DE102020123787A1 - Process for separating a transparent material - Google Patents
Process for separating a transparent material Download PDFInfo
- Publication number
- DE102020123787A1 DE102020123787A1 DE102020123787.1A DE102020123787A DE102020123787A1 DE 102020123787 A1 DE102020123787 A1 DE 102020123787A1 DE 102020123787 A DE102020123787 A DE 102020123787A DE 102020123787 A1 DE102020123787 A1 DE 102020123787A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- laser
- pulse
- laser pulses
- modifications
- modification
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/362—Laser etching
- B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
- B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
- B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
- B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/54—Glass
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/56—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26 semiconducting
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials (1), wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers (6) lokalisierte Materialmodifikationen (3) entlang einer Trennlinie (2) und räumlich voneinander beabstandet in das Material (1) eingebracht werden, wobei der Laserstrahl (60) eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone (600) aufweist und bevorzugt ein nicht-beugender Laserstrahl ist, wobei die Pulsenergie so gewählt ist, dass die Materialmodifikation (3) an einer Oberfläche des Materials Materialauswürfe (300) erzeugen, und anschließend das Material (1) in einem Trennschritt entlang der Trennlinie (2) getrennt wird, wobei der räumliche Abstand der lokalisierten Materialmodifikationen (3) größer als der 0,2-fache bis 10-fache Durchmesser der jeweiligen Materialauswürfe (300) ist.The present invention relates to a method for separating a transparent material (1), wherein localized material modifications (3) are introduced into the material (1) along a separating line (2) and spatially spaced apart from one another by means of ultra-short laser pulses from an ultra-short-pulse laser (6), the The laser beam (60) has a focal zone (600) that is elongated in the direction of beam propagation and is preferably a non-diffracting laser beam, the pulse energy being selected such that the material modification (3) produces material ejections (300) on a surface of the material, and then the material (1) is separated in a separating step along the separating line (2), the spatial distance between the localized material modifications (3) being greater than 0.2 to 10 times the diameter of the respective material ejections (300).
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials, wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers lokalisierte Materialmodifikationen voneinander beabstandet und entlang einer Trennlinie in das Material eingebracht werden.The present invention relates to a method for separating a transparent material, wherein localized material modifications are spaced apart from one another by means of ultrashort laser pulses of an ultrashort pulse laser and are introduced into the material along a separating line.
Stand der TechnikState of the art
Die Entwicklung von Lasern mit sehr kurzen Pulsen, insbesondere mit Pulsdauern kleiner als Nanosekunden, und hohen mittleren Leistungen im Kilowatt-Bereich ermöglicht eine neue Materialbearbeitung. Mit diesen kurzen Pulsdauern und hohen mittleren Leistungen wird eine nichtlineare Absorption im zu bearbeitenden Material zugänglich, so dass auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge transparente bzw. im wesentlichen transparente Materialien bearbeitet werden konnten. Insbesondere können über die nichtlineare Absorption auch transparente Materialien entlang einer vorgegebenen Trennlinie getrennt werden.The development of lasers with very short pulses, in particular with pulse durations of less than nanoseconds, and high average power in the kilowatt range enables new material processing. With these short pulse durations and high average powers, a non-linear absorption in the material to be processed becomes accessible, so that transparent or essentially transparent materials could also be processed for the laser light wavelength used. In particular, transparent materials can also be separated along a predetermined dividing line via the non-linear absorption.
In der
Gemäß den Verfahren im Stand der Technik kommt es jedoch immer wieder zu Ausbrüchen an der Trennfläche und/oder zu einer unerwünscht hohen Oberflächenrauheit und/oder einer erschwerten Separierbarkeit/Trennbarkeit der Materialteile.According to the methods in the prior art, however, there are always breakouts on the parting surface and/or an undesirably high surface roughness and/or difficult separability/separability of the material parts.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials bereitzustellen.Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved method for separating a transparent material.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The object is achieved by a method for separating a transparent material having the features of
Entsprechend wird ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials vorgeschlagen, wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers lokalisierte Materialmodifikationen räumlich voneinander beabstandet und entlang einer Trennlinie in das Material eingebracht werden, wobei der Laserstrahl eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweist und bevorzugt ein nicht-beugender Laserstrahl ist, wobei die Pulsenergie so gewählt ist, dass die Materialmodifikation an einer Oberfläche des Materials Materialauswürfe erzeugt, und anschließend das Material in einem Trennschritt entlang der Trennlinie getrennt wird. Erfindungsgemäß ist der räumliche Abstand der lokalisierten Materialmodifikationen größer als der 0,2-fache bis 10-fache Durchmesser der jeweiligen Materialauswürfe.Accordingly, a method for separating a transparent material is proposed, wherein by means of ultra-short laser pulses of an ultra-short-pulse laser, localized material modifications are spatially spaced from one another and introduced into the material along a separating line, the laser beam having a focal zone that is elongated in the direction of beam propagation and is preferably a non-diffracting laser beam, wherein the pulse energy is selected in such a way that the material modification generates material ejections on a surface of the material, and then the material is separated in a separating step along the separating line. According to the invention, the spatial spacing of the localized material modifications is greater than 0.2 to 10 times the diameter of the respective material ejections.
Ein Ultrakurzpulslaser stellt die ultrakurzen Laserpulse zur Verfügung. Unter ultrakurzen Laserpulsen werden Pulse im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich verstanden.An ultra-short pulse laser provides the ultra-short laser pulses. Ultrashort laser pulses are understood to mean pulses in the picosecond range or in the femtosecond range.
Der Laser kann auch Pulszüge aus ultrakurzen Sub-Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Laserpulszug das Aussenden mehrerer Sub-Laserpulse umfasst. Dabei können insbesondere auch sogenannte GHz-Laserpulszüge vorgesehen sein. Diese Pulszüge werden auch als Bursts bezeichnet.The laser can also provide pulse trains made up of ultra-short sub-laser pulses, with each laser pulse train comprising the emission of a number of sub-laser pulses. In particular, so-called GHz laser pulse trains can also be provided. These pulse trains are also referred to as bursts.
Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich auf einer durch eine Optik des Lasers bestimmten Trajektorie über das Material, wobei die Trajektorie der gewünschten Trennlinie folgt, so dass entlang der Trennline räumlich voneinander beabstandet Materialmodifikationen in das Material eingebracht werden können. Der durch die Laserpuls ausgebildete Laserstrahl und das Material können hierbei relativ zueinander mit einem Vorschub bewegt werden, um entsprechend das Einbringen der Materialmodifikationen entlang der Trennlinie zu erreichen.The ultra-short laser pulses move over the material on a trajectory determined by the optics of the laser, with the trajectory following the desired dividing line, so that material modifications can be introduced into the material at a spatial distance from one another along the dividing line. The laser beam formed by the laser pulse and the material can be moved relative to each other with a feed in order to achieve the corresponding introduction of the material modifications along the parting line.
Der Laserstrahl und das Material können relativ zueinander mit einem Vorschub verschiebbar sein.The laser beam and the material can be shiftable relative to each other with a feed.
Relativ zueinander verschiebbar bedeutet, dass sowohl der Laserstrahl translatorisch relativ zu einem ortsfesten Material verschoben werden kann, als auch das Material relativ zum Laserstrahl verschoben werden kann, oder es findet eine Bewegung sowohl des Materials als auch des Laserstrahls statt.Displaceable relative to one another means that both the laser beam can be displaced translationally relative to a stationary material and the material can be displaced relative to the laser beam, or both the material and the laser beam move.
Dadurch kann insbesondere der Fokus des Laserstrahls an verschiedenen Orten des Materials platziert werden, um Materialmodifikationen einzubringen. Neben translatorischen Bewegungen entlang der X-, Y- und Z-Achsen sind insbesondere auch rotatorische Bewegungen möglich, insbesondere Rotationen um die Strahlausbreitungsrichtung herum. Dadurch ist es möglich den Laserstrahl entlang der Trennlinie zu orientieren.In particular, this allows the focus of the laser beam to be placed at different locations on the material in order to introduce material modifications. In addition to translational movements along the X, Y and Z axes, rotary movements are also possible, in particular rotations around the beam propagation direction. This makes it possible to orientate the laser beam along the dividing line.
Das Material kann ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Isolator oder eine Kombination davon sein. Insbesondere kann es auch ein Glas, eine Glaskeramik, ein Polymer oder ein Halbleiterwafer, beispielsweise ein Siliziumwafer, sein. Das Material ist hierbei transparent für die Wellenlänge des Lasers, wobei transparent bedeutet, dass 70% oder mehr der einfallenden Laserenergie durch das Material hindurch transmittiert werden.The material can be a metal, or a semiconductor, or an insulator, or a combination thereof. In particular, it can also be a glass, a glass ceramic, a polymer or a semiconductor wafer, for example a silicon wafer. The material is transparent to the wavelength of the laser, with transparent meaning that 70% or more of the incident laser energy is transmitted through the material.
Der Laserpuls oder die Laserpulse werden vom Material zumindest teilweise absorbiert, beispielsweise durch nichtlineare Absorptionsprozesse, so dass das Material lokal modifiziert werden kann. Eine Materialmodifikation ist hierbei eine im thermischen Gleichgewicht permanente, stoffliche Veränderung des Materials, die ursächlich von der direkten Lasereinstrahlung stammt.The laser pulse or laser pulses are at least partially absorbed by the material, for example by non-linear absorption processes, so that the material can be modified locally. A material modification is a permanent, material change in the material in thermal equilibrium, which is caused by the direct laser radiation.
Die Materialmodifikation kann hierbei allgemein eine Modifikation der Struktur, insbesondere der kristallinen Struktur und/oder der amorphen Struktur und/oder der mechanischen Struktur, des transparenten Materials sein. Beispielsweise kann eine eingebrachte Materialmodifikation eines amorphen Material darin bestehen, dass das Material durch eine lokale Erhitzung nur in diesem Bereich eine veränderte Netzwerkstruktur erhält. Beispielsweise können durch die Modifikation die Bindungswinkel- und Längen der Netzwerkstruktur verändert werden. Eine Materialmodifikation kann insbesondere eine lokale Dichteänderung sein, die auch Bereiche ohne Material umfassen kann, die auch abhängig vom gewählten Material sein kann.The material modification can generally be a modification of the structure, in particular the crystalline structure and/or the amorphous structure and/or the mechanical structure, of the transparent material. For example, an introduced material modification of an amorphous material can consist in the material receiving a changed network structure through local heating only in this area. For example, the bond angles and lengths of the network structure can be changed by the modification. A material modification can in particular be a local change in density, which can also include areas without material, which can also be dependent on the selected material.
