Was ist Laser-Ablation?
Laser-Ablation Material aus einem festen Werkstoff abgetragen. Dabei kommen viele verschiedene Lasertypen zum Einsatz, und die Technik lässt sich auf nahezu alle Werkstoffklassen anwenden – Metalle, Halbleiter, Glas, Keramik, Polymere, Holz, Stein, Gewebe und andere biologische Materialien.
Laser werden für den selektiven Materialabtrag in einem äußerst breiten Anwendungsspektrum eingesetzt – von der Herstellung moderner Halbleitergehäuse über die Hornhautkorrektur bis hin zur Fertigung von Kunststoffschildern. Doch bei all diesen unterschiedlichen Anwendungen bieten Laser in der Regel ähnliche Vorteile, die sie von anderen Technologien abheben. Dazu gehören:
Räumliche Selektivität |
Dies ist die Fähigkeit, Material auf einem vordefinierten Bereich präzise und in einer genau kontrollierten Tiefe abzutragen sowie komplexe Muster oder feine Details zu erzeugen. |
Kleine Wärmeeinflusszone HAZ) |
Je nach Material und Lasertyp Laser-Ablation durchgeführt werden, ohne dass sich die Umgebung des Bereichs, in dem das Material abgetragen wird, wesentlich verändert oder beschädigt wird. |
Berührungslose Verarbeitung |
Da bei der Laserbearbeitung keine mechanische Kraft oder kein Druck auf das Werkstück ausgeübt wird, eignet sie sich für kleine oder empfindliche Teile. Dies führt in den meisten Anwendungsfällen zudem zu einem geringeren Werkzeugbedarf. |
Prozessflexibilität |
Laser-Ablation erfordert in der Regel Laser-Ablation speziellen Werkzeuge und wird fast immer computergesteuert durchgeführt. Dadurch lässt sie sich leicht anpassen. So erhält beispielsweise bei vielen Laserätzen Gravuranwendungen jedes einzelne Teil ein einzigartiges Muster oder eine einzigartige Markierung. |
Laser-Ablation
Zwar Laser-Ablation in vielen Anwendungsbereichen ähnliche Vorteile, doch funktioniert diese Technik auf unterschiedliche Weise. Diese hängen vom Lasertyp, dem Material selbst und den Anforderungen der jeweiligen Aufgabe ab. Im Großen und Ganzen basieren jedoch alle Ablationsprozesse auf photothermischen oder photoablativen Wechselwirkungen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass innerhalb eines einzigen Prozesses eine Kombination aus beiden auftritt.
Bei einem photothermischen Prozess wird Material durch intensive, räumlich begrenzte Erwärmung abgetragen. Im Wesentlichen wird die Substanz schnell erhitzt, bis Material entweder verdampft oder sublimiert (direkt vom festen in den gasförmigen Zustand oder in Plasma übergeht, ohne eine dazwischenliegende flüssige Phase zu durchlaufen).
Bei der photothermischen Bearbeitung wird in der Regel eine beträchtliche Menge an Wärme in das Werkstück eingebracht. Daher wird dieses Verfahren normalerweise nicht bei wärmeempfindlichen Teilen (mit Materialien, die Wärmeleitfähigkeit hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen) oder bei kleineren Werkstücken (bei denen die Wärme leicht andere Bereiche des Teils erreichen kann) eingesetzt. Die photothermische Bearbeitung bietet in der Regel relativ hohe Materialabtragsraten, wodurch sie sich für Produktionsanwendungen mit hohem Durchsatz und für solche eignet, die große Flächen abdecken.
Bei der zweiten Methode – Photoabtragung werden die molekularen oder atomaren Bindungen, die ein Material zusammenhalten, direkt aufgebrochen, anstatt es zu erhitzen. Dadurch handelt es sich um einen „kalten“ Prozess. Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, diesen Bindungsaufbruch zu erreichen.
- Das erste Verfahren basiert auf Absorption linearen Absorption eines Photons Absorption Material, dessen Energie größer ist als die chemische Bindungsenergie. Dabei kommen fast immer Ultraviolett-Laser (UV-Laser) zum Einsatz, da nur UV-Photonen in den meisten Feststoffen genügend Energie für das Aufbrechen von Bindungen liefern. Dies liegt daran, dass die Photonenenergie mit Wellenlänge zunimmt und UV-Licht eine kürzere Wellenlänge hat Wellenlänge sichtbares oder infrarotes Licht.
