Faserlaser-Keramikbearbeitung für die Elektroindustrie (FalKE)

Im Zuge zunehmender Miniaturisierung stößt die Elektronikindustrie bei der hochpräzisen Materialbearbeitung von keramischen Substraten an technische Verarbeitungsgrenzen. Bei der Präzisionsbearbeitung von Keramiken sind Kohlenstoffdioxidlaser (CO2-Laser) im industriellen Einsatz weit verbreitet, da diese hervorragende Absorptionseigenschaften der Laserstrahlung in Keramiken besitzen und bereits sehr hohe Auflösungen ermöglichen. Allerdings ist die kleinste erreichbare Fokusgröße durch die große Wellenlänge des CO2-Lasers limitiert. Um die Anforderungen der Industrie nach immer höherer Präzision im Mikrometerbereich zu
erreichen, sind neue Verfahren wie die Faserlaser-Technologie einzusetzen.

Im Rahmen des Projekts Faserlaser-Keramikbearbeitung für die Elektroindustrie (FalKE) wurden grundlegende Untersuchungen zum Einsatz des Faserlasers bei der Bearbeitung von Keramiksubstraten durchgeführt und mit Bearbeitungsergebnissen von CO2-Lasern verglichen. Für die Versuche wurden die am häufigsten eingesetzten Hochleistungskeramiken Aluminiumoxid (Al2O3) und Aluminiumnitrid (AlN) verwendet. Beim Laserbohren mit dem Faserlaser wurden anforderungsgerechte Bohrdurchmesser von weniger als 50 μm mit guter Zirkularität und geringer Konizität bei kurzen Prozesszeiten erreicht, wodurch die Packungsdichte auf Keramiksubstraten deutlich erhöht werden konnte. Beim Trennen überzeugte der Faserlaser durch seine sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten von 300 mm/s bei 500 W Laserleistung. Der Vergleich experimenteller Ergebnisse mit denen numerischer Simulationen belegt, dass selbst das Schneiden von Ecken und Spitzen keine zusätzlichen Festigkeitseinbußen durch den Laserprozess zur Folge hat.

Im Anschlussvorhaben Falke-Valid zeigte die Untersuchung, dass die Festigkeit von mit Faserlasern geschnittener Keramik deutlich über der von CO2-Laser geschnittenen Proben liegt. Zudem konnte durch digitale Modulation bei geringeren Geschwindigkeiten die Festigkeit der Proben bis nahe an das unbearbeitete Material gesteigert werden. Mittels digitaler Modulation wurde auch die Herstellung komplexer Innen- und Außenkonturen ermöglicht, was die Freiheitsgrade im Schaltungsdesign erhöht. Untersuchungen zur Temperaturwechselbeständigkeit im Reflow-Lötofen haben gezeigt, dass die mit Faserlaser geschnittenen Keramiken typische Temperaturbelastungen in der Prozesskette unbeschadet überstehen. Die Produktivität des Faserlasers liegt bei gleicher optischer Leistung zudem um einen Faktor 6 über der des CO2-Lasers, da durch schmalere Schnittfugen deutlich weniger Material aufgeschmolzen werden muss. Die Produktivität lässt sich durch den Einsatz von Mehrfachköpfen und Strahlweichen weiter steigern.

Die Projektergebnisse zeigen deutlich auf, dass der Einsatz des Faserlasers in der Keramikbearbeitung
als durchwegs positiv zu bewerten ist und signifikante Vorteile gegenüber CO2-Lasern aufweist. Die einzigartige Strahlqualität und Zuverlässigkeit der Faserlaser-Technologie sind deutliche Vorteile, die eine breite industrielle Anwendung stützen.

Von der Grundlage zum qualifizierten Forschungsergebnis Forschungsförderung

Das Projekt „Faserlaser-Keramikbearbeitung für die Elektroindustrie (FalKE)“ wurde durch die Bayerische Forschungsstiftung mit rund 50.000 € gefördert. Die Förderung wurde eingesetzt, um grundlegende Untersuchungen zum Einsatz von Faserlasern in der Keramikbearbeitung durchzuführen. Die durchwegs positiven Projektergebnisse haben Anlass zu Folgestudien gegeben.

Die Anschlussförderung mit dem Titel Faserlaser-Keramikbearbeitung für die Elektroindustrie (FalKE-Valid) wurde im Programm zur Validierung von Forschungsergebnissen und Erfindungen (Validierungsprogramm) des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie mit 300.000 € gefördert und durch den Projektträger Bayern begleitet. Das Ziel der Förderung war die technologische Absicherung der technologischen und wirtschaftlichen Anschlussfähigkeit, insbesondere der Transfer in die industrielle Forschung.