DE102011114287B4

DE102011114287B4 - Equipment for the precise, high-speed processing of substrates, in particular of thin substrates with high-performance ultrafast pulsed lasers

Info

Publication number: DE102011114287B4
Application number: DE102011114287.1A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Du Keming Dr De
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: DE102011114287A1

Abstract

Anlage zur Bestrahlung oder zur Bearbeitung von biegsamen, dünnen Substraten (78) mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser, die aus – einer Laserstrahlquelle (1) zur Erzeugung eines Laserstrahls (11), – einer Leistung/Energie-Modulationseinheit (21), – einer Strahlformungs- und Strahlfokussierungseinheit (31), – mindestens einer Drehachse (72), – einer linearen Achse (32) und – einem Hohlzylinder (71) besteht, wobei der Laserstrahl (11), die mindestens eine Drehachse (72) und die lineare Achse koaxial zueinander angeordnet sind und ein zu bearbeitendes biegsames, dünnes Substrat (78) an einer Innenmantelfläche des Hohlzylinders (71) angebracht ist, wobei der Hohlzylinder (71) auf der Drehachse (72) montiert ist und die Strahlformungs- und Strahlfokussierungseinheit (31) und die strahlablenkende Komponente (37) auf der linearen Achse (32) montiert sind, wobei durch eine Rotation des Hohlzylinders (71) und eine lineare Bewegung der Strahlformungs- und Strahlfokussierungseinheit (31) und der strahlablenkenden Komponente (37) entlang der linearen Achse (32) der Auftreffpunkt des Laserspots sich in Form von Ringen oder Spiralen auf der Innenmantelfläche des Hohlzylinders (71) bewegt und dabei der Laserspot über die Fläche des Substrates (78) gescannt wird, wobei das Substrat (78) Punkt für Punkt und Schicht für Schicht bestrahlt oder abgetragen wird.Apparatus for irradiating or processing flexible, thin substrates (78) with a high-power ultrafast pulse laser, comprising - a laser beam source (1) for generating a laser beam (11), - a power / energy modulation unit (21), - a beamforming and Beam focusing unit (31), - at least one axis of rotation (72), - a linear axis (32) and - a hollow cylinder (71), wherein the laser beam (11), the at least one axis of rotation (72) and the linear axis arranged coaxially to one another and a flexible, thin substrate (78) to be machined is attached to an inner circumferential surface of the hollow cylinder (71), the hollow cylinder (71) being mounted on the rotation axis (72), and the beam-shaping and beam-focusing unit (31) and the beam deflecting component (37) are mounted on the linear axis (32), wherein by a rotation of the hollow cylinder (71) and a linear movement of the beam-forming and Strahlfokussierungse unit (31) and the beam-deflecting component (37) along the linear axis (32) of the impact spot of the laser spot moves in the form of rings or spirals on the inner circumferential surface of the hollow cylinder (71) and thereby the laser spot over the surface of the substrate (78). is scanned, wherein the substrate (78) is irradiated or ablated point by point and layer by layer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Anlagen zur präzisen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von biegsamen, dünnen Substraten mit Hochleistungsultrakurzpulslasern und Verfahren unter Verwendung dieser Anlagen.The present invention relates to high speed, high speed machining of flexible, thin substrates with high power ultrafast pulsed lasers and methods using these devices.

Die Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern ist in der Regel für keine bzw. sehr geringe thermische Beeinflussung bekannt. Mit Ultrakurzpulslasern ist es möglich, jede Art von Materialien unabhängig von Härte und Verdampfungstemperatur mittels Ablation zu bearbeiten. Diese Eigenschaft ermöglicht die Herstellung von hoch präzisen Komponenten mit gut angepassten Materialeigenschaften, die mit herkömmlichen Methoden wie Erodieren und Fräsen nicht herstellbar sind. Allerdings setzt eine effektive und produktive Verwendung von Ultrakurzpulslasern in der Herstellung von High-End-Produkten folgendes voraus:

– Kurze bzw. ultrakurze Pulsdauer
– Pulsenergie um einige 10 μJ
– Hohe Pulswiederholrate
– Hohe mittlere Leistung
– Schnelle relative Bewegung zwischen Laserspot und Werkstück, so dass keine bzw. geringe Strahlüberlappung vorliegt
– Schnelle Modulation der Laserpulsenergie

