des Bohrprozesses sind sehr begrenzt. Das Ergebnis ist eine hohe Prozesseffizienz mit niedrigster Präzision. Wie bei klassischen Abtragungsverfahren kann die Genauigkeit durch Aufspalten des Bohrprozesses in eine Vielzahl von Einzelschritten gesteigert werden das heißt durch den Übergang vom Schruppen zum Schlichten. Durch immer kleinere Span - Volumina pro Puls gelangt man vom Einzelpulsbohren über das Perkussionsbohren zum Trepanieren, das aus einem Perkussionsbohren mit anschließendem Ausschneiden der Bohrung besteht. Die höchste Präzision wird mit dem Wendelbohren erreicht, bei dem die Abtragsfront entlang einer Wendelkurve langsam in das Werkstück eindringt (Abb. 4). Ein kleineres Span -Volumens erreicht man durch geringere Pulsenergie, kürzere Pulsdauer und kleinere Fokusdurchmesser. Wie oben gezeigt wurde, macht bei Metallen eine Reduktion der Pulsdauer nur bis zu ca. 0 ps Sinn bezüglich einer Ver- DAS INSTITUT Institut für Strahlwerkzeuge Stuttgart Das Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart verfolgt das Ziel, mit Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie durch Lehrtätigkeit zum Fortschritt der Lasertechnik und zu ihrem erfolgreichen Einsatz in der industriellen Fertigung beizutragen. Dabei befasst es sich mit ausgewählten Themen aus den Gebieten der Strahlquellen, der optischen Elemente und Komponenten zur Strahlführung und -formung sowie der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Werkstück und schließlich der Verfahrensentwicklung selbst. Weitere Infos unter: 42 LTJ April/Mai 2004 Nr.

4 ABBILDUNG 4 Beim Laserbohren gibt es unterschiedliche Verfahrensstrategien. Von links nach rechts nimmt das pro Puls abgetragene Volumen ab und die Präzision zu. minderung des entstehenden Schmelzvolumens. Eine weitere Reduktion in den Femtosekundenbereich wirkt sich sogar negativ auf die Abtragspräzision aus, da dann mit zunehmender Intensität die deformierende Wirkung eines Gasdurchbruches anwächst. Es ergibt sich daher ein Optimum für die Pulsdauer, das in der Nähe von 0 ps liegt (Abb. 5). Die thermisch verursachte Qualitätseinbuße rührt hauptsächlich von Ablagerun- gen unvollständig ausgetriebenen Materials her. Diese Ablagerungen lassen sich reduzieren, indem man die Abtragsgeometrie vielfach statt nur einmal überfährt. Beim Bohren führt dieses Konzept vom Trepanieren zum Wendelbohren. Dies bringt zum einen den Vorteil, dass sich Material weniger stark ablagert, da der Austrieb weniger durch die Geometrie des Ausflusswegs beeinträchtigt wird. Zum anderen werden bei darauf folgenden Überfahrten vorher ent- ABBILDUNG 5 Will man Metalle mit höchster Präzision abzutragen, muss man die Pulsdauer optimieren. Sind die Pulse zu lang, wird die Präzision durch zunehmende Schmelzebildung beeinträchtigt. (Das linke Foto zeigt Schmelzablagerungen am Bohrlocheintritt, wie sie typischerweise bei Nanosekundenpulsen beobachtet werden.) Sind die Pulse hingegen zu kurz, deformieren nichtlineare, mit der Intensität zunehmende Effekte wie ein Luftdurchbruch das Strahlprofil. (Die Anwendung eines, im rechten oberen Foto dargestellten, stark deformierten Strahlprofils führt zu einer unbrauchbaren Bohrlochgeometrie, siehe Foto rechts unten.) LTJ 43

5 standene Ablagerungen größtenteils wieder entfernt. Die für das Wendelbohren erforderliche kreisförmige Strahlbewegung erreicht man vorteilhafterweise mit einer optischen Anordnung (Abb. 6). Durch die verstellbare und um eine gemeinsame Achse rotierende Anordnung von Keilplatten wird der Strahl so ausgelenkt, dass er nach der Fokussierung einen Flugkreis mit einstellbarem Durchmesser beschreibt und gleichzeitig unter einem gewünschten Winkel zur Bohrungsachse auftrifft. Das Besondere der gezeigten Anordnung liegt darin, dass sich Durchmesser und Winkel unabhängig voneinander und in der höchsten Ausbaustufe sogar während des Bohrprozesses numerisch gesteuert einstellen und variieren