Laser durchlöchert zwei Keramikfilme gleichzeitig

Hochgeschwindigkeitsbohren Laser durchlöchert zwei Keramikfilme gleichzeitig

09.07.2015Autor / Redakteur: Dmitrij Walter / Mag. Victoria Sonnenberg

Stößt die mechanische Bearbeitung an ihre Grenzen, kommen Laser zum Einsatz: So auch beim Hochgeschwindigkeitsbohren sehr dünner Keramikfilme für die Elektronikindustrie. Mit einer neuen Technologie können 200.000 Löcher in 40 Sekunden gebohrt werden.

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Für höheren Durchsatz teilen die Manz-Ingenieure den Laserstrahl und lenken ihn auf zwei unabhängig voneinander gesteuerte Scanner. So können zwei Keramikfilme gleichzeitig bearbeitet werden.
(Bild: Manz)

Minispulen für elektrische Mikroschaltkreise bestehen aus hauchdünnen Keramikfilmen mit einer Dicke von lediglich 15 bis 50 µm , die mit Tausenden mikroskopisch kleiner Löcher perforiert sind. Höchste Produktivität ist gefragt in der Elektronikindustrie, die Marge ist schließlich abhängig von fehlerfreien Millionenstückzahlen. Mit dem von Manz entwickelten Prozess dauert das Bohren eines Loches mittels eines Pikosekundenlasers nur 0,35 Mikrosekunden; einschließlich der nötigen Pufferzeiten können also innerhalb von knapp 40 Sekunden 100.000 Löcher gebohrt werden – auf einer Fläche von nur 130 mm × 130 mm.

Doppelter Durchsatz dank gleichzeitiger Bearbeitung

Der Durchsatz verdoppelt sich sogar noch, weil Manz zwei dieser Keramikfilme gleichzeitig bearbeitet: Der Laserstrahl wird geteilt und auf zwei unabhängig voneinander gesteuerte Scanner gelenkt. Der mögliche Durchmesser der Löcher beträgt 15 bis 25 µm, wobei die Position eines einzelnen Lochs nicht mehr als 2 µm vom Sollwert abweicht. Nach dem Bohren werden jeweils 20 bis 40 Keramikfilme gestapelt und mithilfe von Passermarken ausgerichtet, sodass die gebohrten Löcher genau übereinander liegen. Aus diesem Stapel werden anschließend bis zu 100.000 Spulen mit einem Kerndurchmesser von nur 200 µm herausgeschnitten.

Die neue Laserbohrtechnologie von Manz vereint die Leistungsfähigkeit eines Ultrakurzpulslasers mit der optischen Präzision exakt korrigierter telezentrischer Objektive. Um zwei Keramikfilme gleichzeitig bearbeiten zu können, wird der Laserstrahl zunächst auf zwei unabhängig voneinander gesteuerte Zweiachs-Galvanoscanner geteilt und danach auf ein telezentrisches Objektiv gelenkt.

Ergänzendes zum Thema

Verdrängt die Laserbearbeitung über kurz oder langklassische zerspanende Verfahren?

Die Manz AG aus Reutlingen hat eine Technologie entwickelt, bei dem mit einem Pikosekundenlaser 200.000 Löcher gebohrt werden können – in weniger als 40 Sekunden und unter Einhaltung engster Fertigungstoleranzen.

Was genau spricht für Laseranwendungen?

Also ich würde nicht soweit gehen, dass thermische Verfahren wie die Laserbearbeitung die mechanischen Bearbeitungsverfahren wie die Fräszerspanung in der Breite ablösen werden. Aber in der Tat beschäftigen sich mit der zunehmenden technologischen Reife der Laser immer mehr fertigende Unternehmen mit dieser Technologie. Weil Laser in der Regel verschleißfreie Werkzeuge sind, sie viel materialunabhängiger eingesetzt werden können als zum Beispiel Hartmetallwerkzeuge und sie eine Vielzahl von zu erarbeitenden Geometrien erlauben. Laseranlagen stellen eine hohe Prozessgenauigkeit sicher, sind dazu sauber und sehr wartungsarm: einmal am Tag die Filter der Absauganlage wechseln – das ist alles.

Hohe Flexibilität ist eine Sache in der modernen Produktion, wo sehen Sie die betriebswirtschaftlichen Vorteile?

Richtig interessant werden Lasermaschinen für Bauteile, wo bisher mehrere Fertigungsverfahren benötigt wurden, zum Beispiel erst Fräsen und anschließend Polieren. Beim Laser lässt sich die Rauigkeit der Schnittkante viel präziser beeinflussen, als bei mechanischen Verfahren. Bei mehrstufigen Prozessen sind also die größten Einsparungen möglich. Produktivitätsgewinne lassen sich auch dort erzielen, wo bisher viele Werkzeugwechsel nötig waren. Bei einem Laser sind mit derselben Strahlquelle und derselben Optik viele verschiedene Anwendungen möglich – einfach durch Umprogrammieren und die Einstellung der Parameter.

Wo sehen Sie zunehmende Marktanteile für die Laserbearbeitung gegenüber der klassischen Zerspanung?

Bei Metall neben der Blechbearbeitung zuerst vor allem in der Mikrobearbeitung, denken Sie zum Beispiel an Einspritzdüsen für die Automobilindustrie. Im Prinzip fallen bei der Laserbearbeitung durch das punktgenaue Aufschmelzen auch Späne an. Diese Schmelze lässt sich je nach Energieeintrag beeinflussen – besonders bei feinen Strukturen oder sehr dünnen Materialien im Mikrometerbereich kann man also sehr materialschonend arbeiten. Der Laser hat aber auch unbestrittene Stärken bei der Bearbeitung von spröden und oft sehr harten Materialien, wie etwa Saphirglas, wo selbst PKD-Werkzeuge schnell an ihre Grenzen stoßen. Von Glas und Keramiken reicht die mögliche Materialpalette aber bis zu flexiblen Materialien, die in Roll-to-Roll-Prozessen bearbeitet werden. CFK-Werkstoffe sind derzeit noch kaum ein Thema, aber theoretisch sind auch die „zu lasern“.

Ultrakurze Laserpulse zwischen 6 und 10 ps Pulslänge

Die Objektive sorgen anschließend für die exakte Fokussierung der Laserpulse auf dem Keramikfilm. Beim Bohren der Keramikfilme sind ultrakurze Laserpulse zwischen 6 und 10 ps Pulslänge nötig, um das Aufschmelzen des Materials und eine damit verbundene Kraterbildung zu vermeiden. Denn die Pulslänge muss kürzer sein, als die thermische Relaxationszeit des Materials. Die beim Einsatz eines telezentrischen Objektivs unvermeidliche Bildfeldwölbung wird durch eine zusätzliche, bewegliche Linse aus Quarzglas kompensiert, die die Fokuslage verschiebt.

Genaugenommen ist das Laserbohren also ein als „Ablation“ bezeichneter thermischer Abtragsprozess.

Nicht nur Keramikfilme für aktive oder passive Elektronikbauteile können mit der neuen Lasertechnologie gebohrt werden. Sogar Löcher für Lautsprecheröffnungen an elektronischen Geräten, Bedienelemente oder Kameraaperturen werden damit in Keramikgehäuse gebohrt. Auch dabei ist die Laserbearbeitung mechanischen Werkzeugen überlegen, die wegen der Härte von Keramiken schnell an ihre Grenzen stoßen. MM

* Dr. Dmitrij Walter ist Leiter Entwicklung Laser & Optical Devices bei der Manz AG in 72768 Reutlingen, Tel. (0 71 21) 90 00-0, info@manz.com

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