In Abhängigkeit von den spezifischen Materialeigenschaften und den konkreten Einstellungen des Lasers, wie beispielsweise Pulsenergie, Pulsdauer und Repetitionsrate, kann es zu verschiedenen Arten von Materialmodifikationen kommen. Beispielsweise kann der Laser mit einer ersten Einstellung einen Laserstrahl zur Verfügung stellen, der in dem Material zu einer isotropen Brechnungsindexänderung führt. Der Laser kann aber auch mit einer weiteren Einstellung einen Laserstrahl zur Verfügung stellen, der in dem Material zu einer doppelbrechenden Brechungsindexänderung führt, so dass das Material lokal doppelbrechende Eigenschaften aufweist.Depending on the specific material properties and the specific settings of the laser, such as pulse energy, pulse duration and repetition rate, different types of material modifications can occur. For example, with a first setting, the laser can provide a laser beam that results in an isotropic refractive index change in the material. With a further setting, however, the laser can also provide a laser beam which leads to a birefringent change in the refractive index in the material, so that the material has locally birefringent properties.
Insbesondere kann es bei hohen Pulsenergien zu sogenannten Mikroexplosionen kommen bei denen hochangeregtes, gasförmiges Material aus der Fokuszone in das umgebende Material gedrückt und eine weniger dichter Bereich oder ein leerer Kern mit umgebendem verdichteten Material entsteht. Die Größe des erhitzten Bereiches ist dabei durch die Strahlgeometrie, insbesondere durch die Fokuszone des Laserstrahls und den Strahlquerschnitt bestimmt. Durch die lokale Hitzeeinwirkung des Lasers werden die Materialmodifikationen in das Material eingebracht.In particular, so-called micro-explosions can occur at high pulse energies, in which highly excited, gaseous material is pushed out of the focal zone into the surrounding material and a less dense area or an empty core with surrounding compressed material is created. The size of the heated area is determined by the beam geometry, in particular by the focal zone of the laser beam and the beam cross section. The material modifications are introduced into the material by the local heat effect of the laser.
Im Unterschied zur Materialmodifikation umfasst der Materialmodifikationsbereich dabei den gesamten Bereich, in dem die Auswirkungen der Einwirkung des Laserpulses beispielsweise anhand der Zug- als auch Druckspannungen messbar sind. Dies ist insbesondere der Bereich, in dem das Material räumlich gesehen von der Materialmodifikation ausgehend wieder in den Ausgangszustand der unbehandelten Bereiche des Materials übergeht.In contrast to material modification, the material modification area includes the entire area in which the effects of the laser pulse can be measured, for example using the tensile and compressive stresses. In particular, this is the area in which, spatially speaking, the material changes from the material modification back to the initial state of the untreated areas of the material.
Durch die Temperaturgradienten, welche durch die lokale Hitzeeinwirkung entstehen, kann es beim Erhitzen und/oder beim Abkühlen und Ausbilden der Materialmodifikation zu Spannungen im Materialmodifikationsbereich kommen, die eine Rissbildung begünstigen. Insbesondere können im Materialmodifikationsbereich Zug- als auch Druckspannungen entstehen, die beispielsweise radial oder orthoradial verlaufen. Eine Materialmodifikation geht daher bevorzugt mit einer indizierten Rissbildung, also einer gezielten Schädigung des Materials, einher.As a result of the temperature gradients that arise as a result of the local heat effect, stresses can occur in the material modification area during heating and/or during cooling and formation of the material modification, which stresses promote crack formation. In particular, tensile and compressive stresses can arise in the material modification area, which run radially or orthoradially, for example. A material modification is therefore preferably accompanied by an indicated formation of cracks, i.e. targeted damage to the material.
In Abhängigkeit von der gewählten Pulsenergie kann die Materialmodifikation an einer Oberfläche des Materials Materialauswürfe erzeugen. Die Materialauswürfe sind hierbei ein Maß für die Güte der Materialmodifikationen und damit auch für die Trennbarkeit des Materials.Depending on the selected pulse energy, the material modification can generate material ejections on a surface of the material. The material ejections are a measure of the quality of the material modifications and thus also of the separability of the material.
Materialauswürfe sind hierbei Materialansammlungen an einer Oberfläche des Materials, die um den Ort entstehen, an dem die Laserpulse zur Erzeugung einer Materialmodifikation eingebracht werden. Insbesondere bedeutet „eine Oberfläche“, dass es sich dabei relativ zur Strahlausbreitungsrichtung sowohl um die Oberseite als auch die Unterseite des Materials handeln kann. Materialauswürfe sind Folgen der Erwärmung des Materials, welches beim Einbringen der Laserpulse aus dem Volumen des Materials herausdringt. es kann dabei aber auch ein Teil des Volumens durch Verdampfung etc. verloren gehen, so dass keine genaue Übereinstimmung der aus dem Material verdrängten und der um die Materialmodifikation herum in den Materialauswürfen abgelagerten Materialvolumina vorliegen muss.Material ejections are accumulations of material on a surface of the material that occur around the location at which the laser pulses are introduced to produce a material modification. In particular, “a surface” means that it can be either the top or the bottom of the material relative to the beam propagation direction. Material ejections are the result of the heating of the material, which protrudes from the volume of the material when the laser pulses are introduced. however, part of the volume can also be lost through evaporation, etc., so that there does not have to be an exact match between the material volumes displaced from the material and the material volumes deposited around the material modification in the material ejections.
Ist die Pulsenergie so gewählt, dass keine Materialauswürfe entstehen, ist keine zuverlässige Trennbarkeit des Materials gegeben, da beispielsweise dessen Volumenfestigkeit noch zu hoch ist. If the pulse energy is selected in such a way that no material is ejected, the material cannot be reliably separated because, for example, its volumetric strength is still too high.
Dies kann bedeuten, dass die Materialmodifikationen nicht tief genug in das Material eingebracht wurden, oder die Materialmodifikation durch eine zu geringe Pulsenergie zu klein ist oder die Art der Modifikation, siehe oben, nicht zum Trennen des Materials geeignet ist. Übersteigt die Pulsenergie jedoch eine gewisse Grenze, so wird die räumliche Ausdehnung der Materialmodifikationen zu groß, was zu einer schlechten Lokalisierung und einer schlechten Oberflächenqualität der Trennfläche führt. Materialauswürfe in einem gewissen Größenbereich sind daher als Indikator einer optimal eingebrachten Materialmodifikation erwünscht und erlauben das Ermitteln der optimalen Prozessparameter für den Trennprozess.This can mean that the material modifications were not introduced deep enough into the material, or the material modification is too small due to the pulse energy being too low, or the type of modification, see above, is not suitable for cutting the material. However, if the pulse energy exceeds a certain limit, the spatial extent of the material modifications becomes too large, which leads to poor localization and poor surface quality of the interface. Material ejections in a certain size range are therefore desired as an indicator of an optimally introduced material modification and allow the determination of the optimal process parameters for the separation process.
Die Materialmodifikationen werden entlang einer gewünschten Trennlinie in das Material eingebracht, so dass entlang der Trennlinie beabstandet Materialauswürfe auftreten. Eine Trennlinie beschreibt hierbei diejenige Linie entlang derer das Material oder Teile des Materials getrennt oder abgetrennt werden sollen.The material modifications are introduced into the material along a desired parting line, so that material ejections occur at a distance along the parting line. A dividing line describes that line along which the material or parts of the material are to be separated or severed.
Durch die eingebrachten Materialmodifikationen entlang einer Trennlinie in das Material, ist das Material quasi perforiert, so dass durch die Trennlinie eine Art Sollbruchstelle im Material definiert ist. Diese Perforation führt in der Regel jedoch nicht zu einer selbstständigen Trennung des Materials. Vielmehr sorgen die Materialmodifikationen entlang der Trennlinie beispielsweise für eine Materialschwächung, sodass beim Aufbringen eines nachfolgenden Trennschritts, beispielsweise durch das Aufbringen einer thermischen Spannung und/oder durch Aufbringen einer mechanischen Spannung, bevorzugt einer Zug- oder Biegespannung, und/oder durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung, entlang der Trennlinie getrennt wird.Due to the material modifications introduced along a dividing line in the material, the material is more or less perforated, so that a kind of predetermined breaking point is defined in the material by the dividing line. As a rule, however, this perforation does not lead to an independent separation of the material. Rather, the material modifications along the dividing line ensure, for example, a material weakening, so that when a subsequent separating step is applied, for example by applying a thermal stress and/or by applying a mechanical stress, preferably a tensile or bending stress, and/or by etching using at least one wet chemical solution, is separated along the dividing line.
Eine thermische Spannung kann beispielsweise durch eine Erwärmung des Materials entlang der Trennlinie erreicht werden. Beispielsweise kann die Trennlinie mittels eines Dauerstrich-CO2-Lasers erwärmt werden, so dass sich das Material im Materialmodifikationsbereich unterschiedlich im Vergleich zum unbehandelten Material ausdehnt. Die durch die Materialmodifikation begünstigten Risse erfahren dadurch ein Risswachstum, so dass sich eine durchgehendende und unverhakte Trennfläche ausbilden kann, durch die die Teile des Materials voneinander getrennt sind.A thermal stress can be achieved, for example, by heating the material along the parting line. For example, the dividing line can be heated using a continuous wave CO2 laser, so that the material in the material modification area expands differently compared to the untreated material. As a result, the cracks favored by the material modification experience crack growth, so that a continuous and non-interlocked separating surface can form, separating the parts of the material from one another.
Eine Zug- oder Biegespannung kann beispielsweise durch das Aufbringen einer mechanischen Belastung auf die durch die Trennlinie separierten Materialteile erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Zugspannung aufgebracht werden, wenn auf die durch die Trennlinie separierten Materialteile in der Materialebene entgegengesetzte Kräfte an je einem Kraftangriffspunkt wirken, die jeweils von der Trennlinie weg zeigen. Sind die Kräfte nicht parallel beziehungsweise antiparallel zueinander ausgerichtet, so kann dies zum Entstehen einer Biegespannung beitragen. Sobald die Zug- oder Biegespannungen größer als die Bindungskräfte des Materials entlang der Trennlinie sind, wird das Material entlang der Trennlinie getrennt.A tensile or bending stress can be generated, for example, by applying a mechanical load to the material parts separated by the dividing line. For example, a tensile stress can be applied if opposing forces act on the material parts separated by the dividing line in the material plane at a respective force application point, each pointing away from the dividing line. If the forces are not aligned parallel or antiparallel to one another, this can contribute to the development of bending stress. As soon as the tensile or bending stresses are greater than the binding forces of the material along the parting line, the material is separated along the parting line.
Das Material kann auch durch Ätzen mit einer nasschemischen Lösung getrennt werden, wobei der Ätzprozess das Material bevorzugt an der Materialmodifikation, also der gezielten Materialschwächung, ansetzt. Indem bevorzugt die durch die Materialmodifikation geschwächten Materialteile geätzt werden, führt dies zu einem Trennen des Materials entlang der Trennlinie.The material can also be separated by etching with a wet-chemical solution, with the etching process preferably starting the material at the material modification, i.e. the targeted material weakening. Since the material parts weakened by the material modification are preferably etched, this leads to a severing of the material along the severing line.
