Was ist Laserablation?
Laserablation ist ein Verfahren zum Abtragen von Material aus einem Festkörper. Es kommen viele verschiedene Lasertypen zum Einsatz, und diese Technik lässt sich praktisch auf alle Materialklassen anwenden – Metalle, Halbleiter, Glas, Keramik, Polymere, Holz, Stein, Gewebe und andere biologische Materialien.
Laser werden zum selektiven Abtragen von Material in einem außerordentlich breiten Anwendungsspektrum eingesetzt – von der Herstellung moderner Gehäuse für integrierte Schaltkreise über die Hornhautkorrektur bis hin zur Herstellung von Kunststoffschildern. In all diesen vielfältigen Anwendungen bieten Laser jedoch in der Regel ähnliche Vorteile, die sie von anderen Technologien unterscheiden. Dazu gehören:
| Räumliche Selektivität | Dies ist die Fähigkeit, Material auf einer vordefinierten Fläche präzise bis zu einer gut kontrollierbaren Tiefe abzutragen und komplexe Muster oder feine Details zu erzeugen. |
| Geringe Wärmeeinflusszone (HAZ) | Je nach Material und Lasertyp kann die Laserablation durchgeführt werden, ohne dass sich die Umgebung der Stelle, an der das Material abgetragen wird, wesentlich verändert oder beschädigt wird. |
| Berührungslose Bearbeitung | Da bei der Laserbearbeitung keine mechanischen Kräfte oder Druck auf das Werkstück einwirken, kann sie für kleine oder zerbrechliche Teile eingesetzt werden. Dies verringert zudem für die meisten Anwendungen die Anforderungen an die Werkzeuge. |
| Flexibilität des Verfahrens | Die Laserablation erfordert in der Regel keine Spezialwerkzeuge und wird fast immer computergesteuert durchgeführt. Dadurch lässt sie sich leicht anpassen. Beispielsweise erhält bei vielen Anwendungen des Laserätzens oder der Lasergravur jedes einzelne Teil ein einzigartiges Muster oder eine Markierung. |
Verfahren der Laserablation
Die Laserablation bietet in vielen Anwendungen ähnliche Vorteile, doch diese Technik funktioniert nach einer ganzen Reihe von Methoden. Diese hängen vom Lasertyp, dem Material selbst und den Anforderungen der jeweiligen Aufgabe ab. Generell lässt sich jedoch sagen, dass alle Ablationsprozesse auf photothermischen oder photoablativen Wechselwirkungen beruhen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass im Rahmen eines einzigen Prozesses eine Kombination aus beiden stattfindet.
Photothermischer Prozess
Beim photothermischen Prozess wird das Material durch intensive, räumlich begrenzte Erwärmung abgetragen. Das Material wird im Wesentlichen schnell erhitzt, bis es zum Ausbrennen oder zur Sublimation des Materials kommt (direkter Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand oder in ein Plasma, ohne dass eine flüssige Zwischenphase durchlaufen wird). Bei diesem Bearbeitungsverfahren wird in der Regel eine beträchtliche Wärmemenge in das Werkstück eingeleitet. Daher wird es in der Regel nicht bei wärmeempfindlichen Bauteilen (Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit ) oder bei kleineren Werkstücken (bei denen die Wärme leicht auch in andere Bereiche des Bauteils gelangen kann) eingesetzt. Die photothermische Bearbeitung bietet in der Regel einen relativ schnellen Materialabtrag, wodurch sie sich für hochleistungsfähige Fertigungsanwendungen und Anwendungen eignet, die große Flächen abdecken.
Fotoablation
Die zweite Methode – die Photoablation – beruht auf dem direkten Aufbrechen der molekularen oder atomaren Bindungen, die das Material zusammenhalten, anstatt es zu erwärmen. Es handelt sich also um einen „kalten“ Prozess. Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, diese Bindungsauflösung zu erreichen.
- Die erste Methode der Photoablation beruht auf der linearen Absorption eines Photons im Material, dessen Energie größer ist als die Energie der chemischen Bindung. Praktisch immer handelt es sich dabei um ultraviolette (UV-)Laser, da nur UV-Photonen ausreichend Energie, um die Bindung in den meisten Feststoffen aufzubrechen. Das liegt daran, dass die Energie eines Photons mit abnehmender Wellenlänge zunimmt und UV-Licht eine kürzere Wellenlänge hat als sichtbares oder infrarotes Licht.
- Eine zweite Möglichkeit, eine Photoablation zu bewirken, ist der Einsatz eines Lasers, dessen Impulsspitzenleistung hoch genug ist, um eine nichtlineare Absorption auszulösen. Bei dieser Art von „Multiphotonen“-Prozess absorbiert das Material die Laserenergie, auch ob es unter normalen Umständen bei der gegebenen Laserwellenlänge für den Laserparsek transparent ist. Die Spitzenleistungen, die zur Auslösung der nichtlinearen Absorption erforderlich sind, lassen sich in der Regel nur mit ultrakurzen Impulsen (USP) erreichen.
