Materialforschung mit Ultra-Kurzpuls-Laserquelle

Werkstoffe 08. 02. 2022
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Universität Bayreuth nutzt neuen LPKF ProtoLaser R4.

Die Ingenieurwissenschaften an der Universität Bayreuth verfügen seit Ende 2021 über ein einzigartiges, mit einer Ultra-Kurzpuls-Laserquelle ausgestattetes Lasergerät zur Bearbeitung von Materialien. Auf den Gebieten der Gassensorik, der Hochfrequenztechnik und der Mikrosystemtechnik eröffnet das Gerät ungeahnte Forschungsmöglichkeiten. Es kann Schichten und Beschichtungen auf empfindlichen Oberflächen hochpräzise strukturieren. Gehärtete oder gebrannte technische Substrate aller Art lassen sich exakt schneiden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Anschaffung des Geräts am Lehrstuhl für Funktionsmaterialien zu 50 Prozent gefördert.

Das Lasersystem ist in der Lage, ultrakurze Laserpulse zu erzeugen, die 1,5 Pikosekunden – also nicht viel länger als den ­billionsten Teil einer Sekunde – andauern. Deshalb tritt bei der Materialbearbeitung mit diesem Laser nahezu keine Wärmeübertragung mehr auf: Das punktgenau vom Laserstrahl getroffene Material verdampft sofort. ­Infolgedessen ist es umso leichter möglich, Oberflächen im Mikrometerbereich kontrolliert zu ­strukturieren und zu gravieren, ohne dass die angrenzenden Bereiche geschädigt werden. Weitere Beispiele sind das Abtragen durchsichtiger und äußerst dünner Schichten vom Untergrund oder das Ablösen von Metalllagen auf Kunststofffolien. Auch das punktgenaue Schneiden und Fräsen keramischer Materialien, zum Beispiel von Aluminiumoxid, ist möglich.

Das neue Laserbearbeitungssystem ist laut Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos, Inhaber des Lehrstuhls für Funktionsmaterialien, von unschätzbarem Wert für die Erforschung und Entwicklung innovativer Funktionsmaterialien, beispielsweise von hochempfindlichen Sensoren oder ultrafein strukturierten Leiterplatten. Auf dem Campus der Universität Bayreuth wird es allen natur- und technikwissenschaftlichen Forschungsbereichen zugänglich sein, ebenso externen Forschungspartnern. Das Gerät werde außerdem dem wissenschaftlichen Nachwuchs die Bearbeitung von Forschungsthemen ermöglichen, für die an vielen anderen Hochschulstandorten die nötige Infrastruktur fehle. Schon beim Vorgängersystem haben wir in den ­letzten Jahren immer wieder Anfragen ­erhalten, die Ausgangspunkt für sehr interessante Forschungsarbeiten waren, sagt Dr.-Ing. Jaros­law Kita, der das Gerät am Lehrstuhl für Funktions­materialien betreut.

Das Lasersystem steht Forschenden für die Bearbeitung einer Vielzahl von ­Materialien zur Verfügung. Der LPKF ProtoLaser R4 ist speziell für die Forschung ­verschiedenster Materialien entwickelt worden. Das System verfügt über eine 515-nm-Pikosekunden-Laserquelle mit Galvo-Scaneinheit und ist standardmäßig mit einer Fiducial-Alignment-Kamera, einem X/Y/Z-Vakuumtisch und der Software LPKF CircuitPro PL ausgestattet. Das Strukturieren von Schichten und Beschichtungen ist bereits vielfach erprobt. Der auf 15 μm fokussierte Strahl kann Leiterbahnbreiten bis hinunter zu 1 mil (25 μm) und Abstände bis zu 15 μm strukturieren. Auf Dünnschichtkeramik und auf Glas sind sogar 10 μm Auflösung möglich, je nach Metalldicke und Schälfestigkeit.

Der Laser ermöglicht das Strukturieren und Gravieren einer Vielzahl von ­Materialien, zum Beispiel Si, SiN, CoFe, GaN, FR4, ­Taconic, CuFLON®/PTFE, Al2O3, LTCC. Gravur mit Tiefenkontrolle von Metallen wie Kupfer, Nickel, Messing, Wolfram, etc. ist ebenso möglich wie von Kunststoffen wie Polyimid/Kapton und vieles mehr. Bei der Materialbearbeitung leistet der ProtoLaser R4 auch das Bohren und Schneiden diverser Materialien: Borofloat und Schott-Glas, Si, SiN, CoFe, GaN; FR4, Rogers, Taconic, Panasonic, CuFlon®/reines PTFE, Al2O3, LTCC, Polyimid/Kapton, und weitere Materialien für die Elektrotechnik; außerdem Metalle wie Gold, Kupfer, Nickel, Platin, Messing und Wolfram. Damit wird die Lasermaschine für die Forschung mit unterschiedlichsten Materialien zum Allroundtalent. Der Lehrstuhl Funktionsmaterialien an der Universität Bayreuth freut sich bereits auf viele innovative Entwicklungen mit seinem neuen Lasersystem.

 

Wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der Vorbereitung von Strukturierungsarbeiten am Rechner (Foto: C. Wißler/Universität Bayreuth)

 

Ultrafeinstrukturierung einer Leiterplatte (Foto: C. Wißler/Universität Bayreuth)

Text zum Titelbild: Eine Anwendung des ProtoLaser-Systems ist wie hier die Strukturierung einer Kupferschicht auf PET-Folie (Foto: LPKF Laser & Electronics AG)

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