Die Materialmodifikation weisen einen räumlichen Abstand entlang der Trennlinie zueinander auf, welcher größer ist als der 0,2-fache bis 10-fache Durchmesser der jeweiligen Materialauswürfe.The material modifications are at a spatial distance from one another along the dividing line which is greater than 0.2 to 10 times the diameter of the respective material ejections.
Der räumliche Abstand kann hierbei definiert sein als der Abstand der Zentren der Materialmodifikationen. Es kann damit beispielsweise das geometrische Zentrum der Materialmodifikation gemeint sein. Das Zentrum einer Materialmodifikation fällt dabei typischerweise mit dem Zentrum des bearbeitenden Laserstrahls zusammen. Daher kann mit Distanz auch der Abstand der Laserstrahlen gemeint sein, die die Materialmodifikationen räumlich beabstandet voneinander entlang der Trennlinie eingebracht haben. Es kann aber auch beispielsweise der Abstand der Intensitätsschwerpunkte der jeweiligen Strahlquerschnitte gemeint sein.The spatial distance can be defined here as the distance between the centers of the material modifications. This can mean, for example, the geometric center of the material modification. The center of a material modification typically coincides with the center of the processing laser beam. Therefore, distance can also mean the distance between the laser beams that the Mate have introduced rial modifications spatially spaced from each other along the dividing line. However, it can also mean, for example, the distance between the centers of intensity of the respective beam cross sections.
Der Durchmesser der Materialauswürfe kann hierbei der Außendurchmesser des Materialauswurfs entlang der Trennlinie sein. Insbesondere kann damit der Abstand der Materialmodifikationen auf der Trennlinie mit der Größe des Materialauswurfs in Relation gesetzt werden. Der Durchmesser des Materialauswurfs kann auch der minimale oder der maximale Durchmesser des Materialauswurfs sein. Insbesondere kann der Materialauswurf durch einen elliptischen Strahl ebenfalls elliptisch ausgebildet sein, siehe unten. Der Durchmesser des Materialauswurfs ist dann die Länge entlang derer die Vorschubrichtung den Materialauswurf schneidet. Somit können unabhängig von der Orientierung der Materialmodifikation im Material weitere Materialmodifikationen entlang einem festen Abstand in das Material eingebracht werden.The diameter of the material ejection can be the outside diameter of the material ejection along the parting line. In particular, the distance between the material modifications on the parting line can be related to the size of the material ejection. The diameter of the material spout can also be the minimum or the maximum diameter of the material spout. In particular, the material ejection by an elliptical jet can also be elliptical, see below. The diameter of the material chute is then the length along which the feed direction intersects the material chute. Thus, regardless of the orientation of the material modification in the material, further material modifications can be introduced into the material along a fixed distance.
Beispielsweise kann eine runde Materialmodifikation mit einem Durchmesser von 0,2 µm -1µm einen runden Materialauswurf mit einem Außendurchmesser von 1 µm - 5µm erzeugen. Wenn der Abstand der Materialmodifikationen das 5-fache des Durchmessers der jeweiligen Materialauswürfe sein soll, dann beträgt der Abstand zweier benachbarter Materialmodifikationen 5 µm- 25 µm. For example, a round material modification with a diameter of 0.2 µm -1 µm can produce a round material ejection with an outside diameter of 1 µm - 5 µm. If the distance between the material modifications should be 5 times the diameter of the respective material ejections, then the distance between two adjacent material modifications is 5 µm - 25 µm.
Durch den Abstand, der mit der Größe des Materialauswurfs steigt, kann hiermit vermieden werden, dass bei einem zu großen räumlichen Abstand der Materialmodifikationen beim Trennen des Materials Ausbrüche entlang der Trennlinie entstehen. Des Weiteren kann vermieden werden, dass der Abstand der Materialmodifikationen zu klein ist, um einen effizienten Bearbeitungsprozess durch eine möglichst hohe Vorschubgeschwindigkeit, sowie einer Vermeidung von unkontrollierter Wärmeeinbringung ins Material, zu erreichen. Zudem wird durch einen genügend hohen Abstand der Materialmodifikationen das Risiko minimiert, durch Akkumulationsmodifikationen, wie beispielsweise das Aufschmelzen des Materials an der Oberfläche, zu vermeiden.Due to the distance, which increases with the size of the material ejection, it can hereby be avoided that, if the spatial distance between the material modifications is too great, breakouts occur along the parting line when the material is separated. Furthermore, it can be avoided that the distance between the material modifications is too small in order to achieve an efficient machining process through the highest possible feed rate and avoidance of uncontrolled heat input into the material. In addition, a sufficiently large distance between the material modifications minimizes the risk of avoiding accumulation modifications, such as melting of the material on the surface.
In der genannten Ausgestaltung überlappen die Materialauswürfe auch nicht, so dass eine unerwünschte Erhöhung der Festigkeit im Bereich der Trennlinie durch miteinander verbundene Materialauswürfe vermieden werden kann.In the embodiment mentioned, the material ejections also do not overlap, so that an undesired increase in strength in the area of the parting line due to material ejections connected to one another can be avoided.
Die Laserpulse können eine Wellenlänge zwischen 0,3µm und 1 ,5µm aufweisen und/oder die Pulslänge der Laserpulse kann 0,01 ps bis 50ps betragen, bevorzug 0,3-15ps betragen und/oder die mittlere Leistung des Lasers kann 10W bis 1000W betragen.The laser pulses can have a wavelength between 0.3 μm and 1.5 μm and/or the pulse length of the laser pulses can be 0.01 ps to 50 ps, preferably 0.3-15 ps and/or the average power of the laser can be 10W to 1000W .
Dies hat den Vorteil, dass über einen großen Parameterbereich das Verfahren für das jeweilige Material optimiert werden kann. Insbesondere erhöht dies die Wahrscheinlichkeit einen für ein Material verfügbare Laserwellenlänge zu finden, bei der das Material transparent ist.This has the advantage that the process can be optimized for the respective material over a large parameter range. In particular, this increases the probability of finding a laser wavelength available for a material at which the material is transparent.
Die Laserenergie kann in Form von Einzellaserpulsen in das Material eingebracht werden, wobei die Repetitionsrate der Einzellaserpulse 1kHz bis 2MHz beträgt.The laser energy can be introduced into the material in the form of individual laser pulses, with the repetition rate of the individual laser pulses being 1kHz to 2MHz.
Durch das Einbringen einzelner Laserpulse ist eine sehr lokalisierte Bearbeitung des Materials möglich. Insbesondere entstehen dabei vergleichsweise kleine Materialauswürfe, sodass die Materialmodifikationen nahe beieinander positioniert werden können. So kann das Material auch entlang von Trennlinien mit kleinen Kurvenradien zuverlässig getrennt werden.By introducing individual laser pulses, very localized processing of the material is possible. In particular, comparatively small material ejections occur here, so that the material modifications can be positioned close to one another. In this way, the material can also be reliably separated along separating lines with small curve radii.
Die Laserenergie kann in Form von Pulszügen, umfassend mehrere Sub-Laserpulse, in das Material eingebracht werden, wobei die Repetitionsfrequenz der Sub-Laserpulse des Pulszugs zwischen 100MHz und 50GHz betragen kann, ferner wobei ein Pulszug bevorzugt 2 bis 20 Sub-Laserpulse umfassen kann und/oder die Summe der Pulsenergien der Sub-Laserpulse eines Pulszugs zwischen 10µJ und 300µJ pro 100µm Materialstärke groß sein kann.The laser energy can be introduced into the material in the form of pulse trains, comprising several sub-laser pulses, with the repetition frequency of the sub-laser pulses of the pulse train being between 100MHz and 50 GHz, furthermore with a pulse train preferably comprising 2 to 20 sub-laser pulses and /or the sum of the pulse energies of the sub-laser pulses of a pulse train can be between 10 µJ and 300 µJ per 100 µm material thickness.
Die Summe der Pulsenergie der Sub-Laserpulse eines Pulszugs skaliert mit der Materialstärke. Die Materialstärke ist hierbei die Ausdehnung des Materials in der Richtung senkrecht zur Oberfläche. The sum of the pulse energy of the sub-laser pulses of a pulse train scales with the material thickness. The material thickness is the expansion of the material in the direction perpendicular to the surface.
Beispielsweise beträgt bei einem Material mit einer Materialstärke von 100µm die Summe der Pulsenergien 20 µJ, um eine Materialmodifikation mit Materialauswurf einzubringen. Dementsprechend beträgt bei einer Materialstärke von 1000µm die Summe der Pulsenergien 200µJ. Wenn die Summe der Pulsenergien 200µJ beträgt und der Pulszug besteht auf 10 Sub-Laserpulsen, dann weist jeder Puls eine Sub-Laserpulsenergie von 20µJ auf.For example, in the case of a material with a material thickness of 100 µm, the sum of the pulse energies is 20 µJ in order to introduce a material modification with material ejection. Accordingly, with a material thickness of 1000 µm, the sum of the pulse energies is 200 µJ. If the sum of the pulse energies is 200µJ and the pulse train consists of 10 sub-laser pulses, then each pulse has a sub-laser pulse energy of 20µJ.
Durch das Einbringen eines Pulszugs ist es möglich, die Materialmodifikation zu vergrößern, so dass auch der Materialauswurf größer wird. Da der Abstand der Materialmodifikationen durch den Durchmesser des Materialauswurfs gegeben ist, ist es so möglich, die Materialmodifikationen weiter voneinander beabstandet einzubringen. Dadurch kann insbesondere eine Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden, so dass die Materialbearbeitung schneller und effizienter durchgeführt werden kann.By introducing a pulse train, it is possible to increase the material modification, so that the material ejection also increases. Since the distance between the material modifications is given by the diameter of the material ejection, it is thus possible to introduce the material modifications at a greater distance from one another. As a result, in particular a feed rate can be increased, so that the material processing can be carried out faster and more efficiently.
Die Repetitionsrate der Einzellaserpulse oder der Pulszüge kann frei wählbar sein beziehungsweise ein Einzelpuls oder Pulszug kann bei Bedarf abgegeben werden und der Jitter beziehungsweise die Starttoleranz der Einzelpuls- oder Pulszugabgabe kann kleiner als 100ns sein.The repetition rate of the individual laser pulses or pulse trains can be freely selected or an individual pulse or pulse train can be emitted if required and the jitter or the start tolerance of the individual pulse or pulse train emission can be less than 100 ns.
Frei wählbar kann bedeuten, dass die Repetitionsrate nicht auf einen Wert festgelegt ist. Insbesondere kann es aber auch bedeuten, dass die Repetitionsrate jederzeit angepasst werden kann. Durch eine frei wählbare Repetitionsrate ist es insbesondere möglich die Repetitionsrate an die Form der Trennlinie anzupassen. Insbesondere kann dadurch ein Überlappen der Materialmodifikationen vermieden werden, wenn die Vorschubgeschwindigkeit prozessbedingt reduziert werden muss, etwa bei Kanten und Ecken in der Trennlinie.Freely selectable can mean that the repetition rate is not fixed to a value. In particular, however, it can also mean that the repetition rate can be adjusted at any time. A freely selectable repetition rate makes it possible, in particular, to adapt the repetition rate to the shape of the dividing line. In particular, an overlapping of the material modifications can be avoided if the feed rate has to be reduced due to the process, for example with edges and corners in the parting line.
