新しい高出力CO2 レーザ変調器がより高速な加工速度を実現
独自の電気光学変調器と高出力CO2レーザを組み合わせることで、多くの切断、穴開け、彫刻の用途に大変革をもたらすのに必要な高速化と精度を実現します。
2024年10月14日、Coherent
Coherentのレーザ変調器技術におけるこの最新の画期的発見は、マイクロエレクトロニクス製造や医療機器製造などにおけるきわめて要求の厳しい大量の材料加工作業に、スループットの向上とコストの削減をもたらします。特に、新しいCoherentのCO₂ レーザ電気光学スイッチは、より高出力のレーザ（最大1 kW）を使用することによって、ポリマー、複合材料、有機物、セラミックスなどの非金属に関わる多くの穴開け、切断、彫刻加工の速度をアップします。
変調器がどのように動作するかを学び、この新しいテクノロジーが多くのメーカーにとって、いかに劇的にコストを削減することができるかをご覧ください。
変調器を理解する
光学変調器は、印加された電気信号に反応して、時間形状および／またはレーザの出力を制御するために使用される機器です。最も単純な実装では、連続波（一定の出力）レーザビームを、要求に応じて、さまざまなレベルの透過率で遮断したり透過したりすることができます。
この目的で最も幅広く使用される2つの技術は、音響光学変調器（AOM）と電気光学変調器（EOM）です。AOMには、圧電振動子が取り付けられた透明な結晶が含まれています。無線電波周波数信号を振動子に印加すると、結晶内に音（または音響）波が生成されます。これが材料の屈折率の周期的変化を生み出し、回折格子のように機能するようになります。
入力信号を変えることで、音響波の振幅が変化します。これによって、多かれ少なかれ、光がメインビームから回折され、回折次数に入ります。変調はこのようにして達成されます。
EOMは電気光学結晶を利用します。これは、電圧が印加されたときに、入力された直線偏光レーザ光の偏光面を回転する材料です。直線偏光子を結晶の出力端に置くことで、印加された電圧が変化したときにビーム変調が得られます。
AOMとEOMのほぼすべての動作と実用的特性はそれぞれ異なります。これによって、各技術が、ある特定の用途に最適のものとなるのです。ハイスループット材料加工に関連する主要パラメータには以下のようなものがあります：
高出力動作 |
EOMはバルク材の熱安定性が高く、冷却構成がより堅牢であるため、より高出力のレーザビームで動作することができます。 |
立ち上がり時間 |
これは、変調器がどれくらい速く、完全にビームを遮断した状態から、それを完全に透過する状態になることができるかを示します。EOMはAOMの20倍も速い立ち上がり時間が可能です。 |
変調周波数 |
これは、変調器のONとOFFがどれくらい速く切り替えられるかを示します。AOMは通常、ビームを変調するのに必要な電圧がはるかに低いため、より簡単に高い変調率をサポートすることができます。EOMの最大変調周波数は 、最先端の高電圧スイッチング技術によって制御されています。 |
EOMはAOMより立ち上がり時間が速いとはいえ、変調速度が遅いというのは、混乱するように思えるかもしれません。この図はこれらの用語の定義を示しており、この混乱を解明するのに役立つはずです。
変調器の主要な出力パラメータの定義。見てわかるとおり、立ち上がり時間と立ち下がり時間は、変調速度に直接関係していません。
ビアドリリング
EOMの特殊な特性から恩恵を得ることができる用途の1つが、マイクロエレクトロニクス製造における「ビア」ドリリングです。ビアはプリント回路基板（PCB）に開けられた小さな穴で、異なる層間の電気接続を可能にします。
PCBは機器が小型化するにつれて縮小しています。このことは特に、スマートフォン、5Gトランシーバー、ウェアラブルなどの機器に当てはまります。これらの非常に小型化された機器はしばしば、高密度相互接続（HDI）PCBやIC基板といった高度なパッケージング技術を採用しています。これらに必要とされるビアは、従来の手法で達成されるものよりもはるかに小型ですが、レーザはこれらのより新しいタイプの電気パッケージに必要な小さな穴を開けるのに優れています。
CO₂ レーザは、FR4、PTFE、ガラス織物複合材料、セラミックスなど、多くのエレクトロニクスパッケージで使用される材料を非常に効率的に加工できるため、市販のビアドリリングシステムで幅広く使用されています。さらに銅トレースのアブレーションも可能です。
CO₂ レーザは直径約30 µmまでビアを開けることができます。これらのシステムはAOMを使用して、5,000 ビア／秒以上のスピードで動作することができます。これは驚くべき速さのように聞こえるかもしれませんが、エレクトロニクスメーカーはさらに速い速度を求めています。
その理由は単純です。スループットを向上させることは、コスト削減につながるからです。
ビアドリリングのスループットを向上させる
典型的な高速ビアドリリングシステムは、レーザビームを4つもの別々のビームに分割します。これにより、1本のビームだけを使用するよりも、全体的なスループットが4倍も高くなります。
ビームをもっと多くの別々のビームに分割することで、スピードをより速くすることができます。ところがビームを分割するということは、その中のレーザ出力も分割するということです。さらに、ドリリングを行うには、それぞれのビームに一定量の出力が必要になります。
明らかなソリューションは、レーザ出力を上げることです。そしてここが、ほとんどのCO₂ レーザビアドリリングシステムで使用されるAOMの限界となります。AOMは単に、約300 W以上の出力ではCO₂ レーザを扱うことができないからです。さらに、300 Wのビームを4回以上分割すると、ドリリング加工において各ビームに十分な出力が提供できなくなります。
1 kWのCO₂ レーザは、ビームを複数回分割するのに十分な出力を供給し、半導体メーカーが求めるスループットの向上が得られます。しかし、このアプローチが機能するには、約1 kWのCO₂ レーザ出力を扱うことのできる変調器が必要になります。それができるAOM変調器はこれまで存在しなかったため、Coherentは当社のCO₂ レーザ電気光学スイッチのためにEOM技術に目を向けました。
あらゆる用途に対応する変調器
AOMとEOMにはそれぞれの用途があります。この理由から、CoherentはDIAMOND Cx-10やDIAMOND Cx-10LDE+など、AOMを直接統合した低出力（<50 W）CO₂ レーザを提供しています。これらのサービス用途は特別に高いスループットレベルを必要としない、すなわち、よりコストを重視しているということです。そして現在、当社のCO₂ レーザ電気光学スイッチにより、システムビルダーは、非常に高いスループットと高出力（最大1000 W）のレーザの両方を必要とするアプリケーションをサポートすることが可能になりました。このEOMは、スパッタおよび破片耐性コーティングなど、当社が製造する他の製品によってさらに補完されます。これらは穴開け、切断、マーキング用途における金属スパッタや破片への暴露から、頻繁なクリーニングが必要となるCO₂ レーザ光学系の寿命を飛躍的に延ばします。
CoherentのCO₂ レーザ電気光学スイッチについてさらに学ぶ。