The material processing with ultrashort pulse lasers is generally known for no or very little thermal influence. With ultrashort pulse lasers it is possible to ablate any kind of material independently of hardness and evaporation temperature. This feature makes it possible to produce high-precision components with well-adapted material properties that can not be produced using conventional methods such as eroding and milling. However, effective and productive use of ultrashort pulse lasers in the manufacture of high-end products requires:

- Short or ultra-short pulse duration
- Pulse energy by a few 10 μJ
- High pulse repetition rate
- High average power
Fast relative movement between the laser spot and the workpiece so that there is no or little beam overlap
- Fast modulation of the laser pulse energy

Durch die Entwicklung von effizienten Verstärkern wie INNOSLAB-Verstärker sind heute kurze und ultrakurze Pulslaser mit einer mittleren Leistung von über 400 W kommerziell verfügbar. Die Pulswiederholrate geht in den Bereich von mehreren 10 MHz. Die Pulsdauer beträgt einige 100 fs bis in den Nanosekundenbereich. Damit sind die Voraussetzungen für eine produktive und wirtschaftliche Anwendung von kurzen und ultrakurzen Pulslasern geben. Der Flaschenhals besteht in der Vorrichtung, mit der eine so schnelle relative Bewegung zwischen Laserspot und Werkstück realisiert werden kann, dass die Laserspots von jedem Laserpuls im Ganzen bzw. im Wesentlichen voneinander getrennt werden.Through the development of efficient amplifiers such as INNOSLAB amplifiers, short and ultra-short pulsed lasers with an average power of more than 400 W are commercially available today. The pulse repetition rate is in the range of several 10 MHz. The pulse duration is a few 100 fs down to the nanosecond range. This provides the prerequisites for a productive and economical use of short and ultrashort pulse lasers. The bottleneck consists in the device with which such rapid relative movement between laser spot and workpiece can be realized that the laser spots of each laser pulse are separated in whole or substantially.

Heutzutage werden Scanner für die relative Bewegung verwendet. Ein schneller Scanner lenkt einen Laserstrahl typischerweise 4 m/sec ab. Für den Fall, dass der Laserstrahl eine Spotgröße von 20 μm hat, ist die maximal verwendbare Pulswiederholrate auf 400 kHz limitiert, wenn eine 50%-Überlappung zulässig ist. Wenn die Pulsenergie um 40 μJ beträgt, so ist die maximal nutzbare mittlere Leistung auf 16 W limitiert. Das bedeutet, dass die Leistung eines 400 W Lasers für die Produktion nicht annährend benutzt werden kann.Today, scanners are used for relative movement. A fast scanner deflects a laser beam typically 4 m / sec. In the event that the laser beam has a spot size of 20 microns, the maximum usable pulse repetition rate is limited to 400 kHz, if a 50% overlap is allowed. When the pulse energy is around 40 μJ, the maximum usable average power is limited to 16W. This means that the power of a 400 W laser can not be used for production.

Demgegenüber kann eine Liniengeschwindigkeit auf dem Umfang eines rotierenden Zylinders von über 50 m/sec erreicht werden.In contrast, a line speed on the circumference of a rotating cylinder of over 50 m / sec can be achieved.

Die DE 10 2007 032 903 A1 beschreibt ein Verfahren zum Gravieren von massiven und rotativen Druck- oder Prägeformen (Präge-Zylinder) mittels eines Laserstrahls. Dabei wird der Laserstrahl auf die Oberfläche des massiven Präge-Zylinders fokussiert. Mit jedem Laserpuls wird ein kleines Volumen abgetragen. Die Strahlachse ist nicht koaxial mit der Zylinderachse ausgerichtet.The DE 10 2007 032 903 A1 describes a method for engraving solid and rotary printing or embossing dies (embossing cylinders) by means of a laser beam. The laser beam is focused on the surface of the massive embossing cylinder. With each laser pulse, a small volume is removed. The beam axis is not aligned coaxially with the cylinder axis.

Die DE 41 29 595 A1 beschreibt ein Verfahren zum partiellen Abtragen von auf Solarzellenoberflächen aufgebrachten Schichten. Dabei ist eine drehbare Trommel vorgesehen, auf deren Außenumfangsoberfläche eine Vielzahl von Solarzellen aufgebracht ist.The DE 41 29 595 A1 describes a method for the partial removal of layers applied to solar cell surfaces. In this case, a rotatable drum is provided, on whose outer peripheral surface a plurality of solar cells is applied.