Durch einen Jitter beziehungsweise eine Starttoleranz der Einzelpuls- oder Pulszugabgabe von weniger als 100ns kann zudem eine hohe Positionierungsgenauigkeit der Materialmodifikationen erreicht werden, die dem Produkt aus Starttoleranz und Vorschubgeschwindigkeit entspricht. Beispielsweise kann die Starttoleranz 50ns und die Vorschubgeschwindigkeit 100mm/s betragen, so dass eine Positionierungsgenauigkeit von 5nm erreicht werden kann.A jitter or a start tolerance of the single pulse or pulse train emission of less than 100 ns also allows a high positioning accuracy of the material modifications to be achieved, which corresponds to the product of the start tolerance and the feed rate. For example, the start tolerance can be 50ns and the feed rate 100mm/s, so that a positioning accuracy of 5nm can be achieved.
Der Laserstrahl kann eine elongierte Fokuszone aufweisen und bevorzugt ein nicht-beugender Laserstrahl sein.The laser beam may have an elongated focal zone and is preferably a non-diffractive laser beam.
Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung:
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.This approach provides different solution classes in different coordinate systems, such as Mathieu rays in elliptic-cylindrical coordinates or Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.
Experimentell lassen sich eine Vielzahl von nicht-beugenden Strahlen in guter Näherung, also quasi nicht-beugende Strahlen, realisieren. Diese führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, nur eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist die Länge L der Propagationsinvarianz dieser quasi nicht-beugenden Strahlen.Experimentally, a large number of non-diffracting beams can be realized to a good approximation, i.e. quasi non-diffracting beams. In contrast to the theoretical construct, these lead only to a finite performance. The length L of the propagation invariance of these quasi non-diffracting rays is also finite.
Basierend auf der Norm zur Laserstrahlcharakterisierung ISO11146 1-3 wird der Strahldurchmesser über die sogenannten 2. Momente bestimmt. Hierbei ist die Leistung des Laserstrahls oder auch das Moment 0. Ordnung definiert als:
Die räumlichen Momente der 1. Ordnung geben den Schwerpunkt der Intensitätsverteilung an und sind definiert als:
Basierend auf den vorstehenden Gleichungen lassen sich die räumlichen Momente der 2. Ordnung der transversalen Intensitätsverteilung errechnen:
Mit den so vollständig definierten räumlichen Momenten der 2. Ordnung des Laserstrahls lassen sich die Strahldurchmesser in den Hauptachsen bestimmen. Die Hauptachsen sind hierbei die Richtungen der minimalen und maximalen Ausdehnung des transversalen Strahlprofils, welche stets orthogonal zueinander verlaufen. Der Strahldurchmesser d des Laserstrahls ergibt sich dann wie folgt:
Die Fokuszone dGF x,y eines Gauß‘schen Strahls, der Gaußfokus, beziehungsweise der Durchmesser des Gauß‘schen Strahls oder des Gaußprofils, ist festgelegt über die zweiten Momente, also die Varianz der Gaußkurve, und die zugehörige charakteristische Länge, die Rayleighlänge ZR=π(dGF x,y)2/4λ, als die Distanz ausgehend von der Fokusposition, bei der der Strahlquerschnitt um den Faktor 2 zugenommen hat. Im Fall eines symmetrischen Gauß‘schen Strahls gilt für die Fokuszone dGF0 = dGF x = dGF y.The focal zone d GF x,y of a Gaussian beam, the Gaussian focus, or the diameter of the Gaussian beam or the Gaussian profile, is defined by the second moments, i.e. the variance of the Gaussian curve, and the associated characteristic length, the Rayleigh length Z R =π(d GF x,y ) 2 /4λ, as the distance from the focal position at which the beam cross-section has increased by a factor of 2. In the case of a symmetric Gaussian beam, the focal zone has
Fernerhin definieren wir als transversalen Fokusdurchmesser bei quasi-nicht beugenden Strahlen dND0 die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die doppelte kürzeste Distanz zwischen einem Intensitätsmaximum und einem hiervon ausgehenden Intensitätsabfall auf 25%.Furthermore, we define the transverse dimensions of local intensity maxima as the transverse focus diameter for quasi-non-diffracting
Die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls an. Diese ist definiert über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung, also in Propagationsrichtung. The longitudinal extent of the focal zone in the direction of beam propagation of these intensity maxima, which are almost propagation-invariant, indicates the characteristic length L of the quasi-non-diffracting beam. This is defined by the intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum in the positive and negative z-direction, i.e. in the direction of propagation.
Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für dND0≈dGF x,y, also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise, wenn L>10ZR.A quasi-non-diffracting ray is present if and only if for
Als Untermenge der quasi nicht-beugenden Strahlen sind quasi-Bessel-Strahlen oder Bessel-ähnliche Strahlen bekannt. Hierbei gehorcht die transversale Feldverteilung Ut(x,y) in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine weitere Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die so genannten Bessel-Gauß-Strahlen dar, die auf Grund ihrer einfachen Erzeugung weit verbreitet sind. So erlaubt die Beleuchtung eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gaußstrahl die Formung des Bessel-Gauß-Strahls. Die zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist.As a subset of the quasi-non-diffracting rays, quasi-Bessel rays or Bessel-like rays are known. The transverse field distribution U t (x,y) in the vicinity of the optical axis obeys a Bessel function of the first kind of order n to a good approximation are widely used due to their ease of production. Thus, the illumination of an axicon in a refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam allows the formation of the Bessel-Gaussian beam. The associated transverse field distribution in the vicinity of the optical axis obeys a good approximation to a Bessel function of the first kind of
Typische Bessel-Gauß-Strahlen, die zur Bearbeitung transparenter Materialien genutzt werden können, weisen Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von dND x,y=2,5µm aus. Die zugehörige Länge L kann ohne weiteres 1mm übersteigen. Ein Gaußfokus mit dND x,y≈dGF x,y=2,5µm zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich ZR=5µm bei λ=1µm aus. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen gilt demnach für die Bessel-Gauß-Strahlen sogar L>>10zR.Typical Bessel-Gauss beams, which can be used to process transparent materials, have a diameter of the central intensity maximum on the optical axis of d ND x,y = 2.5 µm. The associated length L can easily exceed 1mm. A Gaussian focus with d ND x,y ≈d GF x,y =2.5 µm, on the other hand, is characterized by a focus length in air of only Z R =5 µm at λ=1 µm. In these cases, which are relevant for material processing, even L>>10z R applies to the Bessel-Gauss rays.
Die Ausdehnung d0 des Intensitätsmaximums oder der Intensitätsmaxima kann zwischen 0,25µm und 10µm liegen.The extent d 0 of the intensity maximum or of the intensity maxima can be between 0.25 μm and 10 μm.
Insbesondere kann mit d0 entweder dND x,y oder dGF x,y gemeint sein. Dadurch wird durch die Dimension der Materialauswürfe festgelegt, da die Größe des Intensitätsmaximums auch ungefähr die Größe der Materialmodifikation festlegt.In particular, d 0 can mean either d ND x,y or d GF x,y . This is determined by the dimension of the material ejections, since the size of the intensity maximum also approximately determines the size of the material modification.
Wenn das Intensitätsmaximums dx,y eine Größe von 10µm überschreitet, dann beginnt die benötigte Pulsenergie zum Einbringen einer Materialmodifikation quadratisch mit der Größe des Intensitätsmaximums zu skalieren. Dementsprechend ist bei einer Verdopplung der Größe mit einer Vervierfachung der benötigten Pulsenergie zu rechnen.If the maximum intensity d x,y exceeds a size of 10 µm, the pulse energy required to introduce a material modification begins to scale quadratically with the size of the maximum intensity. Accordingly, if the size doubles, the required pulse energy will quadruple.
Der nicht-beugende Laserstrahl kann einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung aufweisen. Ein nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt liegt insbesondere dann vor, wenn dx ungleich dy ist, wobei dx und dy definiert sind über die zweiten Momente einer transversalen Intensitätsverteilung. Zur Berechnung der zweiten Momente werden insbesondere nur Intensitätswerte der Intensitätsverteilung berücksichtigt, welche innerhalb einer Kurve gleicher Intensität liegen, wobei die Kurve ein lokales und/oder globales Maximum der Intensitätsverteilung umschließt. Insbesondere beträgt die Intensität 40% und insbesondere 60% der maximal Intensität des lokalen und/oder globalen Maximums.The non-diffractive laser beam can have a non-radially symmetrical beam cross section perpendicular to the beam propagation direction. A non-radially symmetrical beam cross-section is present in particular when d x is not equal to d y , d x and d y being defined by the second moments of a transverse intensity distribution. In order to calculate the second moments, only intensity values of the intensity distribution that lie within a curve of the same intensity are taken into account, with the curve enclosing a local and/or global maximum of the intensity distribution. In particular, the intensity is 40% and in particular 60% of the maximum intensity of the local and/or global maximum.
Der nicht-beugende Laserstrahl kann einen einhüllend nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung aufweisen. Ein einhüllend nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt liegt insbesondere dann vor, wenn dx ungleich dy ist, wobei dx und dy definiert sind über die zweiten Momente einer transversalen Intensitätsverteilung des Laserstrahls. Zur Berechnung der zweiten Momente werden insbesondere nur Intensitätswerte der Intensitätsverteilung berücksichtigt, welche oberhalb einer Intensitätsschwelle liegen. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 17% der maximalen Intensität des globalen Maximums der Intensitätsverteilung.The non-diffracting laser beam can have an enveloping non-radially symmetrical beam cross-section perpendicular to the beam propagation direction. An enveloping, non-radially symmetrical beam cross-section is present in particular when d x is not equal to d y , d x and d y being defined by the second moments of a transverse intensity distribution of the laser beam. In particular, only intensity values of the intensity distribution that are above an intensity threshold are taken into account for the calculation of the second moments. For example, the intensity threshold is 17% of the maximum intensity of the global maximum of the intensity distribution.
Vorzugsweise ist der nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt als elliptischer Strahlquerschnitt ausgebildet.The non-radially symmetrical beam cross section is preferably designed as an elliptical beam cross section.
Vorzugsweise ist die Einhüllende des Strahlquerschnitts elliptisch geformt.The envelope of the beam cross section is preferably elliptical in shape.
Ein nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt kann jedoch auch bedeuten, dass der Strahlquerschnitt beispielsweise kreuzförmig ist, oder dreieckig ist oder N-eckig ist, beispielsweise fünfeckig ist. Ein nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt kann zudem weitere rotations- und spiegelsymmetrische Strahlquerschnitte umfassen.However, a non-radially symmetrical beam cross-section can also mean that the beam cross-section is, for example, cross-shaped, or is triangular, or is N-sided, for example pentagonal. A non-radially symmetrical beam cross-section can also include further rotationally and mirror-symmetrical beam cross-sections.