Die Fotoablation wird für hochpräzise Anwendungen und solche eingesetzt, die eine möglichst geringe HAZ erfordern (oft nur 10 Mikrometer). Die Materialabtragsrate ist jedoch im Allgemeinen viel geringer als bei der photothermischen Ablation. Zudem sind USP-Laserquellen in der Regel größer und teurer als Laser, die für photothermische Prozesse verwendet werden.
Viele Laser für unzählige Anwendungen
Praktisch alle Verfahren des Laserschneidens und -bohrens können als Ablation betrachtet werden. Für unsere Zwecke beschränken wir den Begriff der Laserablation jedoch ausschließlich auf Anwendungen, die das selektive Entfernen von Material oder die Strukturierung von Oberflächen beinhalten, nicht auf das Durchschneiden. Eine Möglichkeit, die breite Palette der Ablationsanwendungen zu unterteilen, ist die Kategorisierung nach dem Material.
Laserablation von Metallen
Die Ablation von Metallen wird in vielen verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt. Dazu gehört unter anderem die Entfernung von Fremdmaterial von der Oberfläche eines Metallbauteils. Beispiele hierfür sind die Ablation von Rost, Korrosion, Farbe oder anderen Beschichtungen. Es kann sich auch um die Reinigung der Oberfläche eines Bauteils von Öl, Klebstoffen oder anderen unerwünschten Verunreinigungen vor dem Lackieren, dem Auftragen von Beschichtungen, dem Kleben oder anderen Verfahren handeln.
Im Idealfall wird die Laserenergie bei dieser Art der Ablation vom Fremdstoff absorbiert, nicht jedoch vom Grundmetall. Dies ermöglicht eine relativ einfache Reinigung der Oberfläche ohne das Risiko einer Beschädigung des Bauteils. Je nach den jeweiligen Materialien bedeutet dies in der Regel den Einsatz eines Faserlasers, eines CO₂-Lasers oder eines diodengepumpten Lasers mit Nanosekunden-Pulsdauer und Festkörper (DPSS).
Beim Laserätzen und -gravieren von Metallen, das für die industrielle Kennzeichnung oder sogar für dekorative Zwecke durchgeführt werden kann, besteht das Ziel darin, Material vom Bauteil selbst zu entfernen. Dies erfolgt in der Regel mit einem Faserlaser oder einem Nanosekunden- DPSS-Laser, meist mit einer Ausgangsleistung im grünen oder UV-Bereich. Letztere Laser werden vor allem bei dünneren, feinen oder wärmeempfindlichen Werkstücken eingesetzt. Für die anspruchsvollsten Anwendungen bei der Ablation von wärmeempfindlichen Metallen wird manchmal ein USP-Laser eingesetzt.
Laserablation von Halbleitern
Die Hauptanwendung der Laserablation von Halbleitermaterialien ist das Ätzen oder Gravieren von Markierungen auf Wafern bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen. Hierfür werden meist Nanosekunden-DPSS-Laser mit einer Ausgangsleistung im grünen oder UV- Bereich, da die meisten Halbleiter bei der infraroten Grundwellenlänge dieser Quellen zumindest etwas durchlässig sind.
USP-Laser werden manchmal zur präzisen Mikrostrukturierung verschiedener Halbleiter eingesetzt, meist im Forschungsbereich. Sie können auch zur präzisen Materialabtragung bei der Fehleranalyse von integrierten Schaltkreisen aus der Fertigung (Entkapselung) verwendet werden.
Laserablation von Glas
Glas wird in einem außerordentlich breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, und der Einsatz von Lasern zur Glasablation ist ebenso vielfältig. Anwendungen des dekorativen Ätzens – wie die Personalisierung oder die Herstellung von Mustern auf Trinkgläsern, Weingläsern, Tassen, Flaschen und anderen Gegenständen – werden fast ausnahmslos mit einem CO₂-Laser durchgeführt. Aufgaben der Glasgravur mit höherer Präzision, darunter die Kennzeichnung von Produkten und Behältern, die in der Halbleiter-, Bildgebungs- und Pharmaindustrie verwendet werden, werden in der Regel entweder mit CO₂- oder UV-DPSS-Lasern durchgeführt.
Eine weitere wichtige Anwendung der Laserablation von Glas ist die Herstellung von „mikrofluidischen“ Geräten. Dabei handelt es sich um Glassubstrate mit kleinen Kanälen (Querschnitt im Submillimeterbereich), durch die der Durchfluss von Flüssigkeiten präzise gesteuert werden kann. Die Mikrofluidik bildet die Grundlage für sogenannte „Lab-on-a-Chip“-Systeme für Verfahren wie die PCR-Amplifikation und die DNA-Analyse. Zur Ablation dieser Kanäle mit hoher Genauigkeit können UV-DPSS- und USP-Laser eingesetzt werden.
