NEUER HOCHLEISTUNGS-CO2 -LASER-MODULATOR ERÖFFNET SCHNELLERE BEARBEITUNGSGESCHWINDIGKEITEN
Die Kombination aus einem einzigartigen elektrooptischen Modulator und einem Hochleistungs-CO2-Laser ermöglicht eine höhere Geschwindigkeit und Präzision, die viele Schneid-, Bohr- und Gravuranwendungen revolutioniert.
14. Oktober 2024 von Coherent
Der neueste Durchbruch in der Lasermodulatortechnologie von Coherent ermöglicht einen höheren Durchsatz – und damit niedrigere Kosten – für einige der anspruchsvollsten, hochvolumigen Materialverarbeitungsaufgaben in der Mikroelektronikproduktion, der Herstellung medizinischer Geräte und weiteren Anwendungen. Insbesondere ermöglicht der neue elektrooptische CO₂-Laserschalter von Coherent den Einsatz von Lasern mit höherer Leistung (bis zu 1 kW), um viele Bohr-, Schneid- und Gravurverfahren für Nichtmetalle wie Polymere, Verbundwerkstoffe, organische Stoffe und Keramik zu beschleunigen.
Hier erfahren Sie mehr über die Funktionsweise von Modulatoren und sehen, wie diese neue Technologie die Kosten für viele Hersteller drastisch senken kann.
Modulatoren verstehen
Ein optischer Modulator ist ein Gerät zur Steuerung der zeitlichen Form und/oder der Leistung eines Lasers als Reaktion auf ein angewendetes elektrisches Signal. In der einfachsten Implementierung kann ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle (konstante Leistung) nach Bedarf blockiert oder übertragen werden, wobei der Übertragungsgrad variabel ist.
Die beiden am weitesten verbreiteten Technologien für diesen Zweck sind der akusto-optische Modulator (AOM) und der elektro-optische Modulator (EOM). Der AOM enthält einen transparenten Kristall mit einem daran befestigten piezoelektrischen Wandler. Durch Anlegen eines Hochfrequenzsignals an den Wandler wird im Kristall eine Schallwelle (oder akustische Welle) erzeugt. Dadurch wiederum entsteht eine periodische Variation des Brechungsindexes des Materials, wodurch es wie ein Beugungsgitter wirkt.
Durch Variation des Eingangssignals wird die Amplitude der akustischen Wellen verändert. Dies führt dazu, dass mehr oder weniger Licht aus dem Hauptstrahl und in die gebeugten Ordnungen gebeugt wird. Auf diese Weise wird die Modulation erreicht.
Beim EOM wird ein elektrooptischer Kristall verwendet. Dabei handelt es sich um ein Material, das die Polarisationsebene von linear polarisiertem Eingangslaserlicht dreht, wenn eine Spannung angelegt wird. Durch Anbringen eines linearen Polarisators am Ausgang des Kristalls wird eine Strahlmodulation erreicht, wenn die angelegte Spannung variiert wird.
AOMs und EOMs unterscheiden sich in fast allen Betriebs- und Praxiseigenschaften. Dadurch ist jede dieser Technologien für bestimmte Anwendungen am besten geeignet. Einige der wichtigsten, für die Verarbeitung von Materialien mit hohem Durchsatz relevanten Parameter sind:
Betrieb mit hoher Leistung |
EOMs können mit Laserstrahlen höherer Leistung arbeiten, da sie eine höhere thermische Materialstabilität und eine robustere Kühlkonfiguration aufweisen. |
Anstiegszeit |
Das ist die Zeitspanne, die ein Modulator benötigt, um von der vollständigen Blockierung eines Strahls zur vollständigen Übertragung überzugehen. Die Anstiegszeiten von EOMs können diejenigen von AOMs um das Zwanzigfache übertreffen. |
Modulationsfrequenz |
Damit ist gemeint, wie schnell der Modulator ein- und ausgeschaltet werden kann. AOMs benötigen in der Regel viel niedrigere Spannungen, um den Strahl zu modulieren, wodurch die Unterstützung hoher Modulationsraten erleichtert wird. Die maximale Modulationsfrequenz eines EOMs wird durch modernste Hochspannungsschalttechnik gesteuert. |
Es mag verwirrend erscheinen, dass EOMs schnellere Anstiegszeiten, aber niedrigere Modulationsgeschwindigkeiten als AOMs haben können. Die Abbildung bietet die Definitionen dieser Begriffe und dient dem besseren Verständnis.
Definitionen der wichtigsten Ausgangsparameter für einen Modulator. Wie zu erkennen ist, stehen die Anstiegs- und Abfallzeit nicht in direktem Zusammenhang mit der Modulationsgeschwindigkeit.
Via-Bohren
Eine Anwendung, die von den besonderen Merkmalen des EOMs profitieren kann, ist das Bohren von sogenannten Vias in der Mikroelektronikfertigung. Vias sind als PCB bezeichnete winzige Löcher in Leiterplatten, die elektrische Verbindungen zwischen den verschiedenen Schichten ermöglichen.
PCBs werden immer kleiner, um eine bessere Miniaturisierung von Geräten zu bewirken. Dies gilt insbesondere für Geräte wie Smartphones, 5G-Transceiver und Wearables. Für diese stärker miniaturisierten Geräte werden häufig fortschrittliche Packaging-Techniken eingesetzt, wie z. B. HDI-Leiterplatten (High-Density Interconnect) und IC-Substrate. Die dafür erforderlichen Vias sind viel kleiner als mit herkömmlichen Methoden erreicht werden kann, aber Laser eignen sich hervorragend für die Herstellung der kleineren Löcher, die für diese neueren elektronischen Gehäusetypen benötigt werden.
CO₂-Laser sind in kommerziellen Via-Bohrsystemen weit verbreitet, da sie eine hocheffiziente Bearbeitung der in vielen Elektronikgehäusen verwendeten Materialien wie FR4, PTFE, Glasfaserverbundwerkstoffe und Keramiken ermöglichen. Sie können sogar Kupferspuren abtragen.
CO₂-Laser können Via-Bohrungen bis zu einem Durchmesser von etwa 30 µm vornehmen. Beim Einsatz von AOMs können diese Systeme mit Geschwindigkeiten von über 5.000 Vias pro Sekunde arbeiten. Das mag zwar erstaunlich klingen, aber die Elektronikindustrie will noch schneller werden.
Der Grund dafür ist einfach. Ein höherer Durchsatz bedeutet geringere Kosten.
Erhöhung des Durchsatzes beim Bohren von Vias
Ein typisches Hochgeschwindigkeits-Via-Bohrsystem teilt den Laserstrahl in bis zu vier separate Strahlen auf. Dadurch wird ein viermal höherer Gesamtdurchsatz erzielt als bei Verwendung eines einzigen Strahls.
Eine Aufteilung des Strahls in noch mehr einzelne Strahlen könnte die Geschwindigkeit weiter erhöhen. Durch die Aufteilung des Strahls wird jedoch auch die Laserleistung auf die einzelnen Strahlen verteilt. Und jeder einzelne Strahl benötigt eine bestimmte Leistung, um bohren zu können.
Die offensichtliche Lösung besteht darin, die Laserleistung zu erhöhen. Und hier stoßen die AOMs, die in den meisten CO₂-Laser-Bohrsystemen verwendet werden, an ihre Grenzen. AOMs können nicht mit CO₂-Lasern mit mehr als 300 W Leistung arbeiten. Und wenn man einen 300-W-Strahl mehr als viermal aufteilt, steht in den einzelnen Strahlen nicht genug Leistung für den Bohrvorgang zur Verfügung.
Ein 1-kW-CO₂-Laser würde genügend Leistung liefern, um den Strahl mehrfach aufzuteilen und die von Halbleiterherstellern geforderte Durchsatzsteigerung zu erzielen. Allerdings bräuchte man einen Modulator, der etwa 1 kW CO₂-Laserleistung verarbeiten kann, damit dieser Ansatz funktioniert. Da es bisher keinen AOM-Modulator gab, der dazu imstande war, wandte sich Coherent für seinen elektrooptischen CO₂-Laserschalter der EOM-Technologie zu.
Modulatoren für jede Anwendung
AOMs und EOMs haben beide ihre Berechtigung. Aus diesem Grund bietet Coherent CO₂-Laser mit geringerer Leistung (<50 W) an, wie z. B. unsere DIAMOND Cx-10 und DIAMOND Cx-10LDE+, die einen AOM direkt integrieren. Sie eignen sich für Anwendungen, die keinen außergewöhnlich hohen Durchsatz erfordern oder eher kostensensibel sind. Mit unserem elektrooptischen CO₂-Laserschalter können Systementwickler nun auch Anwendungen unterstützen, die sowohl einen sehr hohen Durchsatz als auch Hochleistungslaser (bis zu 1000 W) erfordern. Dieser EOM wird durch andere von uns hergestellte Produkte ergänzt, wie z. B. unsere spritzer- und schmutzabweisenden Beschichtungen, die die Lebensdauer von CO₂-Laseroptiken, die bei Bohr-, Schneid- und Markierungsanwendungen häufig gereinigt werden müssen, da sie Metallspritzern und Schmutz ausgesetzt sind, erheblich verlängern.
Erfahren Sie mehr über den elektrooptischen CO₂-Laserschalter von Coherent.