Insbesondere weisen die Konturen der Strahlquerschnitte Orte mit unterschiedlichen Kurvenradien auf. Beispielsweise ist bei einem elliptischen Strahlquerschnitt der Kurvenradius an der Stelle, an der die kleine Halbachse die Ellipse schneidet, besonders groß, während der Kurvenradius an der Stelle, an der die große Halbachse die Ellipse schneidet, besonders klein ist.In particular, the contours of the beam cross sections have locations with different radii of curvature. For example, in the case of an elliptical beam cross-section, the radius of curvature is particularly large at the point at which the semi-minor axis intersects the ellipse, while the radius of curvature is particularly small at the point at which the semi-major axis intersects the ellipse.
Elliptisch quasi nicht-beugende Strahlen weisen hierbei spezielle Eigenschaften auf, die sich aus der Analyse der Strahlintensität ergeben. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum, auch als globales Maximum bezeichnet, auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem die lange Achse die kurze Achse schneidet. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht-beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrere Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.Elliptical, quasi non-diffracting beams have special properties that result from the analysis of the beam intensity. For example, elliptical quasi-non-diffracting rays Main maximum, also known as global maximum, which coincides with the center of the ray. The center of the beam is given by the place where the long axis intersects the short axis. In particular, elliptical, quasi non-diffracting beams can result from the superimposition of a plurality of intensity maxima, in which case only the envelope of the intensity maxima involved is elliptical. In particular, the individual intensity maxima do not have to have an elliptical intensity profile.
Die dem Hauptmaximum nächstgelegenen Nebenmaxima, die sich aus der Lösung der Helmholtz-Gleichung ergeben, weisen hierbei eine relative Intensität von über 17% auf. Somit wird - je nach transportierter Laserenergie im Hauptmaximum, auch in den Nebenmaxima so viel Laserenergie geführt, dass eine Materialbearbeitung ermöglicht wird. Zudem liegen die nächstgelegenen Nebenmaxima immer auf einer Geraden, die senkrecht zur langen Halbachse a, beziehungsweise parallel zur kurzen Halbachse b ist und durch das Hauptmaximum verläuft.The secondary maxima closest to the main maximum, which result from the solution of the Helmholtz equation, have a relative intensity of over 17%. Thus, depending on the transported laser energy in the main maximum, so much laser energy is also conducted in the secondary maxima that material processing is made possible. In addition, the nearest secondary maxima always lie on a straight line that is perpendicular to the long half-axis a or parallel to the short half-axis b and runs through the main maximum.
Ein elliptischer quasi nicht-beugender Strahl kann entlang der langen Achse a eine nicht verschwindende Intensität aufweisen, insbesondere einen Interferenzkontrast Imax-Imin/(Imax+Imin)<0,9 aufweisen, so dass der Strahl entlang der langen Achse a überall Laserenergie transportiert.An elliptical quasi-non-diffracting ray can have a non-zero intensity along the long axis a, in particular an interference contrast I max -I min /(I max +I min )<0.9, so that the ray along the long axis a transported laser energy everywhere.
Imax ist hierbei die maximale Strahlintensität entlang der langen Achse a, während Imin die minimale Strahlintensität ist. Wenn Imin=0, dann kommt es entlang der langen Achse a zu einer vollständigen Interferenz und es ergibt sich ein Interferenzkontrast von 1. Wenn Imin>0, dann kommt es entlang der langen Achse a lediglich zu einer teilweisen oder zu keiner Interferenz, so dass der Interferenzkontrast <1 ist.Here, Imax is the maximum beam intensity along the long axis a, while Imin is the minimum beam intensity. If I min =0, then there is complete interference along the long axis a, and the interference contrast is 1. If I min >0, then there is only partial or no interference along the long axis a, so that the interference contrast is <1.
Ist beispielsweise der Interferenzkontrast entlang der langen Achse a kleiner als 0,9, so kommt es entlang der langen Achse a zu keiner vollständigen Interferenz, sondern lediglich zu einer teilweisen Interferenz, welche nicht zur vollständigen Auslöschung der Laserintensität am Ort des Intensitätsminimums Imin führt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der quasi nicht-beugende Strahl mit einem doppelbrechenden Element basierend auf Quarzkristallen, erzeugt wird. Hierbei gibt es Ausführungsformen die einen Winkelversatz erzeugen und Ausführungsformen die einen Ortsversatz erzeugen.If, for example, the interference contrast along the long axis a is less than 0.9, there is no complete interference along the long axis a, but only partial interference, which does not lead to complete cancellation of the laser intensity at the location of the intensity minimum I min . This is the case, for example, when the quasi-non-diffracting beam is generated with a birefringent element based on quartz crystals. There are embodiments that produce an angular offset and embodiments that produce a spatial offset.
Ein elliptischer quasi nicht-beugender Strahl kann entlang der langen Achse a jedoch auch eine verschwindende Intensität und einen Interferenzkontrast von 1 aufweisen, so dass der Strahl entlang der langen Achse a nicht überall Laserenergie transportiert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der quasi nicht-beugende Strahl mit einem modifizierten Axicon erzeugt wird.However, an elliptical quasi-non-diffractive beam can also have vanishing intensity along the long axis a and an interference contrast of 1, such that the beam does not transport laser energy everywhere along the long axis a. This is the case, for example, when the quasi-non-diffracting beam is generated with a modified axicon.
Bevorzugt kann die in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone mindestens abschnittsweise in das Material ragen, und mindestens eine Materialoberfläche durchdringen. The focus zone, which is elongated in the beam propagation direction, can preferably project into the material at least in sections and penetrate at least one material surface.
Abschnittsweise in das Material ragen kann bedeuten, dass die Fokuszone teilweise in dem Volumen des Materials liegt und teilweise außerhalb des Materials liegt. Wenn die Fokuszone die Materialoberfläche durchdringt, dann kann das bedeuten, dass die Fokuszone von der Materialoberfläche geschnitten wird, so dass die Laserenergie zumindest zum Teil in das Material gelangt.Protruding into the material in sections can mean that the focal zone lies partly in the volume of the material and partly outside of the material. If the focal zone penetrates the material surface, this can mean that the focal zone is intersected by the material surface, so that at least part of the laser energy penetrates the material.
Insbesondere kann die Fokuszone eine Materialoberfläche durchdringen, so dass beispielsweise auf die Oberseite des Materials und in einen Teil des Materialvolumens Laserenergie eingebracht wird, jedoch keine Laserenergie auf die Unterseite des Materials eingebracht wird. Somit wird eine Materialmodifikation auf der Oberseite eingebracht und der Materialauswurf entsteht ebenfalls auf der Oberseite. Indem die Oberseite und die Unterseite des Materials unterschiedlich behandelt beziehungsweise Modifiziert werden, können dadurch Spannungsgradienten im Material entstehen, die beim Trennen des Materials vorteilhaft eingesetzt werden können.In particular, the focal zone can penetrate a material surface so that, for example, laser energy is applied to the upper side of the material and into a part of the material volume, but no laser energy is applied to the underside of the material. A material modification is thus introduced on the upper side and the material is also ejected on the upper side. By treating or modifying the upper side and the lower side of the material differently, this can result in stress gradients in the material, which can be used to advantage when cutting the material.
Es ist aber auch möglich, dass die Fokuszone zwei gegenüberliegende Oberflächen des Materials durchdringt. Insbesondere bedeutet dies, dass über die gesamte Dicke des Materials Laserenergie in das Material eingebracht wird. Dadurch, dass sich die Fokuszone über die gesamte Dicke des Materials erstreckt, kann jede der notwendigen Materialmodifikationen in dem Material mit einem einzigen Laserpuls oder einem einzigen Laserpulszug erzeugt werden. Mit anderen Worten wird jede Materialmodifikation sofort durchgehend durch die gesamte Dicke des Materials eingebracht, so dass an der gleichen Position keine weitere Bearbeitung mehr notwendig ist, um die Materialmodifikation einzubringen.However, it is also possible that the focal zone penetrates two opposite surfaces of the material. In particular, this means that laser energy is introduced into the material over the entire thickness of the material. Since the focal zone extends over the entire thickness of the material, each of the necessary material modifications can be generated in the material with a single laser pulse or a single laser pulse train. In other words, each material modification is introduced immediately throughout the entire thickness of the material, so that no further processing is necessary at the same position in order to introduce the material modification.
Bevorzugt ist die in Strahlrichtung elongierte Fokuszone länger, bevorzugt 1,5 mal so lang wie die Dicke des Materialsoder2 mal 200 µm + die Dicke des Materials, . Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Bereich der höchsten Intensität vollständig im Material liegt und damit ein besonders effizientes Bearbeiten des Materials erreicht wird.The focal zone elongated in the beam direction is preferably longer, preferably 1.5 times as long as the thickness of the material or 2
Dadurch entstehen Materialauswürfe an der Ober- und Unterseite des Materials. Dies führt zu einer niedrigeren benötigten Trennkraft im anschließenden Trennprozess und somit zu einer geringeren Oberflächenrauheit der Trennfläche.This results in material ejections on the top and bottom of the material. This leads to a lower required separating force in the subsequent separating process and thus to a lower surface roughness of the separating surface.
Gleichzeitig kann dadurch, dass sich die Fokuszone über die gesamte Dicke des Materials erstreckt, auch eine hohe Fokuslagentoleranz bereitgestellt werden, so dass das Verfahren besonders robust aufgebaut werden kann.At the same time, because the focal zone extends over the entire thickness of the material, a high focal position tolerance can also be provided, so that the method can be constructed in a particularly robust manner.
Bevorzugt kann die lange Achse des nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitts senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung entlang der Trennlinie orientiert sein.The long axis of the non-radially symmetrical beam cross section can preferably be oriented perpendicular to the beam propagation direction along the dividing line.
Die spezielle Form der Fokuszone, insbesondere die nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitte der quasi nicht-beugenden Strahlen und elliptischen quasi nicht-beugenden Strahlen, übertragen sich auf die Form der Materialmodifikation im Material. Da die Form der Materialmodifikation die Form des Materialauswurfs bestimmt, ergibt sich dementsprechend an der Oberfläche ein Materialauswurf, der in der Form der des Strahlquerschnitts entspricht. Beispielsweise bilden sich bei einem elliptischen Strahlquerschnitt elliptische Materialauswürfe.The special shape of the focal zone, in particular the non-radially symmetrical beam cross-sections of the quasi-non-diffracting beams and elliptical, quasi-non-diffracting beams, are transferred to the shape of the material modification in the material. Since the shape of the material modification determines the shape of the material ejection, material ejection occurs on the surface, which corresponds in shape to that of the jet cross section. For example, in the case of an elliptical jet cross section, elliptical material ejections form.