- Die zweite Möglichkeit, Photoabtragung zu bewirken, Photoabtragung der Einsatz eines Lasers mit einer ausreichend hohen Impulsspitzenleistung, um Absorption nichtlineare Absorption auszulösen. Bei diesem sogenanntenMultiphotonenabsorbiert das Material die Laserenergie wenn es bei dieser Wellenlänge normalerweise transparent ist. Die zur Auslösung Absorption nichtlinearen Absorption erforderlichen Spitzenleistungen Absorption in der Regel nur mit einem Ultrakurzpuls USP) erreichen.
Photoabtragung für Präzision eingesetzt, die höchste Präzision erfordern und bei denen die Wärmeeinflusszone (HAZ) möglichst gering sein muss (oft nur einige zehn Mikrometer). Die Materialabtragsraten sind jedoch in der Regel deutlich geringer als bei der photothermischen Ablation. Zudem sind die USP-Quellen in der Regel größer und kostspieliger als die Laser, die für photothermische Verfahren verwendet werden.
Zahlreiche Laser für vielfältige Anwendungsbereiche
Praktisch alle Laserschneid- und Bohrverfahren können als Ablation betrachtet werden. Es ist jedoch sinnvoll, diese Betrachtung auf Anwendungen zu beschränken, bei denen es um den selektiven Materialabtrag oder die Oberflächenstrukturierung geht, und nicht um das Durchschneiden. Eine Möglichkeit, die breite Palette der Ablationsanwendungen zu kategorisieren, ist die Einteilung nach Material.
Metalle: Die Metallabtragung findet in vielen verschiedenen industriellen Anwendungen Einsatz. Bei einigen davon geht es darum, Fremdstoffe von der Oberfläche eines Metallteils zu entfernen. Dazu gehört beispielsweise das Abtragen von Rost, Korrosion, Farbe oder anderen Beschichtungen. Dies kann auch das Entfernen von Öl, Klebstoffen oder anderen unerwünschten Verunreinigungen von der Oberfläche eines Teils vor dem Lackieren, Beschichten, Kleben oder anderen Verfahren umfassen.
Im Idealfall wird die Laserstrahlung bei dieser Art der Ablation von der Fremdsubstanz absorbiert, nicht jedoch vom darunterliegenden Metall. Dadurch lässt sich die Oberfläche relativ einfach reinigen, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung des Bauteils besteht. Je nach den konkreten Materialien kommt hierfür in der Regel ein Faser-,CO₂- oder ein DPSS-Laser ( Diode, solid-state) mit Nanosekunden-Pulsdauer zum Einsatz.
Beim Laserätzen Gravieren von Metallen, das zu industriellen Kennzeichnungszwecken oder auch zu dekorativen Zwecken durchgeführt werden kann, besteht das Ziel darin, Material vom Werkstück selbst abzutragen. Dies geschieht in der Regel mit einem Faserlaser oder einem Nanosekunden-DPSS-Laser, meist mit einer Wellenlänge im grünen oder UV-Bereich. Letztere kommen insbesondere bei dünneren, empfindlichen oder wärmeempfindlichen Werkstücken zum Einsatz. Für die wärmeempfindlichsten Anwendungen im Bereich der Metallabtragung USP-Laser manchmal ein USP-Laser verwendet.
Halbleiter: Die Hauptanwendung der Laser-Ablation Halbleiter ist das Ätzen oder Gravieren von Markierungen auf Wafern im Rahmen der Herstellung mikroelektronischer Schaltungen. Dies erfolgt meist mit Nanosekunden-DPSS-Lasern mit Ausgangsleistung im grünen oder UV-Bereich, da die meisten Halbleiter bei der Wellenlänge Quellen zumindest teilweise transparent sind.
Ultraschallpistolen werden manchmal zur Präzision verschiedener Halbleiter eingesetzt, meist im Forschungsbereich. Sie können auch zur Präzision im Rahmen der Fehleranalyse von integrierten Schaltkreisen aus der Serienfertigung (Entkapselung) verwendet werden.
Glas: Glas findet in einem außerordentlich breiten Anwendungsspektrum Verwendung, und ebenso vielfältig ist der Einsatz von Lasern zur Glasabtragung. Anwendungen im Bereich der dekorativen Gravur – wie die Personalisierung oder die Herstellung von Mustern auf Trinkgläsern, Weinkelchen, Bechern, Flaschen und vielem mehr – werden fast ausnahmslos mit einemCO₂-Laser durchgeführt. Für Präzision , die Präzision höhere Präzision erfordern, darunter die Kennzeichnung von Produkten und Behältern in der Halbleiter, Display- und Pharmaindustrie, kommen in der Regel entwederCO₂- oder UV-DPSS-Laser zum Einsatz.