Meistens wird der Laser zur Ablation eines Kanals auf der Oberfläche eines Glassubstrats eingesetzt. Dieses wird dann mit einem weiteren Glasstück verbunden, wodurch ein innerer Kanal entsteht. Mit Hilfe von USP-Lasern ist es jedoch möglich, einen inneren Kanal auch direkt in einem festen Glassubstrat zu erzeugen. Dies ist eine einzigartige Eigenschaft von USP-Lasern.
Laserablation von Polymeren und Kunststoffen
Auch Polymere werden in vielen verschiedenen Industriezweigen mit dem Laser abgetragen. Die hochpräzise Laserablation wird beispielsweise zur Texturierung der Oberflächen medizinischer Implantate und zur selektiven Entfernung von Polymerbeschichtungen von medizinischen Geräten eingesetzt. Bei Gehäusen für die Mikroelektronik wird die Laserablation zum „Ritzen“ um SiP-Bauteile (System-in- Package) herum eingesetzt, die in Polymerharz eingekapselt sind. Dies erfolgt vor der Singulierung (Trennung in einzelne Bauteile). Die große Bandbreite an Polymeren, die in diesen Anwendungen zum Einsatz kommen, sowie unterschiedliche Anforderungen an die Prozessgeschwindigkeit und weitere Faktoren führen dazu, dass für die präzise Ablation von Polymeren nahezu alle Lasertypen verwendet werden.
Ein weiterer wichtiger Prozess bei der Polymerablation ist das Entfernen der Isolierung von Stromschienen. Hier wird mithilfe eines CO₂-Lasers die Kunststoffisolierung schnell vom Kupferleiter entfernt.
Das Ätzen und Gravieren von Polymeren – insbesondere von Acrylaten – wird auch häufig bei der Herstellung von Beschriftungen für den Innen- und Außenbereich eingesetzt. Auch hier kommen fast ausschließlich Systeme auf Basis des CO₂-Lasers zum Einsatz. Mit diesen lassen sich auch organische Materialien, einschließlich Holz und Leder, sowie Stein ätzen und gravieren.
Laserablation von Gewebe
Zahlreiche chirurgische und therapeutische medizinische Eingriffe basieren auf der Laserablation. Dazu gehören LASIK und PRK, bei denen ein Excimer-Laser zur Ablation und Umformung der Hornhaut eingesetzt wird. Jährlich werden weltweit mehr als eine Million dieser Eingriffe durchgeführt.
Laser werden in vielen weiteren chirurgischen und zahnmedizinischen Anwendungen zur Ablation von Weich- und Hartgewebe eingesetzt. Dazu gehören die Entfernung von Tumoren, die Behandlung der benignen Prostatahyperplasie (BPH), die Lithotripsie (Ablation von Nierensteinen), die maxillofaziale Chirurgie und verschiedene Formen der Neurochirurgie.
Für die meisten chirurgischen Anwendungen kommen verschiedene Arten von DPSS-Lasern zum Einsatz, darunter Er:YAG-, Nd:YAG-, Ho:YAG- und Thulium- Faserlaser (TFL). Alle diese Laser erzeugen eine hohe Leistung im mittleren Infrarotbereich (der nahe am Absorptionsmaximum von Wasser) und ihr Licht kann über Fasern übertragen werden. Dies ermöglicht eine effektive und hochselektive Entfernung von Gewebe mithilfe minimalinvasiver chirurgischer Instrumente.
CO₂-Laser, die sich nicht ohne Weiteres über Fasern übertragen lassen, werden häufig in der Oralchirurgie und HNO-Heilkunde eingesetzt. Ein großer Vorteil des CO₂-Lasers ist seine Fähigkeit zur Ablation und Koagulation von Gewebe. Dies verringert den Blutverlust während des Eingriffs und fördert eine schnelle Genesung des Patienten.
Coherent erleichtert die Ablation
Das Unternehmen COHERENT unterstützt Anwendungen der Laserablation von der Entwicklung bis zur Fertigung. Die Labore von COHERENT verfügen über umfangreiche Erfahrungen mit der Ablation vieler verschiedener Materialien und haben praktisch alle Lasertypen zur Verfügung, mit denen Verfahrensabläufe getestet und entwickelt werden können.
COHERENT liefert ein umfangreiches Produktportfolio für industrielle und wissenschaftliche Ätz-Anwendungen. Dazu gehören praktisch alle Arten von Laserquellen, OEM-Laser-Subsysteme (die den Laser, das Strahlführungssystem und die Steuereinheit integrieren) sowie komplette schlüsselfertige Lasersysteme. Für medizinische Ablationsanwendungen liefern wir an Hersteller von medizinischen Lasern und kompletten chirurgischen Systemen Laserverstärker- und nichtlineare Kristalle, Fasern für die Strahlführung sowie komplette Baugruppen aus optischen Fasern.
Quelle: Coherent.com