Typischerweise wird eine Rissbildung entlang einer Vorzugsrichtung des nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitts im Material induziert - beispielsweise findet eine Rissausbreitung hauptsächlich in Richtung einer längeren Ausdehnung des Strahlquerschnitts statt, welche mit kleineren Radien der Kontur des Strahlquerschnitts an den in dieser Vorzugsrichtung liegenden äußeren Konturkanten einhergeht.Typically, crack formation is induced in the material along a preferred direction of the non-radially symmetrical beam cross-section - for example, crack propagation mainly takes place in the direction of a longer extension of the beam cross-section, which is associated with smaller radii of the contour of the beam cross-section at the outer contour edges lying in this preferred direction.
Dies ist unter Anderem zurückzuführen auf die gezielte Rissbildung, die von der Materialmodifikation oder den Materialmodifikationen ausgeht. Die Materialmodifikation werden derart in das Material eingebracht, sodass die davon ausgehende Rissbildung einen Riss bis vorzugsweise zur benachbarten Materialmodifikation reicht. Insbesondere ist es auch möglich, dass sich die Risse ausgehend von zwei benachbarten Materialmodifikation zwischen den Materialmodifikationen treffen und so einen gemeinsamen Riss bilden. Dadurch ist es möglich die Positionen, an denen die Materialmodifikation in das Material eingebracht werden weiter voneinander zu entfernen.This is due, among other things, to the targeted crack formation that emanates from the material modification or modifications. The material modification is introduced into the material in such a way that the resulting crack formation preferably extends to the adjacent material modification. In particular, it is also possible for the cracks, starting from two adjacent material modifications, to meet between the material modifications and thus form a common crack. This makes it possible to move the positions at which the material modification is introduced into the material further apart.
Entlang der Trennlinie orientiert bedeutet, dass die Materialmodifikation auf der Trennlinie liegt und die lange Achse der Materialmodifikation zumindest abschnittsweise tangential zur gewünschten Trennlinie verläuft. Beispielsweise kann das bedeuten, dass bei einem elliptischen Materialmodifikationsquerschnitt das Zentrum der Ellipse auf der gewünschten Trennlinie liegt und die lange Achse a im Zentrum der Ellipse tangential zur Trennlinie liegt.Oriented along the parting line means that the material modification lies on the parting line and the long axis of the material modification runs at least in sections tangentially to the desired parting line. For example, this can mean that in the case of an elliptical material modification cross section, the center of the ellipse lies on the desired parting line and the long axis a in the center of the ellipse lies tangential to the parting line.
Hierdurch wird erreicht, dass die Rissausbreitung zumindest abschnittsweise auf der gewünschten Trennlinie verläuft.This ensures that the crack propagation runs at least in sections along the desired parting line.
Insbesondere kann die lange Achse auch parallel zum Vorschubgeschwindigkeitsvektor beziehungsweise zur Vorschubgeschwindigkeit orientiert sein. Da die Vorschubgeschwindigkeit immer tangential zur Trennlinie steht, führt dies zu einer Rissbildung entlang der Trennlinie, wobei die lange Achse des Materialauswurfs ebenfalls stets tangential zur Trennlinie orientiert ist. Dementsprechend kann der Abstand der Materialmodifikationen entlang der Trennlinie groß gewählt werden, so dass eine effiziente Bearbeitung des Materials möglich wird.In particular, the long axis can also be oriented parallel to the feed rate vector or to the feed rate. Since the feed rate is always tangential to the parting line, this leads to crack formation along the parting line, with the long axis of material ejection also always being oriented tangential to the parting line. Accordingly, the distance between the material modifications along the parting line can be selected to be large, so that the material can be processed efficiently.
Die Einzellaserpulse und/oder die Pulszüge können durch eine positionsgesteuerte Pulsauslösung vom Laser ausgelöst werden, wobei die Position bevorzugt durch die Position des Laserstrahls auf dem Material gegeben ist.The individual laser pulses and/or the pulse trains can be triggered by a position-controlled pulse release from the laser, the position preferably being given by the position of the laser beam on the material.
Eine positionsgesteuerte Pulsauslösung bedeutet, dass bei Erreichen des Laserstrahls eines Punktes oder eines Abstandes auf der Trennlinie oder bei Erreichen eines Punktes im Raum relativ zu einem vorher bestimmten Referenzwert ein Laserpuls oder ein Laserpulszug von Laser abgegeben wird.Position-controlled pulse triggering means that when the laser beam reaches a point or a distance on the dividing line or when it reaches a point in space relative to a predetermined reference value, a laser pulse or a laser pulse train is emitted by the laser.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise über einen Achsencoder einer Vorschubvorrichtung, mit der der Laserstrahl und das Material relativ zueinander bewegt werden, die momentane Ortsposition der Vorschubvorrichtung ausgelesen und beispielsweise einer Steuervorrichtung zugeführt werden, die ihrerseits die Ortsposition verarbeitet und ein Auslösungssignal an die Lasersteuerung des Ultrakurzpulslasers sendet.For this purpose, for example, via an axis encoder of a feed device, with which the laser beam and the material are moved relative to one another, the current position of the feed device can be read out and, for example, fed to a control device, which in turn processes the position and sends a trigger signal to the laser control of the ultrashort pulse laser .
In dem in der Steuervorrichtung auch die Vorschubgeschwindigkeit und die Vorschubrichtung und somit die Trennlinie verarbeitet werden, kann eine automatisierte Abgabe der Laserpulse oder Laserpulszüge erfolgen.By also processing the feed rate and the feed direction and thus the dividing line in the control device, the laser pulses or laser pulse trains can be emitted automatically.
Insbesondere kann die Grundfrequenz des Lasers den Takt der Steuervorrichtung somit eine gemeinsame Zeitbasis zur Verfügung stellen, so dass die Steuervorrichtung über die Grundfrequenz und die Vorschubgeschwindigkeit ein abstandsbasiertes Abgeben der Laserpulse oder Laserpulszüge veranlassen kann.In particular, the base frequency of the laser can thus provide the clock of the control device with a common time base, so that the control device can use the base frequency and the feed rate to cause the laser pulses or laser pulse trains to be emitted based on distance.
Indem die Abgabe der Laserpulse oder der Pulszüge positionsgesteuert erfolgt, entfällt eine aufwändige Programmierung des Modifikationsprozesses. Zudem können freiwählbare Prozessgeschwindigkeiten einfach umgesetzt werden.Since the laser pulses or pulse trains are emitted in a position-controlled manner, there is no need for time-consuming programming of the modification process. In addition, freely selectable process speeds can be easily implemented.
Bevorzugt ist die Auflagefläche, auf der das Material aufliegt, weder reflektierend, noch absorbierend, noch stark streuend für die Wellenlänge der Laserpulse.The support surface on which the material is placed is preferably neither reflective nor absorbent nor strongly scattering for the wavelength of the laser pulses.
Hierdurch wird vermieden, dass Laserstrahlung aus dem Material wieder zurück ins Material reflektiert oder gestreut wird und dieses unkontrolliert erhitzt oder bearbeitet oder modifiziert. Insbesondere kann die Auflagefläche somit auch transparent für die Wellenlänge des Lasers sein.This prevents laser radiation from being reflected or scattered back into the material and heating, processing or modifying it in an uncontrolled manner. In particular, the bearing surface can thus also be transparent to the wavelength of the laser.
Figurenlistecharacter list
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1A, B ,C eine schematische Darstellung zur Durchführung des Verfahrens; -
2A, B ein Mikroskop-Bild und Querschnitt einer Materialmodifikation mit Materialauswurf: -
3A, B ,C ,D eine schematische Darstellung von Strahlquerschnitten quasi nicht-beugender Strahlen; -
4A, B ,C ,D eine Analyse der Strahlquerschnitte quasi nicht-beugender Strahlen; -
5 eine schematische Darstellung eines zusammengesetzten elliptischen quasi nicht-beugenden Strahls; -
6A, B eine weitere schematische Darstellung zur Durchführung des Verfahrens; -
7A, B ,C ,D eine schematische Darstellung elliptischer Strahlquerschnitte und Materialmodifikationen und deren Ausrichtung an einer Trennlinie; und -
8A, B eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
1A, B ,C a schematic representation of the implementation of the method; -
2A, B a microscope image and cross section of a material modification with material ejection: -
3A, B ,C ,D a schematic representation of beam cross sections of quasi-non-diffracting beams; -
4A, B ,C ,D an analysis of the beam cross-sections of quasi-non-diffracting beams; -
5 a schematic representation of a composite elliptical quasi-non-diffractive beam; -
6A, B a further schematic representation of the implementation of the method; -
7A, B ,C ,D a schematic representation of elliptical beam cross-sections and material modifications and their orientation at a dividing line; and -
8A, B a schematic representation of the device for carrying out the method.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the different figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancies.
In
Durch die lineare und/oder nicht-lineare Absorption der Laserpulse in dem Material 1 kann es zu sogenannten Mikroexplosionen kommen, bei denen das Material 1 schlagartig in der Fokuszone 600 des Laserstrahls verdampft wird. Das hochangeregte, gasförmige Material 1 wird durch den hohen Druck in das umliegende Material 1 gerückt, so dass das Material 1 an der Stoßfront verdichtet wird. Im Bereich der Fokuszone 600 entsteht dadurch ein weniger dichter oder leerer Kern (engl. „Void“), welcher von dem verdichteten Material umgeben ist. Insbesondere kann durch die Mikroexplosionen ein Teil des Materials aus der Fokuszone 600 nach außen dringen, wo es sich an der Oberfläche des Materials 1 ablagert und die Materialauswürfe 300 bildet.The linear and/or non-linear absorption of the laser pulses in the
Diese Modifikationen ergeben die Materialmodifikation 3. Um die Materialmodifikation 3 herum wird ein Materialmodifikationsbereich 30 ausgebildet. In dem Materialmodifikationsbereich 30 geht das Material von dem Zustand, der in der Materialmodifikation 3 vorliegt, nach und nach wieder in seinen Ursprungszustand über, je weiter entfernt das Material von der Materialmodifikation 3 betrachtet wird. Der Ursprungszustand kann beispielsweise der unbearbeitete Zustand des Materials sein, der beispielsweise in benachbarten Punkten im Material 1 vorliegt. Unter dem Ursprungszustand wird hier aber auch der Zustand des Materials 1 verstanden, welcher vor dem Einbringen der Materialmodifikation 3 vorlag.These modifications result in the
Auf dem Material 1 kann es je nach gewählter Pulsenergie der ultrakurzen Laserpulse zum Ausbilden von Materialauswürfen 300 kommen. Die Materialauswürfe 300 sind hierbei ein Maß für die Güte der Materialmodifikation 3 und damit auch für die Trennbarkeit des Materials 1. Insbesondere entstehen die Materialauswürfe 300 durch das Erhitzen des Materials 1 in der Fokuszone 600, wobei das erhitze Material aufgrund der Wärmeausdehnung aus dem Material 1 heraustritt und sich neben der Materialmodifikation 3 ablagertDepending on the selected pulse energy of the ultra-short laser pulses,
Die Laserpulse können hierfür eine Wellenlänge zwischen 0,3µm und 1,5µm aufweisen und/oder die Pulslänge der Laserpulse kann 0,01 ps bis 50ps betragen, bevorzugt 0,3-15ps betragen und/oder die mittlere Leistung des Lasers kann 10W bis 1000W betragen. Die Laserenergie kann in Form von Einzellaserpulsen in das Material eingebracht werden, wobei die Repetitionsrate der Einzellaserpulse 1kHz bis 2MHz beträgt. Die Laserenergie kann aber auch in Form von Pulszügen, umfassend mehrere Sub-Laserpulse, in das Material eingebracht werden, wobei die Repetitionsfrequenz der Sub-Laserpulse des Pulszugs zwischen 100MHz und 50GHz betragen kann, ferner wobei ein Pulszug bevorzugt 2 bis 20 Sub-Laserpulse umfassen kann und/oder die Summe der Pulsenergien der Sub-Laserpulse eines Pulszugs zwischen 10µJ und 300µJ pro 100µm Materialstärke groß sein kann.For this purpose, the laser pulses can have a wavelength between 0.3 μm and 1.5 μm and/or the pulse length of the laser pulses can be 0.01 ps to 50 ps, preferably 0.3-15 ps and/or the average power of the laser can be 10 W to 1000 W be. The laser energy can be introduced into the material in the form of individual laser pulses, with the repetition rate of the individual laser pulses being 1kHz to 2MHz. However, the laser energy can also be introduced into the material in the form of pulse trains comprising several sub-laser pulses, in which case the repetition frequency of the sub-laser pulses of the pulse train can be between 100 MHz and 50 GHz, with a pulse train preferably comprising 2 to 20 sub-laser pulses and/or the sum of the pulse energies of the sub-laser pulses of a pulse train can be between 10 μJ and 300 μJ per 100 μm material thickness.
