Anwendungen mit Pikosekundenlasern - TRUMPF Laser
Anwendungen mit Pikosekundenlasern - TRUMPF Laser
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<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
Dr. Birgit Faißt<br />
<strong>TRUMPF</strong> <strong>Laser</strong>- und Systemtechnik GmbH<br />
Ditzingen<br />
<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
<strong>TRUMPF</strong> – Dr. Birgit Faißt - 22.11.2012
Einleitung<br />
Abtragschwelle und Abtragrate<br />
Anwendungsbeispiele<br />
<strong>Laser</strong> in der Photovoltaik<br />
Zusammenfassung<br />
. <strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
<strong>TRUMPF</strong> – Dr. Birgit Faißt - 22.11.2012<br />
2
Fluenz (Energiedichte) [J/cm²]<br />
Abtragschwelle<br />
3D Intensitätsprofil<br />
eines idealen<br />
Gaußstrahls<br />
x<br />
Kein Abtrag<br />
Höhere Pulsenergie führt zu größerer Abtragfläche<br />
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Quadr. Abtragsdurchmesser [µm²]<br />
Spotdurchmesser im Quadrat [µm²]<br />
Schwellwerte<br />
3000<br />
2500<br />
Abtragschwelle<br />
1.4301 Edelstahl<br />
Thermische Schwelle<br />
Unter thermischer Schwelle<br />
• „kalte“ Bearbeitung<br />
• keine Schmelze, keine<br />
WEZ, keine Gratbildung<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
0 1 3<br />
10 100<br />
Mittlere Fluenz [J/cm²] [J/cm²]<br />
Über thermischer Schwelle<br />
• thermische Effekte<br />
• WEZ, Schmelze,<br />
Gratbildung möglich<br />
• Aber höhere Abtragraten!<br />
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Abtragrate [mm³/min]<br />
Prozesseffizienz [mm³/min/W]<br />
Abtragrate [mm³/min]<br />
Prozesseffizienz [mm³/min/W]<br />
Abtragrate<br />
5<br />
4<br />
Stahl<br />
Plasmaabschirmung<br />
0,3<br />
25<br />
20<br />
Glas<br />
Abtragrate<br />
1,0<br />
0,8<br />
3<br />
0,2<br />
15<br />
0,6<br />
2<br />
Prozesseffizienz<br />
0,1<br />
10<br />
Prozesseffizienz<br />
0,4<br />
1<br />
0<br />
Abtragrate<br />
0,0<br />
0 5 10 15 20<br />
Fluenz [J/cm²]<br />
5<br />
0,2<br />
0<br />
0,0<br />
10 15 20 25 30<br />
Fluenz [J/cm²]<br />
<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
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5
Abtragrate [mm³/min]<br />
Abtragraten in Abhängigkeit der Defokussierung<br />
3,0<br />
2,5<br />
Edelstahl 1.4301<br />
2,0<br />
1,5<br />
1,0<br />
0,5<br />
0,0<br />
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10<br />
-0,5<br />
Fokusposition [mm]<br />
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Isophoten<br />
= konstante Intensitäten entlang der Ausbreitungsrichtung z<br />
Typische Isophote<br />
Abtragsdurchmesser<br />
Defokussierung [mm]<br />
Optimum Fluenz @ Maximum der Abtragsbreite der Isophote<br />
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Isophoten und Arbeitspunkt<br />
Edelstahl 1.4301<br />
Isophote der<br />
Abtragsschwelle<br />
Experimentell<br />
er<strong>mit</strong>telter<br />
optimaler<br />
Arbeitspunkt<br />
(maximale<br />
Abtragseffizienz)<br />
Isophote der<br />
thermischen<br />
Abtragsschwelle<br />
Optimaler Arbeitspunkt ~ e 2 · Abtragsschwelle<br />
Mikrobearbeitung <strong>mit</strong> UKP-<strong>Laser</strong>n - © <strong>TRUMPF</strong><br />
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Aspektverhältnis<br />
1. Abbildung des Gaußprofils im Abtrag<br />
2. Geringe Intensität auf den schrägen<br />
Wänden<br />
3. Reflektion oder Brechung<br />
4. Selbstfokussierung bei Reflektion<br />
5. Nicht mehr ausreichende Intensität<br />
zur Bearbeitung<br />
1 2 3 4 5<br />
Maximales Aspektverhältnis beim<br />
Bohren und Schneiden:<br />
1:10 - 1:20 (materialabhängig)<br />
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Schnittspaltverbreiterung<br />
Verbreiterung durch<br />
parallele Linien<br />
• Dickere Werkstücke können durch Verbreiterung des Schnittspalts geschnitten werden<br />
• Schneiden durch Abtragen <strong>mit</strong> Mehrfachüberfahrt<br />
• Abtrag pro Durchgang < 1 µm<br />
• Hohe Tiefenauflösung aufgrund der geringen Abtrags pro Durchgang<br />
• Der Wandwinkel wird dadurch nicht beeinflusst<br />
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Einleitung<br />
Abtragschwelle und Abtragrate<br />
Anwendungsbeispiele<br />
<strong>Laser</strong> in der Photovoltaik<br />
Zusammenfassung<br />
<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
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Gravur von Nuten in Stahl<br />
200 µm breite Nut<br />
Tiefe 35 µm<br />
Effektive Geschw. 15 mm/s<br />
Keine Schmelze<br />
Kein Materialaufwurf<br />
WEZ < 10 µm<br />
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Bohren von Stahl<br />
<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
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Wendelbohren<br />