Die DE 10 2008 015 403 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Feinbearbeiten einer Innenoberfläche einer massiven Werkstückbohrung, z. B. einer Zylinderlauffläche.The DE 10 2008 015 403 A1 describes a device for fine machining an inner surface of a solid workpiece bore, for. B. a cylinder surface.

Die WO 2008 087 196 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gravieren einer planen Werkstückoberfläche. Dabei werden ein Rotationstisch und eine lineare Achse kombiniert.The WO 2008 087 196 A1 describes a method and an apparatus for engraving a planar workpiece surface. It combines a rotary table and a linear axis.

Die Aufgabe dieser vorliegenden Erfindung besteht darin, basierend auf einer schnell rotierenden Achse Anlagen anzugeben, mit denen eine Bearbeitung mit Lasern hoher Pulswiederholrate und hoher mittlerer Leistung unter Beibehaltung hoher Qualität möglich wird.The object of this present invention is to specify systems based on a fast rotating axis, with which a processing with lasers high pulse repetition rate and high average power while maintaining high quality is possible.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 oder 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The object is achieved by a system with the features of the independent claims 1 or 2. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Kernidee der Erfindung besteht darin, dass in der Anlage zur Bestrahlung oder zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser eine Laserstrahlquelle (1), eine Leistung/Energie-Modulationseinheit (21), eine Strahlformungs- und Strahlfokussierungseinheit (31), eine strahlumlenkende Komponente (37), mindestens eine Drehachse (72), eine lineare Achse (32) und ein Hohlzylinder (71) verwendet werden, wie dies in 1 gezeigt ist. Die strahlumlenkende Komponente (37) kann ein Umlenkspiegel sein und dient dazu, den von der Laserstrahlquelle (1) emittierten Laserstrahl (11) in Richtung auf das zu bearbeitende Substrat (78) umzulenken. Auf der Innenmantelfläche des Hohlzylinders (71) wird das zu bearbeitende Substrat (78) angebracht. Ein Laserspot (17) wird auf das zu bearbeitende und auf der Innenmantelfläche des Hohlzylinders (71) angebrachte Substrat (78) eingestrahlt. Der Laserstrahl (11), die Drehachse (72) und die lineare Achse (32) sind koaxial zueinander angeordnet. Durch die Rotation und die lineare Bewegung kann das Substrat (78) vollflächig mit dem Laserspot (17) abgescannt werden. Der Scanprozess kann mehrfach wiederholt werden. Zur Variation z. B. der axialen Lage des Laserspots kann eine weitere lineare Achse (33) integriert werden. Damit können z. B. tiefe 3D-Strukturen durch schichtenweise Ablation in das Substrat (78) graviert werden.The core idea of the invention is that in the system for irradiation or for processing substrates with a high-performance short-pulse pulse laser, a laser beam source ( 1 ), a power / energy modulation unit ( 21 ), a beam-shaping and beam-focusing unit ( 31 ), a beam redirecting component ( 37 ), at least one axis of rotation ( 72 ), a linear axis ( 32 ) and a hollow cylinder ( 71 ) are used as in 1 is shown. The beam redirecting component ( 37 ) may be a deflection mirror and serves to the from the laser beam source ( 1 ) emitted laser beam ( 11 ) in the direction of the substrate to be processed ( 78 ) to divert. On the inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ) the substrate to be processed ( 78 ) appropriate. A laser spot ( 17 ) is applied to the machined and on the inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ) attached substrate ( 78 ). The laser beam ( 11 ), the axis of rotation ( 72 ) and the linear axis ( 32 ) are arranged coaxially with each other. Due to the rotation and the linear movement, the substrate ( 78 ) over the entire surface with the laser spot ( 17 ) are scanned. The scanning process can be repeated several times. For variation z. B. the axial position of the laser spot can be another linear axis ( 33 ) to get integrated. This can z. B. deep 3D structures by layered ablation into the substrate ( 78 ) are engraved.

1 zeigt eine Ausführung der Anlagen gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei wird der Umlenkspiegel (37) auf der Drehachse (72) montiert. Für die lineare Bewegung wird der Hohlzylinder (71) auf der linearen Achse (32) montiert. Das dünne Substrat (78) wird auf der Innenmantelfläche des Hohlzylinders (71), vorzugsweise konzentrisch zur inneren Zylindermantelfläche, angebracht. Durch die Rotation und die lineare Bewegung wird eine vollflächige Bearbeitung des Substrates (78) realisiert. 1 shows an embodiment of the plants according to the present invention. The deflection mirror ( 37 ) on the axis of rotation ( 72 ) assembled. For the linear movement of the hollow cylinder ( 71 ) on the linear axis ( 32 ) assembled. The thin substrate ( 78 ) is on the inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ), preferably concentric with the inner cylinder surface. Due to the rotation and the linear movement, a full-surface processing of the substrate ( 78 ) realized.