lassen. Durch einen Anstellwinkel von einigen Grad wird erreicht, dass für eine Aufweitung des Bohrungsaustrittsdurchmessers weniger Pulsenergie oder kürzere Bearbeitungszeit genügen [6]. Zum Beispiel wird für zylindrische Bohrungen nur die halbe Zeit benötigt. Dies erklärt sich damit, dass Laserbohrungen sich zunächst konisch ausbilden und für eine Aufweitung des Austrittsdurchmessers auf den Wert des Eintrittsdurchmessers entweder eine Vielzahl von Pulsen oder hohe Pulsenergie und damit eine starke Wirkung des sekundären Bohrwerkzeugs Plasma erforderlich sind. Ein geeignet gewählter Auftreffwinkel verhindert die Konusbildung oder vermag einen negativen Konuswinkel zu erzwingen. Dies ist bei manchen Anwendungen, z. B. bei Diesel-Einspritzdüsen, von Vorteil. Negative Einflüsse laserinduzierter Plasmen auf Bohrgeschwindigkeit und Präzision lassen sich verringern bzw. vermeiden, indem man die Dichte des ionisierenden Mediums verringert. Dies ist in Abb. 2 beispielhaft für das Bohren mit ultrakurzen Laserpulsen gezeigt. Die bei Atmosphärendruck mit zunehmender Bohrtiefe abfallende mittlere Bohrrate wird durch ein Vakuum von hpa fast wieder auf das bei flachen Abtraggeometrien zu beobachtende Niveau angehoben. Dies ist allerdings nur bei hohen Energiedichten der Fall. Bei geringer Energiedichte wird ein störender Gasdurchbruch von vorneherein vermieden. Allerdings sinkt hier die Bohrrate mit zunehmender Bohrtiefe kontinuierlich auf sehr kleine Werte ab, vermutlich durch die schon beschriebenen geometrischen Effekte. Statt mit Hilfe einer Vakuumkammer, die das Werkstück, seine Halterung und das Handlingsystem umschließt, lässt sich lokal am Bohrloch auch mit einer aerodynami- ABBILDUNG 6 Links: Das optische Konzept einer Trepanieroptik zum Wendelbohren mit wählbarem Umlaufdurchmesser und Anstellwinkel. Rechts: Ein dieses Konzept verwendendes Produkt mit den erreichten Spezifikationen [6]. schen Düse ein ausreichender Unterdruck erzeugen [6]. Es zeigte sich, dass bereits ein Gasatmosphärendruck von 0 hpa genügt. Eine solche bereits als Prototyp existierende Düse erlaubt einen raschen Wechsel des Druckes und damit eine effiziente Kontrolle der laserinduzierten Plasmen. LITERATUR [] DAUSINGER, F.: Laserverfahren für Mikrobohrungen. In: Gesellschaft für Fertigungstechnik (Hrsg.): Technologien für die Zukunft FTK 2000 (Stuttgart). Berlin: Springer, 2000 S. 83 [2] RUF, A.: Modellierung des Perkussionsbohrens von Metallen mit kurz- und ultrakurzgepulsten Lasern. Universität Stuttgart, Dissertation 2003 (Institut für Strahlwerkzeuge). In Vorbereitung. [3] WEIKERT, M.; FÖHL, C.; DAUSINGER, F.: Surface structuring of metals with ultrashort laser pulses., In: Miyamoto, I.; Kobayashi, K.; Sugioka, K.; Poprawe, R.; Helvajian, H. (Hrsg.): Third Intl. Symposium on Laser Precision Microfabrication LPM 2002 (Osaka, Japan). Proc. SPIE 4830, Bellingham, WA: Intl. Soc. for Opt. Eng., 2003, S LAMP LPM 2002 [4] DAUSINGER, F.; ABELN, T.; BREIT- LING, D.; RADTKE, J.; KONOV, V.; Danksagung Der Autor bedankt sich bei dem Bundesministerium für Bildung in Forschung (BMBF) für die Förderung des Verbundprojekts PRIMUS (Förderkennzeichen: 3N7706). GARNOV, S.; KLIMENTOV, S.; KONO- NENKO, T.; TSARKOVA, O.: Bohren keramischer Werkstoffe mit Kurzpuls- Festkörperlasern. LaserOpto, 3 (999) Nr. 3, S [5] KLIMENTOV, S.M.; KONONENKO, T. V.; PIVOVAROV, P.A.; GARNOV, S.V.; KONOV, V.I.; BREITLING, D.; DAUSINGER, F.: Effect of nonlinear scattering of radiation in air on material ablation by femtosecond laser pulses. In: Proc. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies LAT, Juni 2002 (Moskau). Zur Veröffentlichung in Proc. SPIE. [6] FÖHL, C.; DAUSINGER, F.: High precision deep drilling with ultrashort pulses. In: Miyamoto, I. (Hrsg.): Proc. of 4 th International Symposium on Laser Precision Microfabrication LPM 2003 (München). Zur Veröffentlichung in Proc. SPIE. 44 LTJ April/Mai 2004 Nr.