Eine weitere wichtige Anwendung der Laserablation von Glas ist die Herstellung von „mikrofluidischen“ Bauteilen. Dabei handelt es sich um Glassubstrate mit kleinen Kanälen (Querschnitt im Submillimeterbereich), durch die der Flüssigkeitsfluss präzise gesteuert werden kann. Die Mikrofluidik bildet die Grundlage für sogenannte „Lab-on-a-Chip“-Bauteile, die unter anderem für PCR-Amplifikation und DNA-Analyse eingesetzt werden. UV-DPSS- und USP-Laser können verwendet werden, um diese Kanäle mit hoher Präzision zu erodieren.
In der Regel wird der Laser dazu verwendet, einen Kanal auf der Oberfläche eines Glassubstrats zu erodieren. Dieses wird dann mit einem weiteren Stück Glas verbunden, um einen inneren Kanal zu schaffen. Mit USP-Lasern ist es jedoch sogar möglich, einen inneren Kanal direkt in einem massiven Glassubstrat zu erzeugen. Dies ist eine einzigartige Eigenschaft von USP-Lasern.
Polymere: Auch in zahlreichen anderen Branchen werden Polymere mittels Laserablation bearbeitet. SoLaser-Ablation beispielsweiseLaser-Ablation Präzision Laser-Ablation zur Strukturierung der Oberflächen medizinischer Implantate sowie zum selektiven Entfernen von Polymerbeschichtungen von medizinischen Geräten eingesetzt. In der Mikroelektronik-Verpackung Laser-Ablation zum „Trenching“ um System-in-Package-Bauteile (SiP) herum eingesetzt, die in einem Polymerharz eingekapselt wurden. Dies geschieht vor der Singulation (Trennung in einzelne Bauteile). Die große Vielfalt der bei diesen Anwendungen eingesetzten Polymere sowie die unterschiedlichen Anforderungen an die Prozessgeschwindigkeit und andere Faktoren führen dazu, dass nahezu jeder Lasertyp für Präzision zum Einsatz kommt.
Ablationsprozess weiterer wichtiger Ablationsprozess bei Polymeren Ablationsprozess das Abtragen der Isolierung von Sammelschienen. Dabei wird mithilfe einesCO₂-Lasers eine Kunststoffisolierung rasch von einem Kupferleiter entfernt.
Das Ätzen und Gravieren von Kunststoffen – insbesondere von Acryl – findet ebenfalls breite Anwendung bei der Herstellung von Beschilderungen für den Innen- und Außenbereich. Auch hier kommen fast ausschließlichCO₂-Lasersysteme zum Einsatz. Diese eignen sich zudem zum Ätzen und Gravieren organischer Materialien wie Holz und Leder sowie von Stein.
Gewebe: Zahlreiche chirurgische und therapeutische medizinische Verfahren basieren auf Laser-Ablation. Dazu gehören LASIK und PRK, bei denen jeweils ein Excimerlaser Abtragen und Umformen der Hornhaut eingesetzt wird. Weltweit werden jedes Jahr weit über eine Million dieser beiden Eingriffe durchgeführt.
Laser werden in vielen anderen chirurgischen und zahnmedizinischen Anwendungsbereichen zum Abtragen von Weich- und Hartgewebe eingesetzt. Dazu gehören die Entfernung von Tumoren, die Behandlung der benignen Prostatahyperplasie (BPH), die Lithotripsie (Zerstörung von Nierensteinen), die Kiefer- und Gesichtschirurgie sowie verschiedene Bereiche der Neurochirurgie.
Für die meisten chirurgischen Anwendungen kommen verschiedene DPSS-Lasertypen zum Einsatz, darunter Er:YAG-, Nd:YAG-, Ho:YAG- und Thulium-Faserlaser (TFLs). Alle diese Laser erzeugen eine leistungsstarke Strahlung im mittleren Infrarotbereich (nahe dem Absorption Wasser), und ihr Licht kann zudem über eine Faser geleitet werden. Dies ermöglicht eine effiziente und hochselektive Gewebeentfernung unter Verwendung eines minimalinvasiven chirurgischen Instruments.
CO₂-Laser, die sich nicht ohne Weiteres über Glasfaser leiten lassen, finden in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie sowie in der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde breite Anwendung. Der große Vorteil desCO₂-Lasers liegt in seiner Fähigkeit, Gewebe sowohl zu abtragen als auch zu koagulieren. Dies verringert den Blutverlust während des Eingriffs und fördert eine schnelle Genesung des Patienten.
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