Keine Schmelze, keine Gratbildung<br />
Geringe Wärmeeinflusszone<br />
Wandwinkel einstellbar (positiv,<br />
negativ oder zylindrisch)<br />
Durchmesser: 50 to 500 µm<br />
Materialdicke: bis zu 2 mm<br />
Materialien (z.B.): (Edel-) Stahl,<br />
Aluminium, Messing, Kupfer…<br />
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Schneiden von Metallen<br />
1 mm<br />
<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
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Schneiden von Silizium: Vereinzeln von Chips<br />
Schmale Schnittfuge (< 20 µm)<br />
Geringe WEZ (< 5 µm)<br />
Hohe Kantenqualität<br />
Hohe Produktivität<br />
Kein Werkzeugverschleiß<br />
Ausschussreduktion (keine Risse<br />
/ kein Bruch)<br />
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Schneiden von Kunststofffolie (PI, PET, PC, PMMA…)<br />
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Schneiden, Ritzen und Bohren von Keramik<br />
100 µm<br />
Große Materialvielfalt<br />
(Al2O3, AlN, Si3N4…)<br />
Hohe Qualität<br />
Geringe Spurbreite<br />
Geringe oder keine WEZ<br />
Keine Mikrorisse<br />
Keine negativen Effekte<br />
wie Ausbrüche an Kanten<br />
und Risse<br />
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Schneiden von Saphir<br />
Geschwindigkeit ~ 1 mm/s (Dicke 0,4 mm)<br />
Kantenwinkel ~ 10°<br />
Genauigkeit < 20 µm<br />
Scharfe Kanten ohne Ausbrüche<br />
Hohe Prozessstabilität<br />
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19
Schneiden von dünnem Glas<br />
<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
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Schneiden von Displayglas <strong>mit</strong> Pikosekundenlaser<br />
Geringe Spurbreite<br />
Vernachlässigbare WEZ<br />
Hohe Kantenqualität<br />
Hohe Bruchfestigkeit<br />
Flexible Geometrie<br />
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Bohren und Schneiden PCB<br />
Vereinzeln von SD-Cards im<br />
Materialmix: MC + Cu + FR4<br />
• Hohe Schnittgeschwindigkeit<br />
• Hohe Kantenqualität<br />
• Geringe Wärmeeinflußzone<br />
Cu<br />
FR4<br />
Cu<br />
PCB Bohren: Vias und Sacklöcher in<br />
FR4 bis zur Kupferlage<br />
• 40 µm Durchmesser<br />
• ca. 1 ms Bohrzeit pro Loch<br />
• Hohe Reproduzierbarkeit<br />
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Rainbow marking<br />
Nanostrukturen erzeugen<br />
Regenbogenfarben<br />
Geringe<br />
Materialbeeinflussung<br />
Sicherheitsmerkmale und<br />
Designelemente<br />
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CFK Bearbeitung<br />
Schneiden<br />
Oberflächenstrukturierung<br />
Schäften<br />
Mikrobohrungen<br />
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Einleitung<br />
Abtragschwelle und Abtragrate<br />
Anwendungsbeispiele<br />
<strong>Laser</strong> in der Photovoltaik<br />
Zusammenfassung<br />
<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
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Pikosekundenlaser in der Photovoltaik<br />
Mono Si<br />
Öffnen der<br />
Passivierung<br />
(SiO / SiN)<br />
Einzelpulsabtrag<br />
Selectiver<br />
Abtrag (100 nm)<br />
ohne<br />
Beeinflussung<br />
des Silizium-<br />
Grundmaterials<br />
CIGS Dünnschichtzelle<br />
P1<br />
(keine Mikrorisse,<br />
keine Delamination<br />
P2<br />
(20 µm Spurbreite,<br />
Geschw. > 0,5 m/s)<br />
P3<br />
(20 µm Spurbreite,<br />
Geschw. 1,2 m/s)<br />
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Strukturieren von CIGS Solarzellen<br />
• P1: Patterning Rückkontakt (Molybdenum)<br />
• P2: Patterning Absorber (CIGS)<br />
• P3: Patterning Frontkontakt und Absorber<br />
Kontaktieren von Zellen auf einem Modul<br />
Vorteil <strong>Laser</strong> ggüber mechan. Ritzen: Reduktion der „dead area“ höhere Effizienz<br />
Frontkontakt<br />
Absorber<br />
Mo<br />
P1 P2 P3<br />
Glas<br />
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Einleitung<br />
Abtragschwelle und Abtragrate<br />
Anwendungsbeispiele<br />
<strong>Laser</strong> in der Photovoltaik<br />
Zusammenfassung<br />
<strong>Anwendungen</strong> <strong>mit</strong> <strong>Pikosekundenlasern</strong><br />
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<strong>Anwendungen</strong><br />
Unbegrenzte Applikationsvielfalt<br />
• Bohren<br />
Abtrag<br />
dünner<br />
Schichten<br />
Metalle<br />
Dielectrica<br />
TCOs<br />
• Schneiden<br />
• Abtragen<br />
• Strukturieren<br />
• …<br />
Unbegrenzte Materialvielfalt<br />
Folien<br />
PET<br />
PI<br />
Metalle<br />
<strong>Laser</strong>-<br />
<strong>Anwendungen</strong><br />
Sprödharte<br />
Materialien<br />
Glas<br />
Keramik<br />
Saphir<br />
• Metalle<br />
• Halbleiter<br />
• Glas<br />
• Keramik<br />
• Kunststoffe<br />
• …<br />
Metalle<br />
PCBs<br />
Kunststoffe<br />
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