Unter der Voraussetzung, dass die Drehachse 30.000 Umdrehungen pro Minute schafft und die Substratoberfläche auf einem Radius von 20 mm liegt, ergibt sich eine Oberflächengeschwindigkeit von 30.000/60·2·pi·20 mm/sec = 62,83 m/sec. Wenn der Laserspot einen Durchmesser von 10 μm hat, ermöglicht so eine Anlage, Laserspots mit einer Wiederholrate von 6,283 MHz ohne Überlappung über die Substratoberfläche zu scannen.Assuming that the axis of rotation provides 30,000 revolutions per minute and the substrate surface is at a radius of 20 mm, a surface velocity of 30,000 / 60 * 2 * pi * 20 mm / sec = 62.83 m / sec. When the laser spot has a diameter of 10 μm, a system makes it possible to scan laser spots at a repetition rate of 6.283 MHz without overlapping the substrate surface.

Falls die Substrate (78) nach deren Bearbeitung Löcher aufweisen, ist es vorteilhaft, vor der Bearbeitung die Substrate (78) auf der dem Laserstrahl (11) abgewandten Fläche entsprechend zu beschichten, um die Innenfläche des Hohlzylinders (71) vor einer Beschädigung zu schützen.If the substrates ( 78 ) have holes after their processing, it is advantageous, before processing the substrates ( 78 ) on the laser beam ( 11 ) facing away from the surface to the inner surface of the hollow cylinder ( 71 ) to protect against damage.

Um die ausgearbeiteten und isolierten Strukturen aufzubewahren, ist es vorteilhaft, die Substrate (78) mit einer Trägerfolie zu laminieren.In order to preserve the elaborated and isolated structures, it is advantageous to use the substrates ( 78 ) with a carrier foil to laminate.

Bei brüchigen dünnen Substraten (78) wie Glasfolien können die Substrate (78) mit z. B. einem Polymer beschichtet werden. Damit werden sie biegsam und können auf dem Zylinderumfang für die Bearbeitung aufgespannt werden, ohne dabei zu brechen.For brittle thin substrates ( 78 ) like glass foils, the substrates ( 78 ) with z. B. a polymer to be coated. This makes them flexible and can be clamped on the cylinder circumference for machining, without breaking.

Die dünnen Substrate (78) können auf den Zylinderumfang geklebt werden.The thin substrates ( 78 ) can be glued to the cylinder circumference.

Im Fall dünner Stahlsubstrate (78) ist es vorteilhaft einen magnetisierten Hohlzylinder (71) zu verwenden. Damit werden mittels magnetischer Kraft die dünnen Substrate (78) auf dem Hohlzylinder (71) aufgespannt.In the case of thin steel substrates ( 78 ), it is advantageous to use a magnetized hollow cylinder ( 71 ) to use. Thus, by means of magnetic force, the thin substrates ( 78 ) on the hollow cylinder ( 71 ) spanned.

In Analogie können die Substrate (78) und der Hohlzylinder (71) entsprechend elektrisch geladen werden, so dass das Aufspannen der Substrate (78) auf dem Hohlzylinder (71) elektrostatisch erfolgen kann.By analogy, the substrates ( 78 ) and the hollow cylinder ( 71 ) are electrically charged so that the clamping of the substrates ( 78 ) on the hollow cylinder ( 71 ) can be done electrostatically.

Des Weiteren können Hohlzylinder (71) mit Mikrostrukturen und Kanälen verwendet werden. Durch Ansaugen werden dann die Substrate (78) auf dem Hohlzylinder (71) aufgespannt.Furthermore, hollow cylinders ( 71 ) with microstructures and channels. By suction, the substrates ( 78 ) on the hollow cylinder ( 71 ) spanned.

Die schnell rotierende Achse kann vorzugsweise eine luftgelagerte Achse bzw. eine hydraulisch gelagerte Achse bzw. Spindel sein. Solche Achsen zeichnen sich unter anderen durch eine große Drehzahl und einen stabilen Lauf aus.The fast rotating axle may preferably be an air bearing axle or a hydraulically supported axle or spindle. Such axles are characterized among others by a high speed and a stable run.