Beispielsweise kann eine Materialmodifikation 3 mit Materialauswürfen 300 mit einem Laser mit 1µm Wellenlänge, einer Pulsdauer von 1ps und einer mittleren Leistung von 100W erzeugt werden. Der Laserpuls kann in Form eines Einzelpulses in das Material 1 eingebracht werden, wobei die Repetitionsrate des Lasers beispielsweise 100kHz beträgt.For example, a
Der räumliche Abstand der Materialmodifikationen 3 ist hierbei insbesondere größer als der 0,2-fach bis 10-fache Durchmesser des jeweiligen Materialauswurfs 300.The spatial distance between the
In der Materialmodifikation 3 und dem Materialmodifikationsbereich 30 kann es zu lokalen Spannungen kommen, die eine Rissbildung begünstigen. Beispielsweise kann das Material 1 durch lokale Erhitzung eine andere Dichte - beispielsweise eine geringere Dichte - aufweisen und dadurch eine Druckspannung im Materialmodifikationsbereich 30 aufbauen. In dem erhitzten Bereich kann aber auch eine höhere Dichte vorliegen und somit eine Zugspannung im Materialmodifikationsbereich 30 aufgebaut werden. Wird die Zug- und/oder Druckspannung zu groß, beispielsweise größer als die Zug- oder Druckfestigkeit des unbehandelten Materials, kann es zur spontanen Ausbildung eines Risses kommen.In the
Wie in der
Durch die eingebrachten Materialmodifikationen 3 entlang einer Trennlinie 2 in das Material, wird das Material quasi perforiert, so dass durch die Trennlinie 2 eine Art Sollbruchstelle im Material 1 definiert ist. Diese Perforation führt in der Regel jedoch nicht zu einer selbstständigen Trennung des Materials 1. Vielmehr sorgen die Materialmodifikationen 3 entlang der Trennlinie 2 beispielsweise für eine gezielte Materialschwächung und/oder einen gezielten Eintrag von Rissen, die entlang der Trennlinie 2 eine Materialschwächung hervorrufen.The
Nachdem mittels des Laserstrahls 6 die Materialmodifikationen 3 in das Material 1 eingebracht sind, kann beispielsweise in einem nachfolgenden Trennschritt durch Aufbringen einer Zugkraft FZ auf die durch die Trennlinie 2 voneinander getrennten Materialhälften 10 und 12 das Material 1 physisch getrennt werden. Es ist insbesondere auch möglich das Material 1 durch Aufbringen einer Biegespannung auf die Materialhälften 10, 12 zu trennen (nicht gezeigt).After the
In
Nachdem die Materialmodifikationen 3 eingebracht sind kann ein thermischer Gradient 620 über den Materialmodifikationen 3 erzeugt werden. Zum Einbringen des thermischen Gradienten 620 kann beispielsweise ein Dauerstrich-CO2-Laser 62 verwendet werden.After the
Die Fokuszone des Dauerstrich-CO2-Lasers 62 kann zur Erzeugung des thermischen Gradienten 620 wenige Mikrometer unter der Oberfläche platziert werden, so dass die Trennung des Materials schädigungsarm verläuft und eine glatte Bruchkante beziehungsweise Trennfläche entsteht.The focal zone of the continuous
Durch das Positionieren der Fokuszone des Dauerstrich-CO2-Lasers 62 ist die Temperatur an der oberen Oberfläche des Materials 1 größer ist, als an der unteren Oberfläche. Dadurch entsteht ein thermischer Gradient T(z). Durch die thermische Ausdehnung des Materials 1, die in erster Näherung linear in der Temperatur ist, dehnt sich das Material 1 an der oberen Oberfläche stärker aus, als an der unteren Oberfläche Dadurch kommt es zu unterschiedlich starken Materialspannungen entlang der Z-Achse.By positioning the focal zone of the continuous
Die verschiedenen Materialspannungen laufen durch die eingebrachten Materialmodifikationen 3. Dort können die Materialspannungen vorzugsweise relaxieren, was zur einer Rissbildung führt. Die Rissbildung findet zwischen den verschiedenen benachbarten Materialmodifikationen 3 statt. So kommt es zu einer Rissbildung, die das Material 1 schließlich in die beiden Materialhälften 10 und 12 trennt.The different material stresses run through the introduced
In
Sobald das Material 1 durchgeätzt ist, ist das Material 1 in beide Materialhälften 10, 12 getrennt. Sofern das Material 1 nach dem chemischen Bad 11 noch nicht getrennt ist, beispielsweise da das chemische Bad 11 ausschließlich die Materialmodifikationen 3 weggeätzt hat, so ist das Material 1 weiter entlang der Trennlinie 2 gezielt geschädigt worden, so dass beispielsweise durch Aufbringen einer Zug- oder Biegespannung das Material 1 in die Materialhälften 10, 12 getrennt werden kann.As soon as the
In
In
In
In
In
In
In
In
In
In
Insbesondere ist in den
In der
Im vorliegend Fall weist der Strahlquerschnitt neben dem ausgeprägten Hauptmaximum 41 auch zwei nierenförmige Nebenmaxima 43 auf. In den Nebenmaxima wird mindestens 25% der Laserenergie des Hauptmaximums 41 transportiert. Sofern die Laserpulsenergie groß genug ist, genügt auch die in den Nebenmaxima 43 transportierte Laserpulsenergie, um eine Materialmodifikation hervorzurufen. Die Fokuszone, innerhalb derer eine Materialbearbeitung stattfindet ist somit durch die 25%-Iso-Intensitätslinie gegeben anstatt durch eine 50%-Iso-Intensitätslinie.In the present case, the beam cross section also has two kidney-shaped
Das Hauptmaximum sowie die beiden Nebenmaxima bilden jeweils beispielsweise überlappende Materialmodifikationsbereiche 30 aus, sodass sich insgesamt eine elliptische Materialmodifikation 3 ergibt, deren lange Achse sich in y-Richtung erstreckt. Somit ist auch eine Rissausbildung entlang der y-Richtung zu erwarten.The main maximum and the two secondary maxima each form, for example, overlapping
Insbesondere wird sich aufgrund dessen auch ein elliptischer Materialauswurf ergeben, dessen lange Achse analog entlang der y-Achse ausgerichtet ist.In particular, this will also result in an elliptical material ejection, the long axis of which is aligned analogously along the y-axis.
