Innovation für die Mikromaterialbearbeitung auf der Hannover-Messe – Mikroschneiden mit Laserlicht

Auf der Hannover-Messe Industrie 15.04 – 20.04.2002 zeigen wir neueste Ergebnisse aus der Mikromaterialbearbeitung auf dem Gemeinschaftsstand „Laser Technology“ in Halle 6 / Stand D 18.

Besuchen Sie uns auf der Hannover-Messe Industrie 2002 auf dem Gemeinschaftsstand „Laser Technology“ in Halle 6 Stand D18.

In verschiedensten Zweigen der Mikrosystemtechnik, Medizintechnik, Biotechnologie und Mikroelektronik werden feinste Schnitte, Strukturierungen und Bohrungen in Materialien aus verschiedenen metallischen Werkstoffen, Keramikscheiben, Polymeren oder Silizium-Wafern benötigt, um Mikrostrukturen zu erzeugen. Anwendungsbeispiele sind das Bohren von Einspritzdüsen für Verbrennungsmotoren, das Schneiden von Stents für die medizinische Behandlung von arteriosklerotischen Krankheitsbildern, das Bohren von Düsenplatten für die Drucktechnik, das Vereinzeln von Wafern oder die Herstellung von Strahlteilern für Röntgenstrahlung. Stand der Technik beim Mikroschneiden ist der Einsatz diodengepumpter Nd:YAG-Laser mit Güteschaltung, die mit der Grundwellenlänge oder Frequenzverdopplung arbeiten. Obwohl dabei schon mit kurzen Laserimpulsen bei Pulsdauern bis zu 15 ns gearbeitet wird, um eine thermische Beeinflussung zu reduzieren, sind Aufschmelzerscheinungen und Schmelzablagerungen unvermeidlich.

Eine weitere Verminderung dieser Effekte kann durch den Einsatz von Lasern im UV-Wellenlängenbereich erreicht werden. Das Ablationsplasma absorbiert kürzere Wellenlängen weniger stark. Die Folge davon ist die Reduzierung der Plasmatemperatur. Dadurch gelingt es, den thermischen Einfluss auf die Schnittfuge bzw. Bohrlochwand zu vermindern, was sich in einer erhöhten Bearbeitungsqualität niederschlägt. Darüber hinaus lassen sich Laserstrahlen der kürzeren UV-Wellenlängen wesentlich besser fokussieren, was zu geringeren Schnittfugenbreiten führt, die dann eine Herstellung filigranerer Strukturen ermöglichen.

Für dieses Aufgabengebiet hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden eine Mikrostrukturierungsanlage zum Schneiden, Bohren und Strukturieren realisiert. Herzstück dieser Anlage sind zwei diodengepumpte Festkörperlaser mit Frequenzverdopplung und Frequenzverdreifachung. Bei diesen Geräten handelt es sich um stabile, wartungsarme Industrielaser des Unternehmens Lambda Physik AG vom Typ „GATOR“ mit folgenden Strahlparametern:

• Wellenlänge: 355 nm und 532 nm
• Repetitionsrate: 10 kHz
• Pulsdauer: 15 ns
• Mittlere Leistung: 3 W (355nm) und 13,5 W (532 nm)
• Strahlqualität: nahe TEM00

Die Anlage ist mit einem UV-Scanner mit Planfeldoptik ausgerüstet, mit dem ein Arbeitsfeld von 100 x 100 mm2 zur Verfügung steht. Um höchste Strahlqualitäten realisieren zu können, wird der Laserstrahl nicht durch Zu- und Abschalten des Lasers, sondern mittels eines galvanisch angesteuerten Shutters geschalten, während der Laser im thermischen Gleichgewicht kontinuierlich arbeitet. Die geringe, kompakte Bauweise diodengepumpter Festkörperlaser erlauben Anlagenabmessungen, die den Aufbau eines Tischgerätes ermöglichen.

Mit der beschriebenen Anlage wurden z.B. Laserschneidarbeiten an Siliziumwafern durchgeführt. Die hohe Strahlqualität ermöglicht Schnittfugenbreiten von 16 µm bei Wafer-Dicken von 220 µm. Der Schneidprozess kann als Sublimationsschneiden bezeichnet werden, da es bei Silizium kaum zum Austrieb von Schmelze kommt. Auftretende Ablagerungen von Siliziumoxid können leicht im Ultraschallbad entfernt werden. Die Abbildungen X und Y zeigen Strukturen, die aus Silizium ausgeschnitten wurden.

Das Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS betreibt anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung auf den Gebieten Lasertechnik und Oberflächentechnik. Ziel ist es, den Kunden des IWS Problemlösungen anbieten zu können und sie bei der industriellen Einführung zu unterstützen.