Als Strahlquellen werden vorzugsweise Laser mit einer Pulslänge unter 1 ns verwendet. Beispiele solcher Laser sind fs-Laser und ps-Laser.As beam sources, lasers having a pulse length of less than 1 ns are preferably used. Examples of such lasers are fs lasers and ps lasers.

Um eine hohe Produktivität zu erreichen, werden Laser mit hoher Pulswiederholrate (>500 kHz bis einige 10 MHz) verwendet.To achieve high productivity, lasers with high pulse repetition rate (> 500 kHz to several 10 MHz) are used.

Claims

Apparatus for the irradiation or processing of flexible, thin substrates ( 78 ) with a high-power short-pulse laser, consisting of - a laser beam source ( 1 ) for generating a laser beam ( 11 ), - a power / energy modulation unit ( 21 ) A beam-shaping and beam-focusing unit ( 31 ), - at least one axis of rotation ( 72 ), - a linear axis ( 32 ) and - a hollow cylinder ( 71 ), the laser beam ( 11 ), the at least one axis of rotation ( 72 ) and the linear axis are arranged coaxially with one another and a flexible, thin substrate ( 78 ) on an inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ) is mounted, wherein the hollow cylinder ( 71 ) on the axis of rotation ( 72 ) and the beam-shaping and beam-focusing unit ( 31 ) and the beam deflecting component ( 37 ) on the linear axis ( 32 ) are mounted, wherein by a rotation of the hollow cylinder ( 71 ) and a linear movement of the beam-shaping and beam-focusing unit ( 31 ) and the beam deflecting component ( 37 ) along the linear axis ( 32 ) the impact point of the laser spot in the form of rings or spirals on the inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ) and thereby the laser spot over the surface of the substrate ( 78 ) is scanned, the substrate ( 78 ) Is irradiated or ablated point by point and layer by layer.

Apparatus for the irradiation or processing of flexible, thin substrates ( 78 ) with a high-power short-pulse laser, consisting of - a laser beam source ( 1 ) for generating a laser beam ( 11 ), - a power / energy modulation unit ( 21 ), - a beam-shaping and beam-focusing unit ( 31 ), - at least one axis of rotation ( 72 ), - a linear axis ( 32 ) and - a hollow cylinder ( 71 ), the laser beam ( 11 ), the at least one axis of rotation ( 72 ) and the linear axis are arranged coaxially with one another and a flexible, thin substrate ( 78 ) on an inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ), wherein the beam deflecting component ( 37 ) on the at least one axis of rotation ( 72 ) is mounted and the hollow cylinder ( 71 ) on the linear axis ( 32 ), wherein rotation of the beam-deflecting component ( 37 ) and a linear movement of the hollow cylinder ( 71 ) along the linear axis ( 32 ) the impact point of the laser spot in the form of rings or spirals on the inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ) and thereby the laser spot over the surface of the substrate ( 78 ) is scanned, the substrate ( 78 ) Is irradiated or ablated point by point and layer by layer.

Installation according to one of claims 1 or 2, characterized in that the one magnetized hollow cylinder ( 71 ) is used to move the substrate by means of a magnetic force ( 78 ) on the hollow cylinder ( 71 ) aufzuspannen.

Installation according to one of claims 1 or 2, characterized in that the substrate ( 78 ) and the hollow cylinder ( 71 ) are electrically rechargeable in order, by means of an electrostatic force, to move the substrate ( 78 ) aufzuspannen on the hollow cylinder.

Installation according to one of claims 1 or 2, characterized in that the hollow cylinder ( 71 ) Microstructures and channels to suck the substrate ( 78 ) on the hollow cylinder ( 71 ) aufzuspannen.

Process using a plant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate ( 78 ) - by means of magnetic force, - by means of electrostatic force, - by means of gluing or - by suction on the inner lateral surface of the hollow cylinder ( 71 ) is attached.

Method according to claim 6, characterized in that the substrate ( 78 ) is laminated with a carrier film.

Method according to one of claims 6 or 7, characterized in that a brittle substrate ( 78 ) and that for molding the substrate ( 78 ) the substrate ( 78 ) is coated with a polymer before it on the inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ) is attached.

Method according to one of claims 6 or 7, characterized in that before processing the substrate ( 78 ) on the laser beam ( 11 ) facing away from the surface to the inner circumferential surface of the hollow cylinder ( 71 ) to protect against damage.