Die
In
In
Dementsprechend können sowohl in der Materialmodifikation 3 selbst als auch im Materialmodifikationsbereich 30 Materialspannungen auftreten, welche eine Rissbildung begünstigen. Beispielsweise kann bei einer elliptischen Materialmodifikation eine Rissbildung an den Stellen der Ellipse begünstigt werden, an denen der Kurvenradius der Begrenzungslinie besonders klein ist. Durch einen kleinen Kurvenradius wird sichergestellt, dass die Spannung, die durch die Materialmodifikation 3 in das Glas 1 eingebracht wird, in viele verschiedene Richtungen besonders schnell abfallen kann. Somit erfolgt an dieser Stelle einer Relaxation der Materialspannung mit höherer Wahrscheinlichkeit als an Orten, wo die Materialspannung nur in wenige Richtungen relaxieren kann. Dadurch sind im Material 1 die Stellen der Materialmodifikation 3 besonders instabil, die einen kleinen Kurvenradius aufweisen.Accordingly, material stresses can occur both in the
Die Bildung des Risses 32 findet dann vorzugsweise in Richtung der langen Achse der elliptischen Materialmodifikation 3 statt. Somit ist es möglich die Rissausbreitung durch die Orientierung der Materialmodifikation 3 zu steuern. So ist es insbesondere möglich die Rissausbreitung von einer Materialmodifikation 3 zu einer anderen Materialmodifikation 3 zu steuern.The formation of the
In
In
In
In
Insbesondere kann der Laserstrahl 60 durch eine Freiraumstrecke mit einem Linsen- und Spiegelsystem in die Strahlformungsoptik 9 eingekoppelt werden. Der Laserkann aber auch durch eine Hohlkernfaser 65 mit Einkoppel- und Auskoppeloptik in die Strahlformungsoptik eingekoppelt werden, wie in
Die Strahlformungsoptik 9 kann beispielsweise ein diffraktives optisches Element oder ein Axicon sein, welches aus einem Gauß-förmigen Laserstrahl 60 einen nicht-beugenden Laserstrahl 60 erzeugt. Im vorliegenden Beispiel wird der Laserstrahl 60 von dem Spiegel 70 in Richtung des Materials 1 gelenkt und von einer Fokussieroptik 72 auf oder in das Material 1 fokussiert. Im Material 1 verursacht der Laserstrahl 60 Materialmodifikationen 3. Insbesondere bleibt der Strahlquerschnitt des Laserstrahls durch den Spiegel 70 und die Fokussieroptik 72 erhalten.The
Die Vorschubvorrichtung 8 kann hierbei das Material 1 unter dem Laserstrahl 60 mit einem Vorschub V bewegen, so dass der Laserstrahl 60 Materialmodifikationen 3 entlang der gewünschten Trennlinie einbringt. Insbesondere setzt sich in der gezeigten Figur die Vorschubvorrichtung 8 aus einem ersten Teil 80 zusammen, der das Material entlang einer Achse bewegen kann. Insbesondere kann die Vorschubvorrichtung einen zweiten Teil 82 aufweisen, der dazu eingerichtet ist den Laserstrahl 60 um die z-Achse, beziehungsweise um die Strahlausbreitungsrichtung zu rotieren, sodass die lange Achse des Strahlquerschnitts senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung stets tangential zur gewünschten Trennlinie 2 steht, um so eine Rissausbreitung entlang der Trennlinie 2 zu bewirken.In this case, the feed device 8 can move the
Zu diesem Zweck kann die Vorschubvorrichtung 8 mit einer Steuervorrichtung 5 verbunden sein, wobei die Steuervorrichtung 5 die Nutzerbefehle eines Benutzers der Vorrichtung in Steuerbefehle für die Vorschubvorrichtung 8 umsetzt. Insbesondere können vordefinierte Schnittmuster in einem Speicher der Steuervorrichtung 5 gespeichert sein und durch die Steuervorrichtung 5 die Prozesse automatisch gesteuert werden.For this purpose, the feed device 8 can be connected to a
Die Steuervorrichtung 5 kann insbesondere auch mit dem Laser 6 verbunden sein. Die Steuervorrichtung 5 kann hierbei die Laserpulsenergie der Laserpulse des Lasers 6 einstellen, oder die Ausgabe eines Laserpulses oder Laserpulszuges anfordern oder auslösen. Die Steuervorrichtung 5 kann auch mit allen genannten Komponenten verbunden sein und so die Materialbearbeitung koordinieren.The
Insbesondere kann so eine positionsgesteuerte Pulsauslösung realisiert werden, wobei beispielsweise ein Achsencoder der Vorschubvorrichtung 8 ausgelesen wird und das Achsencoder-Signal von der Steuervorrichtung als Ortsangabe interpretiert werden kann. Somit ist es möglich, dass die Steuervorrichtung 5 automatisch die Abgabe eines Laserpulses oder Laserpulszuges auslöst, wenn beispielsweise eine interne Addiereinheit, die die zurückgelegte Wegstrecke addiert, einen Wert erreicht und nach Erreichen auf 0 zurücksetzt. So kann beispielsweise in regelmäßigen Abständen automatisch ein Laserpuls oder Laserpulszug in das Material abgegeben werden. In particular, a position-controlled pulse triggering can be implemented in this way, with an axis encoder of the feed device 8 being read out, for example, and the axis encoder signal being able to be interpreted by the control device as location information. It is thus possible for the
Indem in der Steuervorrichtung auch die Vorschubgeschwindigkeit und die Vorschubrichtung und somit die Trennlinie 2 verarbeitet werden, kann eine automatisierte Abgabe der Laserpulse oder Laserpulszüge erfolgen.Because the feed speed and the feed direction and thus the
Die Steuervorrichtung kann auch aufgrund der gemessenen Geschwindigkeit und der vom Laser 6 zur Verfügung gestellten Grundfrequenz einen Abstand dM oder Ort berechnen, an dem eine Abgabe eines Laserpulszuges oder Laserpulses erfolgen soll.Based on the measured speed and the basic frequency provided by the
Indem die Abgabe der Laserpulse oder der Pulszüge positionsgesteuert erfolgt, entfällt eine aufwändige Programmierung des Trennprozesses. Zudem können freiwählbare Prozessgeschwindigkeiten einfach umgesetzt werden.Since the laser pulses or pulse trains are emitted in a position-controlled manner, there is no need for time-consuming programming of the cutting process. In addition, freely selectable process speeds can be easily implemented.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.As far as applicable, all of the individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Materialmaterial
- 1010
- erste Materialhälftefirst half of material
- 1212
- zweite Materialhälftesecond half of material
- 22
- Trennlinieparting line
- 2020
- Trennflächeinterface
- 33
- Materialmodifikationmaterial modification
- 3030
- Materialmodifikationsbereichmaterial modification area
- 300300
- Materialauswurfmaterial ejection
- 3232
- RissCrack
- 44
- Strahlquerschnittbeam cross-section
- 4141
- Hauptordnungmain order
- 4343
- Nebenordnungancillary order
- 55
- Steuervorrichtungcontrol device
- 66
- Laserlaser
- 6060
- Laserstrahllaser beam
- 600600
- Fokuszonefocus zone
- 6262
- Dauerstrich-CO2-LaserContinuous wave CO2 laser
- 620620
- Temperaturgradienttemperature gradient
- 6565
- Hohlkernfaser mit Ein- und AuskoppeloptikHollow core fiber with coupling and decoupling optics
- 77
- Fokussiereinheitfocusing unit
- 7070
- Spiegelmirror
- 7272
- Fokussieroptikenfocusing optics
- 88th
- Vorschubvorrichtungfeed device
- 8080
- erster Teil der Vorschubvorrichtungfirst part of the feed device
- 800800
- Auflageflächebearing surface
- 8282
- zweiter Teil der Vorschubvorrichtungsecond part of the feed device
- 99
- Strahlformungsoptikbeam shaping optics
- 1111
- chemisches Badchemical bath
- 110110
- Reaktionsblasen reaction bubbles
- DD
- Dicke des DünnstglasesThickness of the thinnest glass
- dAthere
- Außendurchmesser des MaterialauswurfsOutside diameter of material ejection
- dMdm
- Abstand der MaterialmodifikationenSpacing of material modifications
- FZcar
- Zugspannungtensile stress
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 2754524 [0003]EP 2754524 [0003]
Claims (13)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020123787.1A DE102020123787A1 (en) | 2020-09-11 | 2020-09-11 | Process for separating a transparent material |
PCT/EP2021/072958 WO2022053274A1 (en) | 2020-09-11 | 2021-08-18 | Method for separating a transparent material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020123787.1A DE102020123787A1 (en) | 2020-09-11 | 2020-09-11 | Process for separating a transparent material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020123787A1 true DE102020123787A1 (en) | 2022-03-17 |
Family
ID=77640679
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020123787.1A Pending DE102020123787A1 (en) | 2020-09-11 | 2020-09-11 | Process for separating a transparent material |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020123787A1 (en) |
WO (1) | WO2022053274A1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110132885A1 (en) | 2009-12-07 | 2011-06-09 | J.P. Sercel Associates, Inc. | Laser machining and scribing systems and methods |
EP2626165A1 (en) | 2012-02-07 | 2013-08-14 | Bystronic Laser AG | Work piece support |
EP2754524A1 (en) | 2013-01-15 | 2014-07-16 | Corning Laser Technologies GmbH | Method and apparatus for laser based processing of flat substrates using a laser beam line |
DE102014212706B3 (en) | 2014-07-01 | 2015-07-02 | Trumpf Sachsen Gmbh | Workpiece support for the storage of workpieces during a thermally separating workpiece machining and machine tool with such a workpiece support |
WO2016079275A1 (en) | 2014-11-19 | 2016-05-26 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | System for asymmetric optical beam shaping |
US20170189991A1 (en) | 2014-07-14 | 2017-07-06 | Corning Incorporated | Systems and methods for processing transparent materials using adjustable laser beam focal lines |
US20190144325A1 (en) | 2016-05-06 | 2019-05-16 | Corning Incorporated | Laser cutting and removal of contoured shapes from transparent substrates |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012110971A1 (en) * | 2012-11-14 | 2014-05-15 | Schott Ag | Separating transparent workpieces |
US20150166393A1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-06-18 | Corning Incorporated | Laser cutting of ion-exchangeable glass substrates |
US10688599B2 (en) * | 2017-02-09 | 2020-06-23 | Corning Incorporated | Apparatus and methods for laser processing transparent workpieces using phase shifted focal lines |
-
2020
- 2020-09-11 DE DE102020123787.1A patent/DE102020123787A1/en active Pending
-
2021
- 2021-08-18 WO PCT/EP2021/072958 patent/WO2022053274A1/en active Application Filing
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110132885A1 (en) | 2009-12-07 | 2011-06-09 | J.P. Sercel Associates, Inc. | Laser machining and scribing systems and methods |
EP2626165A1 (en) | 2012-02-07 | 2013-08-14 | Bystronic Laser AG | Work piece support |
EP2754524A1 (en) | 2013-01-15 | 2014-07-16 | Corning Laser Technologies GmbH | Method and apparatus for laser based processing of flat substrates using a laser beam line |
DE102014212706B3 (en) | 2014-07-01 | 2015-07-02 | Trumpf Sachsen Gmbh | Workpiece support for the storage of workpieces during a thermally separating workpiece machining and machine tool with such a workpiece support |
US20170189991A1 (en) | 2014-07-14 | 2017-07-06 | Corning Incorporated | Systems and methods for processing transparent materials using adjustable laser beam focal lines |
WO2016079275A1 (en) | 2014-11-19 | 2016-05-26 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | System for asymmetric optical beam shaping |
US20190144325A1 (en) | 2016-05-06 | 2019-05-16 | Corning Incorporated | Laser cutting and removal of contoured shapes from transparent substrates |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2022053274A1 (en) | 2022-03-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3854513B1 (en) | Asymmetric optical beam forming system | |
DE102020132700A1 (en) | high energy glass cutting | |
WO2014147048A2 (en) | Device and method for cutting out contours from planar substrates by means of a laser | |
EP3221739A1 (en) | Diffractive optical beam-shaping element | |
DE112019000579T5 (en) | Machining device | |
WO2020254639A1 (en) | Method and device for processing a workpiece with a processing beam composed of at least two beam profiles | |
DE102020123787A1 (en) | Process for separating a transparent material | |
DE102020108247A1 (en) | LARGE-VOLUME REMOVAL OF MATERIAL USING LASER-ASSISTED ETCHING | |
WO2022128214A1 (en) | Apparatus and method for cutting a material | |
WO2023012210A1 (en) | Method and apparatus for laser processing of a workpiece | |
EP3875436B1 (en) | Substrate element and method for preparing and / or performing the separation of a substrate element | |
WO2022053273A1 (en) | Method for separating a workpiece | |
DE102020123786A1 (en) | Process for cutting ultra-thin glass | |
DE102021204578A1 (en) | Process for writing polarization-influencing nanostructures into a transparent material | |
DE102020134751A1 (en) | Process for cutting a workpiece | |
EP4263114A1 (en) | Apparatus and method for cutting a material | |
WO2022128242A1 (en) | Apparatus and method for cutting and chamfering a material | |
DE102022115711A1 (en) | Method and device for processing workpieces | |
DE102021131812A1 (en) | Device and method for separating a transparent workpiece | |
DE102020133629A1 (en) | Process for joining at least two joining partners | |
DE102021109579A1 (en) | METHOD AND APPARATUS FOR MAKING MODIFICATIONS WITH A LASER BEAM IN A MATERIAL WITH A CURVED SURFACE | |
DE102021118593A1 (en) | Process for joining at least two joining partners | |
DE102021123962A1 (en) | Method and device for laser machining a workpiece | |
DE102020133628A1 (en) | Process for joining at least two joining partners | |
DE102020123785A1 (en) | Method of processing a material |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |