Die Präzisions-Fertigung mit ultrakurzen Laserpulsen kommt aufgrund thermischer Beanspruchung bei hohen Prozessgeschwindigkeiten an ihre physikalischen Grenzen. In Bochum wird erfolgreich demonstriert, wie der Einsatz von Flüssigkeiten diese Grenzen überwindet und neue Qualitätsstandards der Laserbearbeitung setzt.

Das Laserschneiden mit ultrakurzen Pulsen zählt seit Jahren zu den modernsten mikrotechnischen Schneidverfahren. Allerdings stößt auch diese, eigentlich als „kalte Bearbeitung“ bekannte Methode, bei der Steigerung der Prozessgeschwindigkeit an ihr Limit. Kleinste Wärmemengen, die nach jedem einzelnen Laserpuls im Material verbleiben, summieren sich nach tausenden Einzelpulsen zu einem Wärmestau auf. Schmelzzonen, Mikrorisse und Materialabplatzungen sind das Resultat. Eine technologische Lösung war bisher nicht in Sicht.

An der Ruhr-Universität Bochum zeigt das Start-Up LIDROTEC jetzt, wie der Einsatz von Flüssigkeiten diese thermische Herausforderung löst. Eine Kühlflüssigkeit zu verwenden, klingt zunächst naheliegend, allerdings steckt der Teufel im Detail: Die komplexen und nichtlinearen Wechselwirkungen, die zur Ausbildung von Plasma, hohen Drücken sowie Kavitationsblasen führen, erfordern ein breites Wissen, um die Laserbearbeitung in Flüssigkeiten zu kontrollieren. Insbesondere müssen Flüssigkeit, Laser und Werkstück perfekt aufeinander abgestimmt werden, denn sonst mindern diese Wechselwirkungen die Qualität erheblich und im schlimmsten Fall entstehen nichts als „Blubberblasen“. Wenn alle Parameter stimmen, führt der optimale Wärmeübergang von Festkörpern in Flüssigkeiten zu den technisch höchstmöglichen Abkühlraten und damit zu einer deutlichen Steigerung in der Qualität.

Das Resultat ist in vielerlei Hinsicht beeindruckend: Siliziumwafer voller Mikrochips werden in der Halbleiter-industrie bisher mit Diamantkreissägen oder mit Laserstrahlung ohne Flüssigkeitseinsatz in einzelne Chips zerlegt (engl. Dicing) und haben durch die hohe thermische und mechanische Beanspruchung beträchtliche Ausschussraten von bis zu 10%. Diese Ausschussraten verursachen wirtschaftlich gesehen einen Materialverlust von bis zu 5 Mrd. EURO jährlich. Durch LIDROTECs Lasertechnologie werden die Siliziumwafer ohne Schmelzzone, mechanische Defekte oder Schmelzspritzer getrennt, wodurch der Ausschuss voraussichtlich um über 90% reduziert werden kann. So können beträchtliche Materialverluste vermieden werden.

Gerade Schmelzspritzer oder Mikro-Partikel, die sich nach der Bearbeitung auf der Oberfläche des Werkstücks absetzen, sind bisher oft ein weiteres K.-o.-Kriterium für den Einsatz des Lasers beim hochqualitativen Schneiden. Doch auch hier hilft der gezielte Einsatz von Flüssigkeiten: Mikropartikel und heiße Ablationsprodukte geben ihre Energie an die Flüssigkeit ab, entwickeln keine großen Haftkräfte an der Oberfläche und können ohne Probleme weggespült werden. Zusätzlich werden die entfernten Partikel, die nicht nur aus Silizium bestehen, sondern auch wertvolle Materialien (z.B. seltene Erden) oder Edelmetalle (z.B. Gold) enthalten können, sicher in der Flüssigkeit gebunden. Dies ermöglicht die Aufarbeitung und ressourcensparende Wiederverwertung.

Weitere Merkmale von LIDROTECs Lasertechnologie sind: Hohe Prozessgeschwindigkeit, freie Wahl der Schneidgeometrie und die Möglichkeit, Multilayer-Systeme sowie besonders spröde Materialien zu bearbeiten. Mit diesen Eigenschaften sind Anwendungen in weiteren Schlüsselindustrien, wie zum Beispiel in der Medizintechnik, beim Schneiden kleinster medizinischer Implantate oder im Bereich der Photovoltaik, möglich.

Ein weiterer hoch interessanter Aspekt nach der Bearbeitung ergibt sich bei genauer Betrachtung an der Oberfläche: Aufgrund der physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen dem Laser, der Flüssigkeit und dem Werkstück kann eine Funktionalisierung der Oberfläche erreicht werden. Das bedeutet, dass die Oberfläche neue Eigenschaften erhält. So kann z.B. der bekannte Lotus-Effekte durch eine Laser-Mikrostrukturierung hervorgerufen und mit einer chemischen Veränderung der oberflächennahen Werkstoffmatrix kombiniert werden. Dadurch kann die Oberfläche z.B. zusätzlich resistenter gegen Korrosion oder das Anhaften von Bakterien gemacht werden. Diese lokale Einstellung der biochemischen Reaktionsfähigkeit hat großes Potential, in den Bereichen Mikro-Sensorik und Life-Sciences zu weiteren technologischen Durchbrüchen zu führen.

Die gesteigerte Qualität, die hohe erreichbare Präzision und der flexible Einsatzbereich von LIDROTECs Technologie lassen die Gründer nicht daran zweifeln, dass sich LIDROTECs Laserbearbeitung in Flüssigkeiten in den nächsten Jahren zu einer Schlüsseltechnologie beim Hochpräzisions-Schneiden besonders anspruchsvoller Materialien entwickeln wird.

LIDROTEC - Innovativste Lasertechnologie aus dem Herzen des Ruhrgebiets.

Ansprechpartner
Jan Hoppius

LIDROTEC

Technologie

• Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung in Flüssigkeiten
• Laserbearbeitung
• Laserstrukturierung
• Lasermodifizierung
• Präzisionsschneiden

Innovation / USP

• Designte Flüssigkeiten als multifunktionaler Prozessbestandteil zum Kühlen, Spülen und Funktionalisieren von Werkstücken
• Freiform-Konturen
• Keine Mikrorisse
• Keine Schmelzzone
• Saubere Oberflächen
• Funktionalisierung

Zielmärkte

• Halbleitertechnologie
• Mikrosensorik
• Photovoltaik
• Medizintechnik
• Neue Werkstoffe

www.lidrotec.de

Abbildung 1: Unter dem Elektronenmikroskop sind die scharfen Schnittkanten und die partikelfreie Oberfläche eines geschnittenen Silizium-Wafers zu erkennen.
Abbildung 2: In der Seitenansicht einer Schneidkontur sind die geringe Spaltbreite und die glatten Profilwände sichtbar.
Abbildung 3: Das Gründerteam (v.l.n.r.): Dr.-Ing. Jannis Köhler, Alexander Igelmann, Alexander Kanitz und Jan Hoppius.