WO2024126565A1 - Laserbearbeitungsanlage zur bearbeitung eines werkstücks mittels eines ausgangslaserstrahls - Google Patents

Laserbearbeitungsanlage zur bearbeitung eines werkstücks mittels eines ausgangslaserstrahls Download PDF

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WO2024126565A1
WO2024126565A1 PCT/EP2023/085544 EP2023085544W WO2024126565A1 WO 2024126565 A1 WO2024126565 A1 WO 2024126565A1 EP 2023085544 W EP2023085544 W EP 2023085544W WO 2024126565 A1 WO2024126565 A1 WO 2024126565A1
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WO
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scanning
processing system
workpiece
laser
laser processing
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Application number
PCT/EP2023/085544
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English (en)
French (fr)
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Malte Kumkar
Julian Hellstern
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Trumpf Laser Ag
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0838—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction by using an endless conveyor belt

Definitions

  • the invention relates to a laser processing system for processing a workpiece by means of an output laser beam, which comprises a feed device for feeding the workpiece relative to an optical arrangement of the laser processing system.
  • Such a laser processing system is known, for example, from DE3711905A1.
  • an optical arrangement with a polygon wheel is used to carry out laser processing of a material web that is moving relative to the optical arrangement.
  • the material path can be adjusted relative to the optical arrangement by moving the polygon wheel accordingly.
  • the object of the invention is to provide an improved laser processing system for processing a workpiece that is moved relative to its optical arrangement, which is in particular more flexible and provides a higher processing quality than is the case in the prior art.
  • a laser processing system for processing a workpiece by means of an output laser beam
  • the laser processing system has a laser beam source for generating an input laser beam.
  • the laser processing system has an optical arrangement for converting the input laser beam into an output laser beam for processing the workpiece, which spreads along a propagation direction and which has a beam cross-section extended along a long axis of the optical arrangement in a working region, wherein the optical arrangement has: an LA focusing optic for focusing a beam path within the optical arrangement between the input laser beam and the output laser beam along the long axis, an LA scanner component for scanning the beam path with at least one LA scanning direction component along the long axis, a KA focusing optic for focusing the beam path along a short axis of the optical arrangement running perpendicular to the long axis, optionally a KA beam shaping optic for shaping the beam path along the short axis, and a KA scanner component for scanning the beam path
  • the synchronization by means of the control device can be arranged to compensate for a relative movement between the workpiece and the optical arrangement resulting from the feed of the workpiece in the feed direction by scanning the beam path with the KA scanner component.
  • a solution is thus provided in which separate scanner components are provided for the short axis and the long axis, which are, however, synchronized with one another in their scanning movement, in particular in such a way that the compensation of the relative movement between the workpiece and the optical arrangement can be carried out flexibly by means of corresponding control instructions from the control device to the KA scanner component, whereby the scanning with the LA scan direction component is not significantly influenced by this.
  • the compensation can be carried out solely by KA scanning with the KA scan direction component, so that KA scanning is also used solely for compensating the relative movement.
  • the flexible scanner components are provided for the short axis and the long axis, which are, however, synchronized with one another in their scanning movement, in particular in such a way that the compensation of the relative movement between the workpiece and the optical arrangement can be carried out flexibly by means of corresponding control instructions from the control device to the KA scanner component, whereby the scanning with the LA scan direction component is not significantly influenced by this.
  • the compensation can be
  • Laser processing system can according to the invention provide better Imaging of the beam cross-section or beam profile can be achieved, which in turn improves the processing and thus improves the overall quality of the laser-processed workpiece.
  • a beam profile with a preferred direction can be used which is positioned exactly in relation to the workpiece and aligned with a preferred processing direction related to the workpiece.
  • the optical arrangement and the LA scanning direction component are aligned, in particular in line with the long axis, preferably parallel to the preferred processing line of the workpiece. If the relative movement between the optical arrangement and the workpiece during laser processing deviates from the LA direction, this can advantageously be compensated for by a superimposed KA scanning movement in the KA scanning direction component, in particular in line with the short axis, wherein this KA scanning movement can preferably be adjusted independently of the LA scanning movement, as will be explained in more detail later.
  • the KA scanner component is preferably positioned in a corresponding KA far-field region and separated from the LA scanner component in the beam propagation direction.
  • the short axis and the long axis of the optical arrangement and thus of its optics are in particular perpendicular to each other.
  • the beam cross section can change both in size and shape under propagation.
  • the output laser beam can have an elliptical beam profile, in particular with an aspect ratio of short axis to long axis of, for example, at least 1:3, in particular at least 1:5 and furthermore in particular 1:10, so that this refers to a line-like beam cross-section extended along the long axis LA.
  • line optics extended in the LA spatial direction can be used for focusing in the KA spatial direction.
  • KA- for short axis
  • LA ⁇ long axis
  • the components are preferably aligned with their preferred directions in the respective KA or LA spatial direction.
  • the beam cross-section also referred to as the beam profile, is typically extended in the LA spatial direction, particularly along its greatest extent, and in particular at least in the broadest sense in a linear manner, although depending on the configuration, other extensions are also conceivable in which the beam cross-section is extended along its length in a direction deviating from the LA spatial direction.
  • the beam path here refers to the laser beam within the optical arrangement, i.e. between the entrance to the optical arrangement, where it is referred to as the input laser beam, and the exit to the optical arrangement, where it is referred to as the output laser beam.
  • a far-field region of the beam path can lie within the optical arrangement, while a The near-field region of the beam path or the output laser beam is linked to the working region and is particularly located in or on the workpiece in the working region.
  • the LA focusing optics and/or the KA focusing optics are preferably designed as an astigmatic/anamorphic optical component or group of components, possibly as a cylindrical optic, i.e. their optical functionality is restricted to the LA spatial direction or KA spatial direction.
  • the LA and KA scanner components can, for example, each be a mirror scanner with a galvanometer drive and/or a rotating polygon mirror scanner.
  • the feed device can be, for example, a conveyor belt or a rotating deflection roller on which a particularly continuous workpiece or a workpiece path is provided in front of the optical arrangement.
  • a workpiece path as a workpiece can be processed accordingly by the output laser beam, for example divided.
  • the control device can be a cross-component control device of the laser processing system or can be provided in one or more components of the laser processing system, for example be part of the optical arrangement, in particular the KA scanner component.
  • the optical arrangement may have several parallel laser beams, particularly in the KA spatial direction in the working region. or parallel moving output laser beams or partial beams (from one or more input laser beams) are generated.
  • the output laser beams or partial beams can be offset in the working region with regard to location and/or angle. This can be achieved by partial beam profiles separated in the KA spatial direction in the working region or by means of multi-beam interference of overlapping partial beam profiles with KA angular offset in the working region.
  • the use of partial beams allows an increase in the width of the output laser beam or parallel line processing when offset in the KA spatial direction.
  • this type of parallel line processing can be used for dicing electronic chips (so-called "dicing"), multi-line engraving of electrical sheets, descaling of metal surfaces or structuring of battery foils.
  • the LA scanner component and the KA scanner component can be scanner components that function independently of one another.
  • This functional independence of the scanner components from one another, which can be separate components or not functionally dependent on one another, provides maximum flexibility for positioning the output beam in the processing region and in particular for compensating for the relative movement between the workpiece and the optical arrangement resulting from the feed of the workpiece.
  • the LA scanner component can be configured to scan the beam path or output laser beam along a preferred processing direction parallel to the long axis, in particular a preferred line direction, that there is a first angle a > 0 ° between an LA scanning direction or preferred machining direction and the feed direction.
  • the preferred machining direction of the beam profile can in particular be oriented in the LA direction and / or KA direction.
  • the first angle a can be > 90 ° .
  • an LA scanning direction with partial compensation of the relative movement is set in order to reduce the required scanning field, the required scanning speed, etc .
  • the effective scanning speed is always related to the relative movement between the laser beam and the workpiece, so that one can also speak of a processing speed. With such a design, it is possible to achieve processing that continues in a straight line on the workpiece, in particular a minimum line width and/or edge steepness of the effective beam cross-section (while retaining the other parameters).
  • the effective LA scanning speed is essentially relevant for the processing effect, while the KA scanning speed in particular only serves to compensate for the relative movement.
  • the feed B s of the workpiece over the processing time t s represents the minimum period of the processing in the feed direction (assuming that several partial beams are not being used simultaneously and that the system's dead time is 0%, i.e. the next processing starts instantaneously after the end of the previous processing).
  • the LA scanner component is set up for an LA scan field length SLA > Bb /sin(a) + Bs • cos(a) and/or the KA scanner component is set up for a KA scan field width SKA h Bs • sin(oc), where Bs is a length swept during the scan and in particular during the processing time ts and where Bs is in particular oriented in the feed direction.
  • processing can take place with the optical arrangement without offset perpendicular to the feed direction.
  • the information regarding the scan area refers in particular to the center of the beam profile.
  • the optical arrangement is designed in such a way that the beam cross-section is Multispot profile is formed. Through the astigmatic focusing of the optical arrangement, such a multispot profile is stretched along a resulting line direction and thus creates the beam cross-section on the workpiece.
  • the multispot profile can have spots distributed along the short axis and the long axis. Alternatively, it is also possible to align the spots of the multispot profile only along the short axis or along the long axis. The spots can also be arranged in an overlapping manner, as will be explained in more detail later.
  • the multispot profile with a line direction of the beam cross-section resulting from astigmatic focusing of the optical arrangement is set at an angle of incidence > 0 ° with respect to the LA scan direction component, which in particular corresponds to the long axis.
  • Such a selection enables a simplified safeguarding of the z-position tolerance by restricting the machining to a short area in the feed direction. In this way, for example, in a roll-to-roll application, machining can also take place in an area in which the workpiece lies on a deflection roller.
  • control device is designed to adapt the laser power of the output laser beam to the speed of the beam movement of the output laser beam on the workpiece and/or the scanning of the beam path.
  • the laser beam source is a pulsed, in particular ultra-short pulsed, laser beam source.
  • a pulsed laser beam source allows extended control of the laser processing, in particular with regard to the heat accumulation generated. Relevant here are the spatial and temporal gradients of the effect in the workpiece that can typically be achieved.
  • a threshold intensity or threshold fluence is often required and the intensity and fluence must be selected in suitable windows. With a CW laser beam source, such thresholds or ranges can often only be achieved with difficulty or not at all, by selecting the power, beam shape and beam dynamics accordingly.
  • the pulsed laser beam source has proven to be advantageous in the present application and is preferred over a CW laser beam source. This makes it possible to provide processing that can be precisely modulated in the respective scanning direction.
  • An ultra-short pulsed laser beam source has advantages in particular when there is an intensity threshold or when the effect is via a dynamic thermomechanically induced mechanism of action. Even with high beam dynamics, positioning can be achieved with only a negligible beam movement on the workpiece over the pulse duration.
  • control device is designed to apply a pulse repetition frequency to the to adapt the effective scanning speed of the scanning with the LA scanner component. This allows the respective laser pulse parameters, the energy per unit length and the overlap or modification distance to be maintained on the workpiece. It is also possible to adapt to a speed that varies across the scanning range, which results in a deflection-dependent speed on the workpiece.
  • control device can be set up for position-synchronized pulse triggering along the long axis. This means that the laser pulses are triggered based on specific positions on the long axis, i.e. synchronized with these. This allows for greater precision compared to adjusting the repetition frequency, since the position can also be controlled.
  • position-synchronized pulse triggering is suitable for increased dynamics, e.g. for processing under acceleration with a galvo scanner as an LA scanner component.
  • control device is set up for position-adapted selection of laser processing parameters along the long axis.
  • the laser processing parameters are selected depending on the position on the long axis.
  • This allows in particular an adaptation of the laser processing parameters to deflection-dependent beam properties, such as distortion, by adjusting, for example, pulse energy and repetition frequency.
  • This also allows an adaptation to workpiece properties that vary in the scanning direction or Processing specifications. For example, when dicing, other laser processing parameters can be used in edge coatings or at intersection points of removal lines aligned perpendicular to each other.
  • the LA scanner component carries a measuring beam path of an optical sensor.
  • the LA scanner component can therefore also be used for diagnosis at the same time; in particular, it can precede, parallel to and/or follow the processing.
  • a correlation to the beam path for processing can advantageously be used.
  • Possible options include, for example, precedent position detection, distance and/or depth detection (preceding and/or following), in particular for adjusting the laser processing parameters in the current or subsequent pass, process observation, e.g. emission, reflection, OCT, WIM, . . . , in particular parallel, and/or e.g. detection of the respective process phase, for example by means of spectroscopy, e.g. the achievement of a back-side coating.
  • the optical arrangement may further comprise a KA relay optics for imaging a KA far-field region of the beam path within the optical arrangement along the short axis.
  • a KA relay optics for imaging a KA far-field region of the beam path within the optical arrangement along the short axis.
  • the relay optics ensure in particular a KA-
  • KA far-field imaging between the KA scanner component which in particular images a KA far-field region assigned to the working region via the KA focusing and localized after the (LA) scanner component in the beam propagation direction backwards into a region closer to the beam entrance into a corresponding KA far-field region.
  • This corresponding KA far-field region is preferably located in front of the LA focusing and/or the LA scanner component.
  • the KA beam distribution in the area of the corresponding KA far-field region is influenced in particular by means of the KA beam former optics.
  • the KA scanner component is arranged in particular in the area of a corresponding KA far-field region and preferably essentially influences the KA angular distribution in this region.
  • a component of the KA far-field imaging or KA relay optics is preferably arranged between KA focusing and LA focusing and/or the LA scanner component.
  • the KA far-field imaging preferably includes a further component, which is preferably arranged in front of the LA scanner component.
  • the KA relay optics preferably comprises a 4 f-
  • the KA relay optics can be used in a known manner by two corresponding It can be designed as aspherical lenses or optics that are aligned with one another, which are also referred to herein as relay lenses. In particular, it can be a KA-4 f relay optic.
  • the KA relay optics can be arranged in the beam path behind the KA beam former optics.
  • the KA relay optics can thus be used to control the KA far field after the beam has been formed by the KA beam former optics.
  • the KA focusing optics can be arranged in the beam path behind the KA relay optics. This allows the KA focusing optics to focus the output laser beam directly onto the workpiece in the working region from the KA far field region of the KA relay optics.
  • the KA focusing optics are arranged in the beam path behind the LA scanner component.
  • the KA focusing optics can focus the output laser beam directly onto the workpiece in the working field.
  • the distance of the KA focusing optics from the working region is therefore smaller than the distance of the LA scanner component from the working region, for example the distance of the KA focusing optics from the working region can be half or less of the distance of the LA scanner component from the working region.
  • the extent of the aperture of the KA focusing optics preferably corresponds to at least half the LA working field length in the working region.
  • the KA scanner component is arranged in front of the LA scanner component in the beam path.
  • the LA beam forming can already take place in or before the corresponding KA far field region.
  • the LA focusing optics can be arranged in the beam path behind the LA scanner component.
  • the LA focusing optics can be arranged in the beam path in front of the LA scanner component.
  • the LA scanner component can advantageously be used as a post (objective) scanner component with respect to the LA spatial direction, even if the LA scanner component is arranged in front of the KA focusing optics.
  • the optical arrangement may further comprise an LA beam former optic for beam forming the beam path along the long axis.
  • the LA beam former optic like a possible additional KA beam former optic, can contain or provide, for example, multiplexing, mapping, a superimposed scanning movement and/or further KA beam former functionalities or LA beam former functionalities.
  • several input beams can also be provided. In this case, the LA beam former optic could align the resulting partial beams with one another.
  • the LA beam former optics can be arranged in the beam path in front of the LA scanner component. This means that the LA beam forming can already take place in an LA far field region. Furthermore, the LA beam former optics and the possibly additional KA beam former optics can be combined as a common beam former optics. This allows the Beam forming with a preferred direction deviating from the LA spatial direction and the KA spatial direction.
  • the LA scanner component is arranged in the beam path of the KA relay optics.
  • scanning in the LA spatial direction can take place in the same area of the beam path to the relay in the KA spatial direction.
  • scanning in the LA spatial direction and imaging or the relay in the KA spatial direction take place essentially in the same area of the beam path. The same can apply to the LA focusing optics and/or the LA beam forming optics.
  • the LA focusing optics and/or the KA focusing optics are set up for telecentric focusing of the beam path.
  • the angle of attack of the output beam or beams does not change in the corresponding spatial direction over the working field of the working region. This also makes it possible to avoid or at least limit distortion.
  • the KA focusing optics are line optics, wherein in particular a length of the line optics along the long axis exceeds a focal length of the KA focusing by at least a factor of 2, preferably 4 or 8, and/or the usable LA working field exceeds the KA working field by at least a factor of 2, preferably 4 or 8.
  • the (KA) line optics are designed as refractive optics, reflective optics, diffractive optics, geometric phase optics or as a combination of the above.
  • Refractive optics can advantageously be designed as on-axis systems, but often require dispersion compensation and can have a limiting effect on performance and thermal and non-linear propagation influences.
  • Reflective optics can offer a higher numerical aperture and better performance and are typically achromatic.
  • the disadvantages compared to refractive systems are the higher adjustment sensitivity and increased requirements for shape fidelity, often coupled with increased complexity due to an off-axis design.
  • focusing is carried out in the KA and/or LA spatial directions with largely negligible field curvature on the workpiece side.
  • These concepts which can be implemented separately for the spatial directions in particular, do not require any z-tracking caused by field curvature in the scan field if the work region, in particular a work field, is flat and vertically aligned in the respective spatial direction.
  • the field curvature can also be reduced and dynamic z-tracking can be avoided by combining focusing in front of the LA scanner component with a component arranged after the LA scanner component (field flattener).
  • an f-theta concept allows a scan field that is larger than the free opening of the optics thanks to a parking angle that increases towards the edge and has a vanishing field curvature.
  • the feed rate v R of the workpiece is varied in order to compensate for the relative movement between the workpiece and the optical arrangement resulting from the feed of the workpiece in the feed direction. This can also be done at an essentially constant processing speed.
  • a scan can also be used to vary the LA scanning speed. For example, to be able to process during the acceleration times of a possible galvo scanner or to be able to process on the workpiece despite the position-dependent speed resulting from the constant angular speed of a polygon scanner.
  • Figure 1 is a schematic sketch of an optical system
  • FIG. 2 is a schematic sketch to explain the
  • Figure 3 is a schematic sketch of an optical element
  • Figure 4 is a schematic sketch to explain the
  • Figure 5 is a schematic view of a
  • Laser processing system comprising one of the optical arrangements of Fig. 1 or
  • Figures 6, 7 are schematic sketches of embodiments of laser processing with the laser processing system of Fig. 5;
  • Figure 1 shows a first embodiment of an optical arrangement 10 for a laser processing system 100 (see Fig. 5) for converting an input laser beam 1 into an output laser beam 3 extending in a working region 40 or on a workpiece 42 along a long axis LA.
  • the beam path 2 of the input laser beam 1 within the optical arrangement 10 propagates along a propagation direction z (see beam path in Fig. 2 for a telecentric case with respect to the short axis KA, in which the propagation direction z coincides with the optical axis of the optical arrangement 10) and has an elliptical beam cross-section in the working region 40 that extends linearly along the long axis LA.
  • the output laser beam 3 generated on the workpiece 42 also has an extension along a short axis KA that runs orthogonally to the long axis LA.
  • An aspect ratio of the short axis KA to the long axis LA can be, for example, 1:10.
  • Fig. 1 shows the optical manipulation of the beam path 2 between the input laser beam 1 and the output laser beam 3 with Effect for the short axis KA and the long axis LA separately and in parallel.
  • a distinction can be made between far-field regions related to the working region 40 and near-field regions.
  • a corresponding far-field region is located close to the input laser beam 1 or at the KA input 20 for the short axis KA and the LA input 30 for the long axis LA, i.e. away from the working region 40 and the workpiece 42 positioned there, which is to be processed by the output laser beam 3, and in particular within the optical arrangement 10.
  • the near-field region is located in the working region 40 in which the workpiece 42 is located, and in particular coincides with this.
  • the optical arrangement 10 of FIG. 1 has a KA scanner component 22 for scanning the beam path 2 after entry through the entrance 20 with a KA scan direction component along the short axis KA.
  • the angle-deflecting KA scanner component 22 dynamically influences the KA position of the output laser beam 3 in the working region 40.
  • the beam path 2 or output laser beam 3 in the working region 40 can be deflected in the corresponding KA far-field region and optionally additionally shaped by a KA beam former optics by changing the angular distribution of the beam path 2 there, which then affects the spatial distribution of the output laser beam 3 in the working region 40.
  • an additional KA beam former optics can be used for this purpose, e.g.
  • an LA beam former optic 32 follows in the beam path 2 for beam shaping or for LA shaping of the beam path 2 along the long axis LA, in particular including a static, flexible and/or dynamic beam guide.
  • Dynamic beam shaping can, for example, comprise a deflection superimposed on the deflection imposed by the LA scanner component 22. This can also be used to generate an LA multi-spot profile, in particular a KA and LA multi-spot profile, as will be shown in more detail later with reference to Figs. 13 to 24.
  • an optional KA relay optics 24 follows in the beam path 2, which in the beam path 2 within the optical arrangement 10 the corresponding KA
  • Far field region in which the KA scanner component 22 is arranged, is imaged into the KA far field region in front of the KA focusing optics 28.
  • Relay lens 25 initially performs KA intermediate focusing and then relay lens 26 performs KA re-collimation.
  • a KA-4 f relay optics is shown, but it can also be designed as a KA-2 f relay optics with only one relay lens 26. This enables high resolution in the KA direction, as the KA relay optics 24 allows control of the KA far field region between the relay lens 26 and the KA focusing optics 28, with a larger usable angular range.
  • the relay optics 24 supports this high-resolution control even with long focal length LA focusing and large LA extension of the working region 40 , and allows the LA scanner component 36 between the KA scanner component 22 and the particularly short focal length KA focusing optics 28.
  • a KA focusing optic 28 with respect to the short axis KA is provided in the optical arrangement 10, which focuses the output laser beam 3 along the short axis KA onto the working region 40 with the workpiece 42.
  • Fig. 2 shows the beam path 2 unfolded with respect to the short axis KA and the long axis LA.
  • the indicated scanning of the LA scanner component 36 can take place up to an angle ßmax.
  • a telecentric post-scanner KA focusing takes place here, i.e. KA focusing optics 28 in the beam path 2 behind the LA scanner component 36 and the KA scanner component 22, with a focal length fKA.
  • the LA focusing is in turn a pre-scanner LA focusing with the LA focusing optics 34 in front of the LA scanner component 36 with the focal length fLA.
  • the LA is in turn a pre-scanner LA focusing with the LA focusing optics 34 in front of the LA scanner component 36 with the focal length fLA.
  • Fig. 3 shows a modification of the optical arrangement 10 of Fig. 1, in which both KA and LA focusing are carried out according to the post-scanner concept, i.e. the LA focusing optics 34 and the KA focusing optics 28 in the beam path 2 behind the LA scanner component 36 and the KA scanner component 22 are arranged.
  • This concept allows advantageous approaches in both directions with reduced field curvature, such as by means of f-theta optics, and in particular also a telecentric approach with further reduced variation of the angle of the output beams in the processing region.
  • the KA re-collimation by relay lens 26 and the LA focusing optics 34 can be combined, thus reducing the number of components with a large required aperture.
  • Fig. 4 shows an associated beam path 2 of the optical arrangement 10 of Fig. 3 with respect to the long axis LA.
  • the telecentric LA focusing (fLA) arranged downstream of the LA scanner component 36 can be seen here. This offers vanishing LA image field curvature and an equal LA angle of incidence on the workpiece 42 across the LA working field.
  • the LA scanner component 36 and the KA scanner component 22 are designed here as individual angle-deflecting, reflective scanner components, e.g. as galvo scanner components, rotating polygon mirrors, etc.
  • the KA scanning by the KA scanner component 22 upstream of the LA scanner component 36 takes place in or near the KA far field region.
  • the optical components acting on the short axis KA as well as the KA far field regions are symbolized in the LA beam path 2 by means of broken lines (see Fig. 2).
  • the KA beam shaping or beam deflection takes place in a further KA far field plane upstream of the LA scanner component 36.
  • a KA-4 f relay image is generated, with the re-collimating relay lens 26 coinciding with the LA focusing optics 34.
  • the KA focusing occurs telecentrically with a short focal length of the short axis fKA compared to the focal length of the long axis fLA.
  • FIG 5 schematically shows a laser processing system 100 for processing the workpiece 42 on the working region 40 by means of the linear output laser beam 3 of the optical arrangement 10 in the laser processing system 100.
  • the laser processing system 100 has a laser beam source 50, in particular an ultrashort pulse laser beam source, which provides the input laser beam 1 to the optical arrangement 10, which is converted into the output laser beam 3 and is aligned with the workpiece 42 by means of the optical arrangement 10.
  • the laser processing system 100 has a feed device 60, for example in the form of a conveyor belt, which advances the workpiece 42, which can be present as a workpiece belt, in a feed direction VR relative to the optical arrangement 10 and thus to the output laser beam 3.
  • a control device 70 of the laser processing system 100 is also set up to coordinate the scanning of the beam path with the KA scanner component 22 in the KA scanning direction component relative to the feed.
  • LA scanner component 36 and the KA scanner component 22 are scanner components that function independently of each other but can be synchronized via the control device 70, a high Flexibility and quality of laser processing of the workpiece
  • FIG. 6 shows laser processing in the form of removal over a processing width Bb at a feed rate v R in the feed direction VR within a processing or scanning time t s in a single pass on a continuous line in an (arrangement-related) scanning direction (along the scanning path SS c), which here runs at an angle a to the preferred processing direction VBR along the workpiece 42, with a first angle a (0 ° ⁇ a ⁇ 180 °) to the feed direction VR by means of a beam cross-section or beam profile SP with LA preferred processing direction and scanning range SB.
  • This results in a workpiece-related processing length Bi Bb / sin (a).
  • the same machining width Bb can be covered with a smaller LA working field (AF).
  • AF LA working field
  • the same effective scanning speed or process speed v p can be achieved with a smaller scanning speed v LA .
  • a > 90° is preferably selected in order to reduce the required LA scanning speed and working field (AB) size compared to a ⁇ 90°.
  • An alignment of the machining geometry on the workpiece that is mirrored to the feed direction can be achieved by reversing the direction of the LA scanning movement.
  • it is advantageous to select parameters that result in an effective scanning direction with scanning speed v s orthogonal to the feed direction VR (first angle a > 90°, shown second angle ß 90°), so that the z-position only needs to be ensured in an overall short area in the feed direction VR.
  • the latter is particularly advantageous if the workpiece is guided on a deflection roller in the machining region.
  • Figures 8 to 12 show schematic sketches of an embodiment of a pulsed laser processing with the
  • Fig. 8 shows the different speeds with their directions for processing
  • Fig. 9 to 12 show the respective laser processing at the start of processing or scanning at t a , at the middle of processing at t m and at the end of processing at t e , with Fig. 12 showing a variant with removal of several lines at t m , the distance between which significantly exceeds the line width.
  • the LA scanning speed V LA corresponds to the process speed v p
  • the feed speed v R corresponds to the KA scanning speed VKA
  • the processing width B b corresponds to the LA scanning length S LA .
  • the desired movement of the output laser beam 3 in the LA direction at the speed v LA on the workpiece moving relative to the arrangement at the speed v R in the KA direction is achieved by a scanning movement of the output laser beam 3 to the arrangement in the scanning direction SR at the scanning speed v s .
  • Suitable laser processing parameters (such as wavelength, fluence, pulse duration, etc.) are selected for the removal.
  • the removal depth is then controlled via the energy density accumulated at the location, e.g. the number of laser pulses acting at the location during one pass.
  • the effective profile length, repetition frequency and scanning speed v s are adjusted accordingly.
  • a working field corresponding to the scan field plus the beam shape extension in the respective direction is required as a minimum.
  • the laser processing system 100 is particularly suitable in connection with beam profiles of large KA extension PKA, e.g. for the removal of several lines whose distance significantly exceeds the line width.
  • a multispot distribution with non-astigmatic focusing is shown on the left, with the profiles arranged in a line.
  • the astigmatic focusing compresses the profile in the KA direction, here by one fifth as an example.
  • the resulting line direction LR of the beam cross-section or beam profile SP in the astigmatic system is symbolized.
  • fluence profiles integrated in the scanning direction SR and thus effective when fed are shown without and with astigmatic focusing.
  • a coherent effective fluence profile can also be achieved with spatially separated partial beam profiles by rotating the line direction LR.
  • the astigmatic system not only compresses the partial profiles but also changes the line direction LR if this does not match the KA or LA direction.
  • the rotation results in a beam profile SP that is extended in the LA direction without this having a positive effect on the effective fluence integrated under feed.
  • the examples in Fig. 13 to 19 are without relative movement between the workpiece 42 and the optical arrangement 10 (the scanning direction corresponds to the preferred machining direction or effective scanning direction, as is typical for dicing). With relative movement (cf. Fig. 19 - 21), the effective scanning direction is typically selected to correspond to the LA direction. It is also advantageous to select the preferred direction of the generated line of the laser beam parallel or perpendicular to the LA direction so that no distortion or change in angle occurs.
  • the effective scanning direction can be selected in the LA direction or in the LR direction.
  • a rotation of the line direction under propagation and thus a reduced z-position tolerance can be avoided.
  • effectively connected intensity profiles with separated partial profiles can also be achieved by several beam profiles SP aligned in the KA direction and offset in the LA and KA directions without the influence of the astigmatic system on the line direction LR, and in addition with reduced extension in the LA direction and increased flank steepness.
  • the LA extension can be further reduced by overlapping, preferably while avoiding intensity-modulating coherence effects, an actual and not only an effectively coherent intensity profile with increased edge steepness can be realized.
  • the beam formation can be carried out simultaneously in both the KA and LA directions with a directional component and at the same time in a directionally flexible manner by preferably arranging it in an overlapping (corresponding) KA-LA far-field region or KA-LA near-field region.
  • two overlapping multispot profiles are implemented in the processing zone by means of polarization division.
  • the division can be implemented by a beam-splitting component that causes an angular offset for partial beams polarized perpendicular to one another and preferably in a KA-LA-
  • Far field region is arranged rotatably.
  • a component can be used that is arranged rotatably in an overlapping KA-LA near field region, which causes a spatial offset between partial beams that are polarized perpendicular to one another.
  • Beam shaping of partial spots of a multispot profile in both spatial directions can also be realized by arranging the shaping preferably in a LA-KA far-field region.
  • the multispot profiles have a preferred processing direction related to the optical arrangement 10 that corresponds to the KA orientation and is oriented to the effective scanning direction. This preferred processing direction is advantageously essentially retained even when the polarization splitting is rotated.
  • a preferred direction of machining or preferred machining direction on the workpiece 42 is often desired.
  • machining in the form of a machining line that is as narrow as possible and continued during scanning using multi-spot profiles is shown as an example.
  • the LA direction is selected along the processing line.
  • the preferred processing direction of the multispot line is influenced by the astigmatic focusing (either reduced (Fig. 14 - 18) or, preferably, increased (Fig. 19 - 22)).
  • a distance in the feed direction VR can be used to reduce disruptive effects such as heat accumulation and shielding.
  • scanning is preferably carried out in the LA direction (cf. Fig. 19, 22).
  • the multispot profile, the LA direction and the processing line are also preferably oriented in parallel and the relative movement is compensated for by an adapted scanning direction SR (cf. Fig. 20, 23, 24).
  • a variation in the relative movement speed e.g. by changing the Feed rate v R and/or LA scan speed v LA can, for example, be compensated by the scan angle while maintaining the parallel alignment and the scan speed, i.e. an adjustment of the KA scan speed.
  • a scanning direction SR that deviates from the line and to align the multispot profile at an angle to the LA direction, as shown in Fig. 21.
  • the preferred machining directions are preferably oriented in the KA direction and/or LA direction.
  • Fig. 23 and 24 are an example of full-surface processing.
  • the processing geometry on the workpiece 42 has no preferred processing direction, so the LA direction can be freely selected. It is therefore advisable to select this in an LR direction so that the scanning direction SR in the optical arrangement 19 is oriented orthogonally to the feed direction VR. This allows processing to take place in an area within the laser processing system 100 that is minimized in the feed direction.
  • customized beam profiles can also be advantageously used.
  • a continuous multispotline line with reduced intensity modulation in the LA direction is shown (cf. Fig. 15, 18).
  • a FlatTop beam profile can be used for full-surface processing with process-adapted fluence distribution with minimized pulse overlap, i.e. essentially single-pulse processing.
  • the preferred processing direction does not result directly from the desired processing geometry but indirectly:
  • the scanning direction is selected perpendicular to the feed direction in order to minimize the system-related expansion of the processing region. This results in an LA alignment adapted to the beam shape, the feed rate and other parameters and a coupled preferred processing direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsanlage (100) zur Bearbeitung eines Werkstücks (42) mittels eines Ausgangslaserstrahls (3) mit einer Laserstrahlquelle (50), einer optischen Anordnung (10), einer Vorschubvorrichtung (60) und einer Steuervorrichtung (70).

Description

Titel : Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines
Werkstücks mittels eines Ausgangslaserstrahls
Beschreibung
Die Erfindung betri f ft eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Ausgangslaserstrahls , die eine Vorschubvorrichtung zum Vorschub des Werkstücks relativ gegenüber einer optischen Anordnung der Laserbearbeitungsanlage umfasst .
Eine derartige Laserbearbeitungsanlage ist beispielsweise aus DE3711905A1 bekannt . In der dortigen Laserbearbeitungsanlage wird eine optische Anordnung mit einem Polygonrad eingesetzt , um eine Laserbearbeitung einer relativ zur optischen Anordnung bewegten Werkstof fbahn vorzunehmen .
Bei derartigen Laserbearbeitungsanlagen aus dem Stand der
Technik kann eine Kompensation der Relativbewegung der Werkstof fbahn relativ zur optischen Anordnung über ein entsprechendes Bewegen des Polygonrades vorgenommen werden .
Aufgabe der Erfindung ist es , eine verbesserte Laserbearbeitungsanlage für eine Bearbeitung eines relativ zu ihrer optischen Anordnung bewegten Werkstücks bereitzustellen, welche insbesondere flexibler ist und eine höhere Bearbeitungsqualität liefert als dies im Stand der Technik der Fall ist .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsanlage gemäß Anspruch 1 . Vorgeschlagen wird demnach eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Ausgangslaserstrahls , wobei die Laserbearbeitungsanlage eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Eingangslaserstrahls aufweist . Ferner weist die Laserbearbeitungsanlage eine optische Anordnung zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls in einen Ausgangslaserstrahl zur Bearbeitung des Werkstücks auf , welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet und welcher in einer Arbeitsregion einen entlang einer langen Achse der optischen Anordnung ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist , wobei die optische Anordnung aufweist : eine LA- Fokussierungsoptik zur Fokussierung eines Strahlengangs innerhalb der optischen Anordnung zwischen dem Eingangslaserstrahl und dem Ausgangslaserstrahl entlang der langen Achse , eine LA- Scannerkomponente zum Scannen des Strahlengangs mindestens mit einer LA-Scanrichtungskomponente entlang der langen Achse , eine KA- Fokussierungsoptik zur Fokussierung des Strahlengangs entlang einer senkrecht zur langen Achse verlaufenden kurzen Achse der optischen Anordnung, optional eine KA- Strahl formeroptik zum Strahl formen des Strahlengangs entlang der kurzen Achse , und eine KA-Scannerkomponente zum Scannen des Strahlengangs mindestens mit einer KA- Scanrichtungskomponente entlang der kurzen Achse . Ferner weist die Laserbearbeitungsanlage eine Vorschubvorrichtung zum Vorschub des Werkstücks relativ gegenüber der optischen Anordnung in einer Vorschubrichtung und eine Steuervorrichtung auf , das Scannen des Strahlengangs entlang der LA- Scanrichtungskomponente mit dem Scannen des Strahlengangs entlang der KA-Scanrichtungskomponente zu synchronisieren .
Ganz besonders kann die Synchronisierung mittels der Steuervorrichtung eingerichtet sein, eine sich aus dem Vorschub des Werkstücks in der Vorschubrichtung ergebende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der optischen Anordnung durch das Scannen des Strahlengangs mit der KA- Scannerkomponente zu kompensieren .
Erfindungsgemäß wird damit eine Lösung bereitgestellt , bei der separate Scannerkomponenten für die kurze Achse und die lange Achse bereitgestellt werden, die j edoch in ihrer Scanbewegung miteinander synchronisiert werden, insbesondere derart , dass die Kompensation der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der optischen Anordnung flexibel mittels entsprechender Steueranweisungen der Steuervorrichtung an die KA- Scannerkomponente erfolgen kann, wobei das Scannen mit der LA- Scanrichtungskomponente davon nicht wesentlich beeinflusst wird . Insbesondere kann die Kompensation einzig durch das KA- Scannen mit der KA-Scanrichtungskomponenten durchgeführt werden, sodass auch das KA-Scannen einzig für das Kompensieren der Relativbewegung eingesetzt wird . Neben der flexiblen
Reaktions fähigkeit der erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungsanlage kann erfindungsgemäß eine bessere Abbildung des Strahlquerschnitts bzw . Strahlprofils erzielt werden, wodurch wiederum die Bearbeitung verbessert wird und dadurch insgesamt die Qualität des laserbearbeiteten Werkstücks verbessert wird .
Ganz besonders kann ein vorzugsrichtungsbehaftetes Strahlprofil eingesetzt werden, welches insbesondere exakt zum Werkstück positioniert und zu einer auf das Werkstück bezogenen Bearbeitungsvorzugsrichtung ausgerichtet wird . Für eine auf dem Werkstück fortgesetzte Bearbeitung entlang einer Linie , insbesondere Vorzugsbearbeitungsline , erfolgt die Ausrichtung der optischen Anordnung und der LA- Scanrichtungskomponente , insbesondere übereinstimmend mit der langen Achse , bevorzugt parallel zur Vorzugsbearbeitungslinie des Werkstücks . Bei einer nunmehr von der LA-Richtung abweichenden Relativbewegung zwischen der optischen Anordnung und dem Werkstück unter der Laserbearbeitung kann diese vorteilhaft durch eine insbesondere überlagerte KA- Scanbewegung in der KA-Scanrichtungskomponente , insbesondere übereinstimmend mit der kurzen Achse , kompensiert werden, wobei diese KA-Scanbewegung bevorzugt unabhängig von der LA- Scanbewegung einstellbar ist , wie später näher erläutert wird . Bevorzugt ist die KA-Scannerkomponente in einer korrespondierenden KA- Fernfeldregion und in Strahlpropagationsrichtung separiert von der LA- Scannerkomponente positioniert .
Die kurze Achse und die lange Achse der optischen Anordnung und damit ihrer Optiken stehen insbesondere senkrecht zueinander . Bei der vorgeschlagenen astigmatischen optischen Anordnung kann sich der Strahlquerschnitt unter Propagation sowohl bzgl . der Größe als auch der Form ändern . In der Arbeitsregion auf dem Werkstück kann der Ausgangslaserstrahl ein elliptisches Strahlprofil aufweisen, insbesondere mit einem Aspektverhältnis von kurze Achse zu lange Achse von beispielsweise zumindest 1 : 3 , insbesondere zumindest 1 : 5 und ferner insbesondere 1 : 10 aufweisen, sodass hierin von einem entlang der langen Achse LA ausgedehnten, linienartigen Strahlquerschnitt gesprochen wird . Insbesondere kann zur Fokussierung in KA-Raumrichtung eine in LA-Raumrichtung ausgedehnte Linienoptik zum Einsatz kommen .
Komponenten, wie Optiken, (Raum) Richtungen, Regionen oder sonstige Angaben werden hierin um "KA-" für kurze Achse oder "LA~" für lange Achse ergänzt , um ihre Korrelation mit der j eweiligen Achse , beispielsweise die optische Wirkung einer Optik auf die kurze Achse oder lange Achse , kenntlich zu machen und so eine Unterscheidung bzgl . der kurzen Achse und der langen Achse herzustellen . Vorzugsweise sind die Komponenten mit ihren Vorzugsrichtungen in die j eweilige KA- bzw . LA-Raumrichtung ausgerichtet . Der Strahlquerschnitt , auch als Strahlprofil bezeichnet , ist typischerweise insbesondere seiner größten Erstreckung nach, ganz besonders zumindest im weitesten Sinne linienartig, in der LA-Raumrichtung ausgedehnt , wobei j e nach Konfiguration auch andere Erstreckungen denkbar sind, bei denen der Strahlquerschnitt in einer von der LA-Raumrichtung abweichenden Richtung seiner Länge nach ausgedehnt ist . Der Strahlengang bezeichnet hierin den Laserstrahl innerhalb der optischen Anordnung, also zwischen dem Eingang an der optischen Anordnung, wo er als Eingangslaserstrahl bezeichnet wird, und dem Ausgang an der optischen Anordnung, wo er als Ausgangslaserstrahl bezeichnet wird . Eine Fernfeldregion des Strahlengangs kann dabei innerhalb der optischen Anordnung liegen, während eine Nahfeldregion des Strahlengangs bzw . des Ausgangslaserstrahls demgegenüber mit der Arbeitsregion verknüpft ist , sich insbesondere in oder auf dem Werkstück in der Arbeitsregion befindet .
Die LA- Fokussierungsoptik und/oder die KA- Fokussierungsoptik ist vorzugsweise als astigmatische/anamorphe optische Komponente oder Gruppe von Komponenten, ggf . als zylindrische Optik ausgeführt , d . h . ihre optische Funktionalität ist auf die LA-Raumrichtung bzw . KA-Raumrichtung eingeschränkt . Die LA- und KA-Scannerkomponenten können beispielsweise j eweils ein Spiegelscanner mit Galvanometerantrieb und/oder ein rotierender Polgyonspiegelscanner sein .
Die Vorschubvorrichtung kann beispielsweise ein Förderband oder eine rotierende Umlenkrolle sein, auf welchem ein insbesondere kontinuierliches Werkstück bzw . eine Werkstückbahn vor die optische Anordnung bereitgestellt wird . Eine Werkstückbahn als Werkstück kann von dem Ausgangslaserstrahl entsprechend bearbeitet , beispielsweise zerteilt werden .
Die Steuervorrichtung kann eine komponentenübergrei fende Steuervorrichtung der Laserbearbeitungsanlage sein oder aber in einer oder mehreren Komponenten der Laserbearbeitungsanlage vorgesehen sein, so beispielsweise Teil der optischen Anordnung, insbesondere der KA-Scannerkomponente , sein .
Obgleich hierin von einem Eingangslaserstrahl und einem Ausgangslaserstrahl gesprochen wird, ist es denkbar und möglich, dass von der optischen Anordnung mehrere , insbesondere in KA-Raumrichtung in der Arbeitsregion parallele bzw . parallel bewegte Ausgangslaserstrahlen oder Teilstrahlen ( aus einem oder mehreren Eingangslaserstrahlen) erzeugt werden . Die Ausgangslaserstrahlen oder Teilstrahlen können dabei in der Arbeitsregion bzgl . Ort und/oder Winkel versetzt sein . Dies lässt sich durch in KA-Raumrichtung in der Arbeitsregion separierte Teilstrahlprofile oder mittels Mehrstrahlinterferenz überlappender Teilstrahlprofile mit KA- Winkelversat z in der Arbeitsregion realisieren . Der Einsatz von Teilstrahlen erlaubt bei Versatz in der KA-Raumrichtung eine Steigerung der Breite des Ausgangslaserstrahls oder auch eine parallele Linienbearbeitung . Beispielhaft kann eine derartige parallele Linienbearbeitung für ein Zerteilen von elektronischen Chips ( sog . "Dicing" ) , Multiliniengravur von Elektroblechen, Entzundern von Metalloberfläche oder eine Strukturierung von Batteriefolien eingesetzt werden .
Insbesondere können die LA-Scannerkomponente und die KA- Scannerkomponente voneinander unabhängig funktions fähige Scannerkomponenten sein . Durch diese funktionelle Unabhängigkeit der Scannerkomponenten voneinander, die sowohl als Komponenten separat sein können, als auch nicht funktionell voneinander abhängen, wird eine maximale Flexibilität zur Positionierung des Ausgangsstrahls in der Bearbeitungsregion und insbesondere für die Kompensation der sich aus dem Vorschub des Werkstücks ergebenden Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der optischen Anordnung erhalten .
Ferner insbesondere kann die LA-Scannerkomponente zum Scannen des Strahlengangs bzw . Ausgangslaserstrahls entlang einer zur langen Achse parallelen Vorzugsbearbeitungsrichtung, insbesondere Vorzugslinienrichtung, derart eingerichtet sein, dass zwischen einer LA-Scanrichtung oder Vorzugsbearbeitungsrichtung und der Vorschubrichtung ein erster Winkel a > 0 ° besteht . Der erste Winkel a kann insbesondere 0 ° < a < 180 ° sein, beispielsweise a = 90 ° betragen . Die Vorzugsbearbeitungsrichtung des Strahlprofils kann insbesondere in LA-Richtung und/oder KA-Richtung orientiert sein .
Dabei kann ganz besonders der erste Winkel a > 90 ° sein . Bei einer derartigen Abweichung der Vorzugsbearbeitungsrichtung von einer Orthogonalen zur Vorschubrichtung wird eine LA- Scanrichtung mit einer Teilkompensation der Relativbewegung eingestellt , um das erforderliche Scanfeld, die erforderliche Scangeschwindigkeit usw . zu reduzieren .
Außerdem kann dabei die LA-Scannerkomponente mindestens für eine mittlere LA-Scangeschwindigkeit vLA = Bb / ( ts • sin (oc) ) + vR • cos (a) und/oder die KA-Scannerkomponente mindestens für eine mittlere KA-Scangeschwindigkeit ( im Koordinatensystem der Anordnung) VRA = vr • sin (a) eingerichtet sein, wobei Bb eine Bearbeitungsbreite auf dem Werkstück senkrecht zur Vorschubrichtung, ts eine Bearbeitungs zeit für die Bearbeitungslänge Bb = Bb / sin (a) (von Bearbeitungsstart bis Bearbeitungsende der Bearbeitungslänge während eines Scanvorgangs ) und vR die Vorschubgeschwindigkeit in der Vorschubrichtung ist . Die ef fektive Scangeschwindigkeit ist dabei j eweils auf die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück bezogen, sodass auch von einer Bearbeitungsgeschwindigkeit gesprochen werden kann . Bei einer derartigen Auslegung ist es möglich, eine auf dem Werkstück geradlinig fortgesetzte Bearbeitung zu erzielen, insbesondere eine (unter Beibehaltung der übrigen Parameter ) minimale Linienbreite und/oder Flankensteilheit des ef fektiven Strahlquerschnitts . Für die Bearbeitungswirkung ist im Wesentlichen die ef fektive LA-Scangeschwindigkeit dabei relevant , während die KA-Scangeschwindigkeit dabei insbesondere einzig der Kompensation der Relativbewegung dient . Der Quotient aus Bearbeitungsbreite und Bearbeitungs zeit Bb / ts kann als (mittlere ) Bearbeitungsgeschwindigkeit vB = Bb / ts = Bb ■ sin (a) / ts senkrecht zur Vorschubrichtung interpretiert werden . Der Vorschub Bs des Werkstücks über die Bearbeitungs zeit ts stellt die minimale Periode der Bearbeitungen in der Vorschubrichtung dar (unter der Annahme , dass nicht mit mehreren Teilstrahlen simultan gearbeitet wird und dass die Totzeit des Systems bei 0% liegt , also der Bearbeitungsstart der nächsten Bearbeitung instantan nach dem Ende der vorangehenden Bearbeitung erfolgt ) .
Hierbei kann ganz besonders vorgesehen sein, dass die LA- Scannerkomponente für eine LA-Scanf eldlänge SLA > Bb / sin (a) + Bs • cos (a) und/oder die die KA-Scannerkomponente für eine KA- Scanf eidbreite SKA h Bs • sin (oc) eingerichtet ist , wobei Bs eine während des Scans überstrichene Länge ist und insbesondere während der Bearbeitungs zeit ts und wobei Bs insbesondere in Vorschubrichtung orientiert ist . In diesem Fall kann die Bearbeitung mit der optischen Anordnung ohne Versatz senkrecht zur Vorschubrichtung erfolgen . Ansonsten beziehen sich die Angaben bezüglich des Scanbereichs insbesondere auf das Zentrum des Strahlprofils .
Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass die optische Anordnung derart ausgebildet ist , dass der Strahlquerschnitt durch ein Multispotprofil gebildet wird . Durch die astigmatische Fokussierung der optischen Anordnung wird ein derartiges Multispotprofil entlang einer sich dadurch ergebenden Linienrichtung gestreckt und erzeugt so den Strahlquerschnitt auf dem Werkstück .
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Multispotprofil entlang der kurzen Achse und der langen Achse verteilte Spots aufweist . Alternativ ist es aber auch möglich, die Spots des Multispotprofils nur entlang der kurzen Achse oder entlang der langen Achse aus zurichten . Die Spots können auch im Überlapp angeordnet werden, wie später näher erläutert wird .
Ganz besonders kann vorgesehen sein, dass das Multispotprofil mit einer sich aufgrund astigmatischer Fokussierung der optischen Anordnung ergebenden Linienrichtung des Strahlquerschnitts in einem Anstellwinkel > 0 ° gegenüber der LA-Scanrichtungskomponente , die insbesondere mit der langen Achse übereinstimmt , angestellt ist . Durch eine derartige Wahl wird eine vereinfachte Sicherstellung der z-Lagentoleranz ermöglicht , indem die Bearbeitung auf einen in Vorschubrichtung kurzen Bereich eingeschränkt wird . Auch kann so beispielsweise in einer Rolle- zu-Rolle-Anwendung die Bearbeitung in einem Bereich erfolgen, in dem das Werkstück auf einer Umlenkrolle auf liegt .
Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist , die Laserleistung des Ausgangslaserstrahls an die Geschwindigkeit der Strahlbewegung des Ausgangslaserstrahls auf dem Werkstück und/oder des Scannens des Strahlengangs anzupassen . Unter Anpassung der Laserleistung an die werkstückbezogene , ef fektive Scangeschwindigkeit , kann so eine Erzielung eines typischerweise schwankenden, nun reproduzierbaren Bearbeitungsergebnisses erzielt werden . Der Vorteil dessen ist entsprechend eine verbesserte Reproduzierbarkeit bei gesteigerter Flexibilität und Toleranz .
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahlquelle eine gepulste , insbesondere ultrakurz gepulste , Laserstrahlquelle ist . Eine gepulste Laserstrahlquelle erlaubt eine erweiterte Kontrolle der Laserbearbeitung, insbesondere in Bezug auf die erzeugte Wärmeakkumulation . Relevant sind dabei typisch zu erzielende räumliche und zeitliche Gradienten der Wirkung im Werkstück . Häufig wird eine Schwellintensität oder Schwell f luenz benötigt und es müssen Intensität und Fluenz in geeigneten Fenstern gewählt werden . Mit einer CW- Laserstrahlquelle können derartige Schwellen oder Bereiche häufig nicht oder nur erschwert realisiert werden, indem Leistung, Strahl form und Strahldynamik angepasst zu wählen sind . Die gepulste Laserstrahlquelle hat sich bei der vorliegenden Anwendung j edoch als vorteilhaft und bevorzugt gegenüber einer CW-Laserstrahlquelle gezeigt . Dadurch kann eine in j eweiliger Scanrichtung positionsgenau modulierbare Bearbeitung bereitgestellt werden . Eine ultrakurz gepulste Laserstrahlquelle hat insbesondere bei Vorliegen einer Intensitätsschwelle oder bei Wirkung über dynamisch thermomechanisch induziertem Wirkmechanismus Vorteile . Auch bei hoher Strahldynamik kann positionsgenau gearbeitet werden und es kommt zu einer nur verschwindenden Strahlbewegung auf dem Werkstück über die Pulsdauer .
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist , eine Pulsrepetitions frequenz an die ef fektive Scangeschwindigkeit des Scannens mit der LA- Scannerkomponente anzupassen . Dadurch kann auf dem Werkstück eine Beibehaltung der j eweiligen Laserpulsparameter, der Streckenenergie sowie des Überlapps bzw . Modi fikationsabstandes erzielt werden . Auch eine Anpassung an eine über den Scanbereich variierende Geschwindigkeit , die in einer auslenkungsabhängigen Geschwindigkeit auf dem Werkstück resultiert , ist so möglich .
Außerdem kann dabei vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung zur positionssynchronisierten Pulsauslösung entlang der langen Achse eingerichtet ist . Das bedeutet , dass die Laserpulse anhand bestimmter Positionen auf der langen Achse ausgelöst werden, also mit diesen synchronisiert werden . Dies erlaubt eine erweiterte Präzision gegenüber einer Anpassung der Repetitions frequenz , da zusätzlich die Position kontrollierbar ist . Zusätzlich ist die positionssynchronisierte Pulsauslösung geeignet für eine gesteigerte Dynamik, z . B . zur Bearbeitung auch unter Beschleunigung mit einem Galvoscanner als LA- Scannerkomponente .
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung zur positionsangepassten Wahl von Laserbearbeitungsparametern entlang der langen Achse eingerichtet ist . Dies bedeutet , dass die Laserbearbeitungsparameter in Abhängigkeit der Position auf der langen Achse gewählt werden . Dies erlaubt insbesondere eine Anpassung der Laserbearbeitungsparameter an auslenkungsabhängige Strahleigenschaften, wie z . B . Verzeichnung, indem z . B . Pulsenergie und Repetitions frequenz angepasst werden . Auch erlaubt dies eine Anpassung an in Scanrichtung variierende Werkstückeigenschaften oder Bearbeitungsvorgaben . Z . B . können beim Dicing als Anwendung andere Laserbearbeitungsparameter in Randbeschichtungen oder an Kreuzungspunkten von senkrecht zueinander ausgerichteten Abtraglinien genutzt werden .
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die LA-Scannerkomponente einen Messstrahlengang einer optischen Sensorik mitführt . So kann die LA-Scannerkomponente gleichzeitig auch für die Diagnose genutzt werden, insbesondere kann sie der Bearbeitung vor- , mit- und/oder nachlaufend sein . Vorteilhafterweise kann dabei eine Korrelation zum Strahlengag für die Bearbeitung genutzt werden . Möglich sind beispielsweise eine vorlaufende Lageerkennung, eine Abstands- / und oder Tiefenerkennung (vor- und oder nachlaufend) , insbesondere zur Anpassung der Laserbearbeitungsparameter in aktueller oder nachfolgender Überfahrt , eine Prozessbeobachtung, z . B . Emission, Reflexion, OCT , WIM, . . . , insbesondere mitlaufend, und/oder z . B . das Erkennen von der j eweiligen Prozessphase , beispielsweise mittels Spektroskopie , z . B . das Erreichen einer Rückseitenbeschichtung .
Im Übrigen ist möglich, dass die optische Anordnung ferner eine KA-Relayoptik zur Abbildung einer KA- Fernfeldregion des Strahlengangs innerhalb der optischen Anordnung entlang der kurzen Achse aufweist . Eine derartige optische Anordnung erlaubt damit ein astigmatisches Optikkonzept mit einer besonders starken Fokussierung in der insbesondere hochauflösenden kurzen Achse (KA) bzw . der KA-Raumrichtung und einem großen Arbeits feld in der langen Achse ( LA) bzw . der LA- Raumrichtung . Dadurch wird eine verbesserte Kontrolle der Strahlverteilung in einem vergrößerten Arbeits feld in KA- Raumrichtung erlaubt , indem insbesondere zwischen der zumindest in LA-Raumrichtung als Scanrichtungskomponente scannenden Scannerkomponente und der KA- Fokussierungsoptik durch die KA-Relayoptik und/oder ggf . eine oder mehrere weitere KA-Optiken eine zusätzliche optische Funktionalität integriert wird, die eine Beeinflussung der Winkel- und/oder Ortsverteilung in einer zur Arbeitsregion des Ausgangslaserstrahls korrespondierenden KA- Fernfeldregion unterstützt .
Die Relayoptik sorgt insbesondere für eine KA-
Fernf eldabbildung zwischen der KA-Scannerkomponente , die insbesondere eine der Arbeitsregion über die KA- Fokussierung zugeordnete und nach der ( LA- ) Scannerkomponente lokalisierte KA- Fernfeldregion in Strahlpropagationsrichtung rückwärts in eine Region näher zum Strahleingang gelegen in eine korrespondierende KA- Fernfeldregion abbildet . Diese korrespondierende KA- Fernfeldregion liegt bevorzugt vor der LA- Fokussierung und/oder der LA-Scannerkomponente . Die KA- Strahlverteilung im Bereich der korrespondierenden KA- Fernf eldregion wird insbesondere mittels der KA- Strahl formeroptik beeinflusst . Die KA-Scannerkomponente ist insbesondere im Bereich einer korrespondierenden KA- Fernf eldregion angeordnet und beeinflusst bevorzugt im Wesentlichen die KA-Winkelverteilung in dieser Region . Eine Komponente der KA- Fernfeldabbildung bzw . KA-Relayoptik ist vorzugsweise zwischen KA- Fokussierung und LA- Fokussierung und/oder der LA-Scannerkomponente angeordnet . Die KA- Fernf eldabbildung beinhaltet vorzugsweise eine weitere Komponente , die bevorzugt vor der LA-Scannerkomponente angeordnet ist . Die KA-Relayoptik umfasst vorzugsweise ein 4 f-
Teleskop mit Zylinderoptik . Die KA-Relayoptik kann beispielsweise in bekannter Weise durch zwei entsprechend zueinander ausgerichtete asphärische Linsen oder Optiken ausgeführt sein, die hierin auch als Relaylinsen bezeichnet werden . Es kann sich insbesondere um eine KA-4 f-Relayoptik handeln .
Es ist insbesondere möglich, dass die KA-Relayoptik im Strahlengang hinter der KA-Strahl formeroptik angeordnet ist . Durch die KA-Relayoptik lässt sich so das KA-Fernfeld nach der Strahl formung durch die KA-Strahl formeroptik kontrollieren .
Möglich ist im Übrigen, dass die KA- Fokussierungsoptik im Strahlengang hinter der KA-Relayoptik angeordnet ist . So kann die KA- Fokussierungsoptik aus der KA-Fernf eldregion der KA- Relayoptik den Ausgangslaserstrahl unmittelbar auf das Werkstück in der Arbeitsregion fokussieren .
Weiterhin ist möglich und bevorzugt , dass die KA- Fokussierungsoptik im Strahlengang hinter der LA- Scannerkomponente angeordnet ist . So kann die KA- Fokussierungsoptik den Ausgangslaserstrahl unmittelbar auf das Werkstück in dem Arbeits feld fokussieren . Insbesondere ist der Abstand der KA- Fokussierungsoptik von der Arbeitsregion damit geringer als der Abstand der LA-Scannerkomponente von der Arbeitsregion, beispielsweise kann der Abstand der KA- Fokussierungsoptik von der Arbeitsregion die Häl fte oder weniger vom Abstand der LA-Scannerkomponente von der Arbeitsregion sein . Die Ausdehnung der Apertur der KA- Fokussierungsoptik entspricht vorzugsweise mindestens einer halben LA-Arbeits f eldlänge in der Arbeitsregion .
Auch ist möglich und bevorzugt , dass die KA-Scannerkomponente im Strahlengang vor der LA-Scannerkomponente angeordnet ist . So kann die LA-Strahl formung bereits in oder vor der korrespondierenden KA-Fernf eldregion erfolgen .
Ferner ist möglich, dass die LA- Fokussierungsoptik im Strahlengang hinter der LA-Scannerkomponente angeordnet ist . Alternativ ist möglich, dass die LA- Fokussierungsoptik im Strahlengang vor der LA-Scannerkomponente angeordnet ist .
Mit anderen Worten kann die LA-Scannerkomponente bzgl . der LA- Raumrichtung vorteilhafterweise als Post- ( Obj ective- ) Scannerkomponente eingesetzt werden, selbst wenn die LA- Scannerkomponente vor der KA- Fokussierungsoptik angeordnet wird .
Möglich ist im Übrigen, dass die optische Anordnung ferner eine LA-Strahl formeroptik zum Strahl formen des Strahlengangs entlang der langen Achse aufweist . Die LA-Strahl formeroptik kann, wie im Übrigen eine mögliche zusätzliche KA- Strahl formeroptik, beispielsweise Multiplexing, Mapping, eine überlagerte Scanbewegung und/oder weitere KA- Strahl formerfunktionalitäten oder LA- Strahl formerfunktionalitäten beinhalten bzw . bereitstellen . Im Übrigen können auch mehrere Eingangsstrahlen vorgesehen sein . In diesem Falle könnte die LA-Strahl formeroptik die resultierenden Teilstrahlen zueinander ausrichten .
Dabei kann die LA-Strahl formeroptik im Strahlengang vor der LA-Scannerkomponente angeordnet sein . So kann die LA- Strahl formung bereits in einer LA- Fernfeldregion erfolgen . Im Übrigen können die LA-Strahl formeroptik und die ggf . zusätzliche KA-Strahl formeroptik als eine gemeinsame Strahl formeroptik zusammengefasst sein . Dies erlaubt die Strahl formung mit von LA-Raumrichtung und KA-Raumrichtung abweichender Vorzugsrichtung .
Ansonsten ist möglich, dass die LA-Scannerkomponente im Strahlengang der KA-Relayoptik angeordnet ist . Mit anderen Worten kann das Scannen in der LA-Raumrichtung im gleichen Bereich des Strahlengangs zum Relay in der KA-Raumrichtung erfolgen . Mit anderen Worten erfolgen das Scannen in der LA- Raumrichtung und die Abbildung bzw . der Relay in der KA- Raumrichtung im Wesentlichen im gleichen Bereich des Strahlengangs . Selbiges kann auf die LA- Fokussierungsoptik und/oder die LA-Strahl formeroptik zutref fen .
Auch möglich ist , dass die LA- Fokussierungsoptik und/oder die KA- Fokussierungsoptik zur telezentrischen Fokussierung des Strahlengangs eingerichtet sind . Durch ein telezentrisches Konzept ändern sich die Anstellwinkel des Ausgangsstrahls oder der Ausgangsstrahlen über das Arbeits feld der Arbeitsregion nicht in der entsprechenden Raumrichtung . Damit ist zugleich eine Verzerrung vermeidbar bzw . zumindest eingeschränkt .
Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass die KA- Fokussierungsoptik eine Linienoptik ist , wobei insbesondere eine Länge der Linienoptik entlang der langen Achse eine Brennweite der KA- Fokussierung mindestens um einen Faktor von 2 , bevorzugt von 4 oder 8 , übersteigt und/oder das nutzbare LA-Arbeits f eld das KA-Arbeits f eld mindestens um einen Faktor von 2 , bevorzugt von 4 oder 8 , übersteigt . So ist gegenüber Optiken mit rotationssymmetrischer Wirkung in KA-Richtung eine starke Fokussierung bei ausgedehntem Arbeits feld in LA- Richtung möglich . Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die (KA- ) Linienoptik als eine refraktive Optik, reflektive Optik, di f fraktive Optik, Geometric-Phase-Optik oder als eine Kombination von vorgenannten ausgeführt ist . Vorteilhafterweise können refraktive Optiken als OnAxis-Systeme ausgeführt werden, erfordern j edoch häufig eine Dispersionskompensation, können bzgl . der Leistungstauglichkeit , thermischer und nichtlinearer Propagationsbeeinflussung einschränkend wirken . Reflektive Optiken können eine höhere numerische Apertur und bessere Leistungstauglichkeit bieten und sind typischerweise achromatisch . Nachteilig sind die gegenüber refraktiven Systemen höhere Justageempfindlichkeit und erhöhte Anforderungen an die Formtreue , häufig gekoppelt mit einer erhöhten Komplexität auf Grund einer Of f-Axis-Aus führung .
Vorteilhaft erfolgt die Fokussierung in KA- und/oder LA- Raumrichtung mit weitgehend vernachlässigbarer Bildfeldwölbung werkstückseitig . Diese , insbesondere für die Raumrichtungen separiert umzusetzenden, Konzepte erfordern bei einer in der j eweiligen Raumrichtung ebenen und senkrecht ausgerichteten Arbeitsregion, insbesondere eines Arbeits feldes , keine durch eine Bildfeldwölbung im Scanfeld bedingte z-Nachführung . Auch durch Kombination einer Fokussierung vor der LA- Scannerkomponente mit einer nach der LA-Scannerkomponente angeordneten Komponente ( Field Flattner ) lässt sich die Bildfeldwölbung reduzieren und eine dynamische z-Nachführung wird vermeidbar . Ein f-Theta-Konzept erlaubt im Gegensatz zu einem telezentrischen Konzept durch einen zum Rand ansteigenden Abstellwinkel ein gegenüber der freien Öf fnung der Optik vergrößertes Scanfeld und weist eine verschwindende Bildfeldwölbung auf . Zusätzlich oder neben der zuvor beschriebenen Anpassung der Scangeschwindigkeit bzw . Bearbeitungsgeschwindigkeit auf dem Werkstück kann im Übrigen auch vorgesehen sein, dass die Vorschubgeschwindigkeit vR des Werkstücks variiert wird, um die Kompensation der sich aus dem Vorschub des Werkstücks in der Vorschubrichtung ergebenden Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der optischen Anordnung bereitzustellen . Dies kann im Übrigen bei im Wesentlichen konstanter Bearbeitungsgeschwindigkeit erfolgen .
Über einen Scan kann auch eine Variation der LA- Scangeschwindigkeit vorgenommen werden . Beispielsweise um während den Beschleunigungs zeiten eines möglichen Galvoscanners bearbeiten zu können oder trotz aus konstanter Winkelgeschwindigkeit eines Polygonscanners resultierender positionsabhängiger Geschwindigkeit auf dem Werkstück bearbeiten zu können .
Auch eine Kombination von KA- und LA-Scannerkomponenten zur Formung der ef fektiven Fluenzprof ile und eine hinausgehende KA- Funktionalität über die reine Kompensation sind möglich .
Möglich ist im Übrigen, in der Laserbearbeitungsanlage einen ( schnellen) Schalter zum Ein-/Ausschalten und/oder Umschalten der Eingangsstrahlen auf verschiedene Ausgangsstrahlen vorzusehen .
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen anhand derer Aus führungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden . Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Skizze einer optischen
Anordnung für die Laserbearbeitungsanlage von Fig. 5 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgeteilt in die Beeinflussung des Strahlengangs entlang einer kurzen Achse und einer langen Achse eines erzeugten linienartigen Ausgangs laser s t rahl s ;
Figur 2 eine schematische Skizze zur Erläuterung des
Strahlengangs in der optischen Anordnung von Fig. 1;
Figur 3 eine schematische Skizze einer optischen
Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 4 eine schematische Skizze zur Erläuterung des
Strahlengangs entlang der langen Achse in der optischen Anordnung von Fig. 1;
Figur 5 eine schematische Ansicht einer
Laserbearbeitungsanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, aufweisend eine der optischen Anordnungen der Fig. 1 oder
3;
Figuren 6, 7 schematische Skizzen von Ausführungsbeispielen der Laserbearbeitung mit der Laserbearbeitungsanlage der Fig. 5;
Figuren 8-12 schematische Skizzen zu einem
Ausführungsbeispiel einer gepulsten
Laserbearbeitung mit der
Laserbearbeitungsanlage der Fig. 5; sowie
Figuren 13-24 schematische Skizzen zu einem
Ausführungsbeispiel einer Multispotprofil Laserbearbeitung mit der
Laserbearbeitungsanlage der Fig . 5 .
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale j eweils dieselben Bezugs zeichen verwendet .
Figur 1 zeigt ein erstes Aus führungsbeispiel einer optischen Anordnung 10 für eine Laserbearbeitungsanlage 100 ( siehe Fig . 5 ) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls 1 in einen in einer Arbeitsregion 40 bzw . auf einem Werkstück 42 entlang einer langen Achse LA erstreckten Ausgangslaserstrahl 3 . Der Strahlengang 2 des Eingangslaserstrahls 1 innerhalb der optischen Anordnung 10 breitet sich dabei entlang einer Ausbreitungsrichtung z ( siehe Strahlengang in Fig . 2 für einen telezentrischen Fall bzgl . der kurzen Achse KA, bei dem die Ausbreitungsrichtung z mit der optischen Achse der optischen Anordnung 10 zusammenfällt ) aus und weist in der Arbeitsregion 40 einen elliptischen, entlang der langen Achse LA linienartig ausgedehnten Strahlquerschnitt auf .
Neben der linienartigen Erstreckung entlang der langen Achse LA in der Arbeitsregion 40 weist der erzeugte Ausgangslaserstrahl 3 auf dem Werkstück 42 auch eine Erstreckung entlang einer orthogonal zur langen Achse LA verlaufenden kurzen Achse KA auf . Ein Aspektverhältnis von kurzer Achse KA zu langer Achse LA kann beispielsweise 1 : 10 betragen .
Fig . 1 zeigt dabei dem besseren Verständnis halber die optische Manipulation des Strahlengangs 2 zwischen dem Eingangslaserstrahl 1 und dem Ausgangslaserstrahl 3 mit Wirkung für die kurze Achse KA und die lange Achse LA separat und parallel . Ferner kann innerhalb des Strahlengangs 2 in Propagationsrichtung j eweils zwischen auf die Arbeitsregion 40 bezogenen Fernfeldregionen und Nahfeldregionen unterschieden werden . Eine korrespondierende Fernfeldregion befindet sich nahe dem Eingangslaserstrahl 1 bzw . an dem KA-Eingang 20 für die kurze Achse KA und dem LA-Eingang 30 für die lange Achse LA, also entfernt von der Arbeitsregion 40 und dem dort positionierten Werkstück 42 , welches durch den Ausgangslaserstrahl 3 bearbeitet werden soll , und insbesondere innerhalb der optischen Anordnung 10 . Die Nahfeldregion befindet sich in der Arbeitsregion 40 , in der sich das Werkstück 42 befindet , fällt insbesondere mit dieser zusammen .
Zur Erzeugung des Ausgangslaserstrahls 3 weist die optische Anordnung 10 der Fig . 1 eine KA-Scannerkomponente 22 zum Scannen des Strahlengangs 2 nach Eintritt durch den Eingang 20 mit einer KA-Scanrichtungskomponente entlang der kurzen Achse KA auf . Durch die winkelablenkende KA-Scannerkomponente 22 wird dynamisch die KA-Position des Ausgangslaserstrahls 3 in der Arbeitsregion 40 beeinflusst . Dabei kann der Strahlengang 2 bzw . Ausgangslaserstrahl 3 in der Arbeitsregion 40 vorliegend in der korrespondierenden KA-Fernf eldregion ausgelenkt und optional durch eine KA-Strahl formeroptik zusätzlich geformt werden, indem dort die Winkelverteilung des Strahlengangs 2 geändert wird, die sich dann auf die Ortsverteilung des Ausgangslaserstrahls 3 in der Arbeitsregion 40 auswirkt . Beispielsweise kann hierzu eine zusätzliche KA- Strahl formeroptik eingesetzt werden, z . B . ein di f fraktives Element , das ein KA-Multispotprof il generiert , wie später näher anhand der Fig . 13 bis 24 gezeigt wird . Möglich ist auch, in der Fernfeldregion alternativ/ergänzend die Ortsverteilung zu beeinflussen und so die Winkelverteilung in der Arbeitsregion 40 zu beeinflussen, z . B . in Form eines interferenzmodulierten Profils mittels Mehrstrahlinterferenz . Bezüglich der langen Achse LA folgt im Strahlengang 2 eine LA- Strahl formeroptik 32 zum Strahl formen bzw . zur LA-Formung des Strahlengangs 2 entlang der langen Achse LA, insbesondere beinhaltend eine statische , flexible und/oder auch dynamische Strahl führung . Eine dynamische Strahl formung kann beispielsweise eine der durch die LA-Scannerkomponente 22 auf geprägten Auslenkung überlagerte Auslenkung umfassen . Auch hierdurch kann ein LA-Multispotprof il generiert werden, insbesondere ein KA- und LA-Multispotprof il , wie später näher anhand der Fig . 13 bis 24 gezeigt wird .
Bezüglich der kurzen Achse KA folgt im Strahlengang 2 eine optionale KA-Relayoptik 24 , welche im Strahlengang 2 innerhalb der optischen Anordnung 10 die korrespondierende KA-
Fernf eldregion, in der die KA-Scannerkomponente 22 angeordnet ist , in die KA- Fernfeldregion vor der KA- Fokussierungsoptik 28 abbildet . Durch Relaylinse 25 erfolgt zunächst eine KA- Zwischenf okussierung und anschließend durch Relaylinse 26 eine KA-Re-Kollimation . Vorliegend ist dabei eine KA-4 f-Relayoptik gezeigt , die aber auch als eine KA-2 f-Relayoptik mit nur einer Relaylinse 26 ausgestaltet sein kann . Dies ermöglicht eine hohe Auflösung in KA-Richtung, indem die KA-Relayoptik 24 eine Kontrolle der KA- Fernfeldregion zwischen der Relaylinse 26 und der KA- Fokussierungsoptik 28 erlaubt , und zwar mit einem größeren nutzbaren Winkelbereich . Die Relayoptik 24 unterstützt diese hochauflösende Kontrolle auch bei langbrennweitiger LA- Fokussierung und großer LA- Ausdehnung der Arbeitsregion 40 , und erlaubt die LA-Scannerkomponente 36 zwischen der KA-Scannerkomponente 22 und der insbesondere kurzbrennweitigen KA- Fokussierungsoptik 28 anzuordnen . Im gleichen Bereich des Strahlengangs 2 dazu befinden sich bzgl . der langen Achse LA in der optischen Anordnung 10 eine LA- Fokussierungsoptik 34 zur LA- Fokussierung und eine Scannerkomponente 36 zum Scannen des Strahlengangs 2 entlang der langen Achse LA zwischen den beiden Relaylinsen 25 , 26 .
Schließlich ist im Strahlengang 2 hinter den vorgenannten Optiken noch eine KA- Fokussierungsoptik 28 bzgl . der kurzen Achse KA in der optischen Anordnung 10 vorgesehen, welche den Ausgangslaserstrahl 3 entlang der kurzen Achse KA auf die Arbeitsregion 40 mit dem Werkstück 42 fokussiert .
Fig . 2 zeigt den Strahlengang 2 bzgl . der kurzen Achse KA und der langen Achse LA entfaltet . Das angedeutete Scannen der LA- Scannerkomponente 36 kann bis zu einem Winkel ßmax erfolgen . Ferner erfolgt hier eine telezentrische Post-Scanner-KA- Fokussierung, also KA- Fokussierungsoptik 28 im Strahlengang 2 hinter der LA-Scannerkomponente 36 und der KA- Scannerkomponente 22 , mit einer Brennweite fKA. Die LA- Fokussierung ist wiederum eine Pre-Scanner-LA- Fokussierung mit der LA- Fokussierungsoptik 34 vor der LA-Scannerkomponente 36 mit der Brennweite fLA. Zu sehen ist ferner die LA-
Bildf eldwölbung beim Abstand Lscan von LA-Scannerkomponente 36 zur Arbeitsregion 40 .
Das Aus führungsbeispiel der Fig . 3 zeigt eine Abwandlung der optischen Anordnung 10 der Fig . 1 , bei dem sowohl KA- als auch LA- Fokussierung nach dem Post-Scanner-Konzept ausgeführt sind, also die LA- Fokussierungsoptik 34 und die KA- Fokussierungsoptik 28 im Strahlengang 2 hinter der LA- Scannerkomponente 36 und der KA-Scannerkomponente 22 angeordnet sind . Dieses Konzept erlaubt in beide Richtungen vorteilhafte Ansätze mit reduzierter Bildfeldwölbung wie mittels f-Theta-Optik und insbesondere auch einen telezentrischen Ansatz mit weiter reduzierter Variation des Winkels der Ausgangsstrahlen in der Bearbeitungsregion . Bei einem derartigen Konzept können z . B . auch die KA-Re- Kollimation durch Relaylinse 26 und die LA- Fokussierungsoptik 34 zusammengefasst und damit die Anzahl von Komponenten großer erforderlicher Apertur reduziert werden .
Fig . 4 zeigt einen zugehörigen Strahlengang 2 der optischen Anordnung 10 der Fig . 3 bzgl . der langen Achse LA. Zu sehen ist hier die der LA-Scannerkomponente 36 nachgeordnete telezentrische LA- Fokussierung ( fLA) . Diese bietet verschwindende LA-Bildf eldwölbung und über das LA-Arbeits f eld einen gleichen LA-Einf allswinkel auf dem Werkstück 42 . Die LA- Scannerkomponente 36 und die KA-Scannerkomponente 22 sind hier als einzelne winkelablenkende , reflektive Scannerkomponenten, z . B . als Galvo-Scannerkomponenten, rotierender Polygonspiegel , usw . , ausgeführt .
Das der LA-Scannerkomponente 36 vorgeschaltete KA-Scannen durch die KA-Scannerkomponente 22 erfolgt in oder nahe der KA- Fernf eldregion . Die auf die kurze Achse KA wirkenden optischen Komponenten sowie die KA- Fernfeldregionen sind im LA- Strahlengang 2 mittels unterbrochener Linien symbolisiert (vgl . Fig . 2 ) . Die KA-Strahl formung oder Strahlablenkung erfolgt in weiterer KA- Fernfeldebene vor der LA- Scannerkomponente 36 . Es wird eine KA-4 f-Relayabbildung erzeugt , wobei die re-kollimierende Relaylinse 26 mit der LA- Fokussierungsoptik 34 zusammenfällt . Die KA- Fokussierung erfolgt telezentrisch mit im Vergleich zur Brennweite der langen Achse fLA kurzer Brennweite der kurzen Achse fKA.
Figur 5 zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsanlage 100 zur Bearbeitung des Werkstücks 42 auf der Arbeitsregion 40 mittels des linienartigen Ausgangslaserstrahls 3 der optischen Anordnung 10 in der Laserbearbeitungsanlage 100 . Die Laserbearbeitungsanlage 100 weist dabei eine Laserstrahlquelle 50 , insbesondere eine Ultrakurzpuls-Laserstrahlquelle , auf , welche an der optischen Anordnung 10 den Eingangslaserstrahl 1 bereitstellt , welcher in den Ausgangslaserstrahl 3 umgewandelt wird und mittels der optischen Anordnung 10 auf das Werkstück 42 ausgerichtet wird .
Ferner weist die Laserbearbeitungsanlage 100 eine Vorschubvorrichtung 60 , beispielsweise in Form eines Förderbands , auf , welches das Werkstück 42 , das beispielsweise als Werkstückband vorliegen kann, in einer Vorschubrichtung VR gegenüber der optischen Anordnung 10 und damit dem Ausgangslaserstrahl 3 vorschiebt . Um eine sich aus dem Vorschub des Werkstücks 42 ergebende Relativbewegung zwischen dem Werkstück 42 und der optischen Anordnung 10 zu kompensieren, ist zudem eine Steuervorrichtung 70 der Laserbearbeitungsanlage 100 dazu eingerichtet , das Scannen des Strahlengangs mit der KA-Scannerkomponente 22 in der KA- Scanrichtungskomponente relativ zum Vorschub zu koordinieren .
Dadurch, dass die LA-Scannerkomponente 36 und die KA- Scannerkomponente 22 dabei voneinander unabhängig funktions fähige , j edoch über die Steuervorrichtung 70 synchronisierbare , Scannerkomponenten sind, wird eine hohe Flexibilität und Qualität der Laserbearbeitung des Werkstücks
42 unter dem Vorschub erzielt .
Aus führungsbeispiele der Laserbearbeitung unter Vorschub des Werkstücks 42 sind in den Fig . 6 und 7 gezeigt . In Fig . 6 ist eine Laserbearbeitung in Form eines Abtrags über eine Bearbeitungsbreite Bb unter einer Vorschubgeschwindigkeit vR in der Vorschubrichtung VR innerhalb einer Bearbeitungs- bzw . Scanzeit ts in einer einzelnen Überfahrt auf einer durchgehenden Linie in einer ( anordnungsbezogenen) Scanrichtung ( entlang der Scanstrecke SSc) , die hier unter einem Winkel a zur Vorzugsbearbeitungsrichtung VBR entlang des Werkstücks 42 verläuft , mit einem ersten Winkel a ( 0 ° < a < 180 ° ) zur Vorschubrichtung VR mittels eines Strahlquerschnitts bzw . Strahlprofils SP mit LA-Vorzugsbearbeitungsrichtung und Scanbereich SB gezeigt . Dabei ergibt sich eine werkstückbezogene Bearbeitungslänge Bi = Bb / sin (a) . Zur Kompensation des Vorschubs Bs = vR • ts wird durch eine zusätzliche KA-Scanbewegung der KA-Scannerkomponente 22 mit einem Scanbereich SKA = Bs • sin (a) das Scannen in Richtung und Scangeschwindigkeit vs angepasst . Für die Bearbeitung über die volle Bearbeitungsbreite Bb bzw . Bearbeitungslänge Bi wird vorliegend ein LA-Scanbereich SLA = Bl + Bs • cos (a) = Bb / sin (a) + Bs • cos (a) eingesetzt .
Wie man anhand der Fig . 6 und 7 erkennen kann, kann für a > 90 ° mit kleinerem LA-Arbeits f eld (AF) die gleiche Bearbeitungsbreite Bb abgedeckt werden . Für a > 90 ° kann die gleiche ef fektive Scangeschwindigkeit bzw . Prozessgeschwindigkeit vp mit kleinerer Scangeschwindigkeit vLA erzielt werden . Um die KA-Scanbreite und auch den Versatz aufeinanderfolgend gescannter Bearbeitungslinien einzuschränken, wird die LA- Scangeschwindigkeit vLA relativ zur Vorschubgeschwindigkeit vR angepasst: vLA = vR • [Bb / (Bs • sin(a) ) + cos (a) ] = Bb / (ts -sin(oc) ) + vR -cos(a) .
Da die Bearbeitungsstärke ohne weitere Anpassungen von der Scangeschwindigkeit abhängt, sind die Parameter vR, Bb, Bs und a passend zu wählen und weitere Prozessparameter (z.B.
Repetitionsfrequenz, LA-Prof ilausdehnung, usw.) daran anzupassen .
Für a V 90° wird bevorzugt a > 90° gewählt, um die erforderliche LA-Scangeschwindigkeit und Arbeitsfeld (AB) - Größe gegenüber a < 90° zu reduzieren. Eine auf dem Werkstück zur Vorschubrichtung gespiegelte Ausrichtung der Bearbeitungsgeometrie kann dabei durch eine Richtungsumkehr der LA-Scanbewegung erzielt werden. Vorteilhaft bzgl. der Sicherstellung der z-Lage ist eine Parameterwahl, für die eine effektive Scanrichtung mit Scangeschwindigkeit vs orthogonal zur Vorschubrichtung VR resultiert (erster Winkel a > 90°, gezeigter zweiter Winkel ß = 90°) , so dass die z-Lage nur in einem insgesamt und in Vorschubrichtung VR kurzen Bereich sicherzustellen ist. Letzteres ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Werkstück in der Bearbeitungsregion auf einer Umlenkrolle geführt wird.
Die Figuren 8 bis 12 zeigen schematische Skizzen zu einem Ausführungsbeispiel einer gepulsten Laserbearbeitung mit der
Laserbearbeitungsanlage 100 der Fig. 5 bei a > 90°. Fig. 8 zeigt dabei die unterschiedlichen Geschwindigkeiten mit ihren Richtungen für die Bearbeitung und die Fig. 9 bis 12 zeigen die jeweilige Laserbearbeitung zum Bearbeitungsanfang bzw. Scananfang bei ta, zur Mitte der Bearbeitung bei tm und zum Ende der Bearbeitung bei te, wobei Fig. 12 eine Variante mit Abtrag von mehreren Linien bei tm zeigt, deren Abstand die Linienbreite nennenswert übersteigt. Vorliegend gilt dabei, dass die LA-Scangeschwindigkeit VLA der Prozessgeschwindigkeit vp entspricht, die Vorschubgeschwindigkeit vR der KA- Scangeschwindigkeit VKA entspricht und die Bearbeitungsbreite Bb der LA-Scanlänge SLA entspricht. Die angestrebte Bewegung des Ausgangslaserstrahls 3 in LA-Richtung mit der Geschwindigkeit vLA auf dem sich relativ zu Anordnung mit der Geschwindigkeit vR in KA-Richtung bewegenden Werkstück wird dabei durch eine Scanbewegung des Ausgangslaserstrahls 3 zur Anordnung in Scanrichtung SR mit der Scangeschwindigkeit vs erzielt .
Für den Abtrag werden geeignete Laserbearbeitungsparameter (wie z.B. Wellenlänge, Fluenz, Pulsdauer, usw.) gewählt. Die Abtragtiefe wird dann über die am Ort kumulierte Energiedichte, z.B. der Anzahl der am Ort während einer Überfahrt wirkenden Laserpulse, kontrolliert. Dazu werden insbesondere effektive Profillänge, Repetitionsfrequenz und Scangeschwindigkeit vs entsprechend angepasst. Sind die effektive Scanrichtung und die Vorschubrichtung orthogonal, so ergeben sich für den Scanbereich und das Arbeitsfeld jeweils SKA = Bs und sLA = Bb = Bi. Ein Arbeitsfeld entsprechend dem Scanfeld zuzüglich der Strahlformausdehnung in die jeweilige Richtung ist dabei mindestens erforderlich. Wie Fig . 12 zeigt , bietet sich die Laserbearbeitungsanlage 100 insbesondere auch in Verbindung mit Strahlprofilen großer KA- Ausdehnung PKA an, z . B . zum Abtrag von mehreren Linien, deren Abstand die Linienbreite nennenswert übersteigt . Eine derartige Anwendung erfordert eine , im Vergleich zur Ausdehnung eines einzelnen ungeformten Teilstrahlprofils , große KA-Arbeits f eld-Ausdehnung aKA = PKA + SKA -
In den schematischen Darstellungen der folgenden Fig . 13 bis 23 wird j eweils links eine Multispotverteilung bei nicht astigmatischer Fokussierung dargestellt , wobei die Profile auf einer Linie angeordnet sind . In der Darstellung rechts der Mitte wird angenommen, dass die astigmatische Fokussierung das Profil in KA-Richtung staucht , hier beispielhaft auf ein Fünftel . Rechts ist neben der Scanrichtung SR die sich ergebende Linienrichtung LR des Strahlquerschnitts bzw . Strahlprofils SP im astigmatischen System symbolisiert . Links der Mitte sind in Scanrichtung SR integrierte und damit unter Vorschub ef fektiv wirkende Fluenzprof ile ohne und mit astigmatischer Fokussierung veranschaulicht . Ein zusammenhängendes ef fektives Fluenzprofil kann durch Rotation der Linienrichtung LR auch bei räumlich separierten Teilstrahlprofilen erzielt werden .
Wie Fig . 13 zeigt , führt das astigmatische System neben der Stauchung der Teilprofile auch zu einer Änderung der Linienrichtung LR, wenn diese nicht mit der KA- oder LA- Richtung übereinstimmt . Zudem ergibt sich durch die Rotation ein in LA-Richtung ausgedehntes Strahlprofil SP, ohne dass sich dies positiv auf die unter Vorschub integrierte , ef fektive Fluenz auswirkt . Die Beispiele der Fig . 13 bis 19 sind dabei ohne Relativbewegung zwischen dem Werkstück 42 und der optischen Anordnung 10 ( die Scanrichtung stimmt mit der Vorzugsbearbeitungsrichtung bzw . ef fektiven Scanrichtung überein, wie z . B . typisch beim Dicing) . Unter Relativbewegung (vergl . Fig . 19 - 21 ) wird die ef fektive Scanrichtung typisch übereinstimmend mit der LA-Richtung gewählt . Weiterhin ist es dann vorteilhaft , die Vorzugsrichtung der erzeugten Linie des Laserstrahls parallel oder senkrecht zur LA-Richtung zu wählen, damit keine Verzerrung und Winkeländerung auf tritt . Um unter Vorschub mit einem Profil wie in Fig . 13 eine schmale Linie zu bearbeiten, kann die ef fektive Scanrichtung in LA- Richtung oder in LR-Richtung gewählt werden . Damit ist aber auch im zweiten Fall keine so schmale Linie erzielbar wie bei einer Ausrichtung der Bearbeitungslinie in LA-Richtung (bei einer von der LA-Richtung abweichenden Richtung) . Mittels nur telezentrischer Ausbildung ist eine Rotation der Linienrichtung unter Propagation und damit eine reduzierte z- Lagentoleranz vermeidbar .
Alternativ können, wie Fig . 14 zeigt , ef fektiv zusammenhängende Intensitätsprofile mit separierten Teilprofilen auch durch mehrere in KA-Richtung ausgerichtete , in LA- und KA-Richtung versetzte Strahlprofile SP ohne Einfluss des astigmatischen Systems auf die Linienrichtung LR erreicht werden, noch dazu mit in LA-Richtung reduzierter Ausdehnung, bei gesteigerter Flankensteilheit .
Wie Fig . 15 zeigt , kann unter Überlappung, bevorzugt unter Vermeidung intensitätsmodulierender Kohärenzef fekte , die LA- Ausdehnung weiter reduziert werden, ein tatsächlich und nicht nur ef fektiv zusammenhängendes Intensitätsprofil gesteigerter Flankensteilheit realisiert werden .
Wie die Fig . 16 zeigt , kann die Strahl formung gleichzeitig sowohl in KA- als auch in LA-Richtung mit einer Richtungskomponente und gleichzeitig richtungs flexibel erfolgen, indem diese bevorzugt in einer überlappenden ( korrespondierenden) KA-LA- Fernfeldregion oder KA-LA- Nahf eldregion angeordnet wird .
In dem Beispiel der Fig . 17 werden zwei überlappende Multispotprofile in der Bearbeitungs zone mittels Polarisationsaufteilung realisiert . Durch Variation des Winkels der Aufteilungsrichtung wird unter Beibehaltung der Flankensteilheit die Breite des unter Vorschub in LA-Richtung wirkenden ef fektiven Strahlprofils SP erzielt . Die Aufteilung kann durch eine strahlteilende Komponente realisiert werden, die einen Winkelversatz für zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen bewirkt und bevorzugt in eine KA-LA-
Fernf eldregion drehbar angeordnet ist . Alternativ kann eine in einer überlappenden KA-LA-Nahf eldregion drehbar angeordnete Komponente eingesetzt werden, die einen Ortsversatz zwischen senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen bewirkt .
Auch kann eine Strahl formung von Teilspots eines Multispotprofils in beide Raumrichtungen, hier kombiniert mit einer intensitätsmodulations-mindernden Polarisationsüberlagerung (Überlagerung von Teilspots zueinander senkrechter Polarisations zustände , separierter Wellenlängenbereiche und/oder zeitlich versetzt ) , durch Anordnung der Formung bevorzugt in eine LA-KA- Fernfeldregion realisiert werden . In den Beispielen der Fig . 16 bis 18 weisen die Multispotprofile eine mit der in KA-Orientierung übereinstimmende auf die optische Anordnung 10 bezogene Vorzugsbearbeitungsrichtung auf , welche zur ef fektiven Scanrichtung orientiert ist . Diese Vorzugsbearbeitungsrichtung bleibt vorteilhaft auch bei Drehung der Polarisationsaufspaltung im Wesentlichen erhalten .
Häufig wird eine Vorzugsrichtung der Bearbeitung bzw . Vorzugsbearbeitungsrichtung auf dem Werkstück 42 gewünscht . In den Fig . 19 bis 24 wird beispielhaft die Bearbeitung in Form einer unter Scannen fortgesetzten möglichst schmalen Bearbeitungslinie unter Verwendung von Multispotprofilen gezeigt .
Typisch wird dabei die LA-Richtung entlang der Bearbeitungslinie gewählt . Die Vorzugsbearbeitungsrichtung der Multispotlinie wird durch die astigmatische Fokussierung beeinflusst ( entweder vermindert ( Fig . 14 - 18 ) oder, bevorzugt , verstärkt ( Fig . 19 - 22 ) ) . Ein Abstand in Vorschubrichtung VR kann genutzt werden, um störende Ef fekte wie Wärmeakkumulation und Abschirmung zu mindern . Ohne zur LA- Richtung abweichenden Relativbewegung zwischen optischer Anordnung und Werkstück erfolgt das Scannen bevorzugt in LA- Richtung (vgl . Fig . 19 , 22 ) . Unter Relativbewegung mit zur LA- Richtung abweichender Richtungskomponente werden auch hier bevorzugt das Multispotprofil , die LA-Richtung und die Bearbeitungsline parallel orientiert und die Relativbewegung durch eine angepasste Scanrichtung SR kompensiert (vgl . Fig . 20 , 23 , 24 ) . Eine Variation der Relativbewegungsgeschwindigkeit , z . B . durch Änderung der Vorschubgeschwindigkeit vR und/oder LA-Scangeschwindigkeit vLA, kann beispielsweise unter Beibehaltung der Parallelausrichtung und der Scangeschwindigkeit durch den Scanwinkel kompensiert werden, also einer Anpassung der KA-Scangeschwindigkeit .
Wird hingegen das Scannen auf die LA-Richtung eingeschränkt , so ist es erforderlich die Kompensation der Relativbewegung mittels einer zur Linie abweichenden Scanrichtung SR zu kompensieren und das Multispotprofil in einem Winkel zur LA- Richtung aus zurichten, wie in Fig . 21 gezeigt ist . Wie im Zusammenhang mit Fig . 13 erläutert , resultiert insgesamt eine erhöhte Anforderung an die einzuhaltenden Toleranzen sowie insgesamt neben einer vergrößerten Bearbeitungsbreite mit reduzierter Flankensteilheit eine reduzierte Flexibilität bei der Kompensation variierender Vorschubgeschwindigkeit . Die Ausbildung der optischen Anordnung 10 mit Strahl formung zur Ausbildung einer Vorzugsbearbeitungsrichtung abweichend von der LA- oder KA-Richtung, hier beispielhaft als Linie mit Richtung LR, stellt also eine mögliche Lösung dar . Bevorzugt werden j edoch die Vorzugsbearbeitungsrichtungen in KA-Richtung und/oder LA-Richtung orientiert .
Fig . 23 und 24 sind ein Beispiel für eine voll flächige Bearbeitung . Die Bearbeitungsgeometrie auf dem Werkstück 42 weist keine Vorzugsbearbeitungsrichtung auf , die LA-Richtung kann also frei gewählt werden . Es bietet sich also an diese in einer LR-Richtung zu wählen, sodass die Scanrichtung SR in der optischen Anordnung 19 orthogonal zur Vorschubrichtung VR orientiert ist . Damit kann die Bearbeitung in einem in Vorschubrichtung minimierten Bereich innerhalb der Laserbearbeitungsanlage 100 erfolgen . Um die Wirkung pro Scan bei minimierter LA-Prof illänge und prozessangepasster Fluenz zu steigern oder aber die passende ef fektive Fluenzverteilung auch bei geringen Überlapp aufeinanderfolgender Pulse und oder Scans zu erreichen, können zudem vorteilhaft maßgeschneiderte Strahlprofile eingesetzt werden .
Beispielhaft ist dabei eine zusammenhängende Multispotline Linie mit reduzierter Intensitätsmodulation in LA-Richtung gezeigt (vgl . Fig . 15 , 18 ) .
Weiterhin kann ein FlatTop-Strahlprof il für die voll flächige Bearbeitung mit prozessangepasster Fluenzverteilung bei minimiertem Pulsüberlapp, also im Wesentlichen unter Einzelpulsbearbeitung, eingesetzt werden . In diesem Fall resultiert die Vorzugsbearbeitungsrichtung nicht direkt aus der angestrebten Bearbeitungsgeometrie sondern indirekt : Die Scanrichtung wird senkrecht zur Vorschubrichtung gewählt , um die anlagenbezogene Ausdehnung der Bearbeitungsregion zu minimieren . Damit resultiert eine an die Strahl form, die Vorschubgeschwindigkeit und weitere Parameter angepasste LA- Ausrichtung und daran gekoppelte Vorzugsbearbeitungsrichtung .

Claims

Patentansprüche Laserbearbeitungsanlage (100) zur Bearbeitung eines Werkstücks (42) mittels eines Ausgangslaserstrahls (3) , wobei die Laserbearbeitungsanlage (100) aufweist:
- eine Laserstrahlquelle (50) zur Erzeugung eines Eingangslaserstrahls (1) ;
- eine optische Anordnung (10) zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls (1) in einen Ausgangslaserstrahl (3) zur Bearbeitung des Werkstücks (42) , welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und welcher in einer Arbeitsregion (40) einen entlang einer langen Achse (LA) der optischen Anordnung (10) ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist, wobei die optische Anordnung (10) aufweist:
• eine LA- Fokussierungsoptik (34) zur Fokussierung eines Strahlengangs (2) innerhalb der optischen Anordnung (10) zwischen dem Eingangslaserstrahl (1) und dem Ausgangslaserstrahl (3) entlang der langen Achse (LA) ,
• eine LA-Scannerkomponente (36) zum Scannen des Strahlengangs (2) mindestens mit einer LA- Scanrichtungskomponente entlang der langen Achse (LA) ,
• eine KA- Fokussierungsoptik (28) zur Fokussierung des Strahlengangs (2) entlang der kurzen Achse (KA) , und
• eine KA-Scannerkomponente (22) zum Scannen des Strahlengangs (2) mindestens mit einer KA- Scanrichtungskomponente entlang der kurzen Achse (KÄ) ;
- eine Vorschubvorrichtung (60) zum Vorschub des Werkstücks (42) relativ gegenüber der optischen Anordnung (10) in einer Vorschubrichtung (VR) ; und
- eine Steuervorrichtung (70) , die dazu eingerichtet ist, das Scannen des Strahlengangs (2) entlang der LA- Scanrichtungskomponente mit dem Scannen des Strahlengangs (2) entlang der KA-Scanrichtungskomponente zu synchronisieren. Laserbearbeitungsanlage (100) nach Anspruch 1, wobei die die Synchronisierung mittels der Steuervorrichtung (70) eingerichtet ist, eine sich aus dem Vorschub des Werkstücks (42) in der Vorschubrichtung (VR) ergebende Relativbewegung zwischen dem Werkstück (42) und der optischen Anordnung (10) durch das Scannen des Strahlengangs (2) mit der KA-Scannerkomponente (22) zu kompensieren . Laserbearbeitungsanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die LA-Scannerkomponente (36) und die KA- Scannerkomponente (22) voneinander unabhängig funktionsfähige Scannerkomponenten sind. Laserbearbeitungsanlage (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die LA-Scannerkomponente (36) zum Scannen des Strahlengangs (2) entlang einer zur langen Achse (LA) parallelen Vorzugsbearbeitungsrichtung (VBR) derart eingerichtet ist, dass zwischen einer LA- Scanrichtung und der Vorschubrichtung (VR) ein erster Winkel a > 0°, insbesondere a > 90°, besteht. Laserbearbeitungsanlage (100) nach Anspruch 4, wobei die LA-Scannerkomponente (36) mindestens für eine mittlere LA- Scangeschwindigkeit vLA = Bb / (ts • sin(a) ) + vR • cos (a) und/oder die KA-Scannerkomponente (22) mindestens für eine mittlere KA-Scangeschwindigkeit vI<A = vr • sin(a) eingerichtet ist, wobei Bb eine Bearbeitungsbreite auf dem Werkstück (42) senkrecht zur Vorschubrichtung (VR) , ts eine Bearbeitungszeit für die Bearbeitungslänge Bb = Bb / sin(a) und vR eine Vorschubgeschwindigkeit in der Vorschubrichtung (VR) ist. Laserbearbeitungsanlage (100) nach Anspruch 5, wobei die LA-Scannerkomponente (36) für eine LA-Scanf eldlänge sLA h Bb / sin(a) + Bs • cos (a) und/oder die die KA- Scannerkomponente (22) für eine KA-Scanf eidbreite SRA h Bs • sin(a) eingerichtet ist, wobei Bs eine während des Scans überstrichene Länge ist. Laserbearbeitungsanlage (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die optische Anordnung (10) derart ausgebildet ist, dass der Strahlquerschnitt durch ein Multispotprofil gebildet wird. Laserbearbeitungsanlage (100) nach Anspruch 7, wobei das Multispotprofil entlang der kurzen Achse (KA) und der langen Achse (LA) verteilte Spots aufweist. Laserbearbeitungsanlage (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Multispotprofil mit einer sich aufgrund astigmatischer Fokussierung der optischen Anordnung (10) ergebenden Linienrichtung des Strahlquerschnitts in einem
Anstellwinkel > 0° gegenüber der LA- Scanrichtungskomponente angestellt ist. Laserbearbeitungsanlage (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (70) dazu eingerichtet ist, die Laserleistung des Ausgangslaserstrahls (3) an die Geschwindigkeit des Scannens des Strahlengangs (2) anzupassen. Laserbearbeitungsanlage (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahlquelle (50) eine gepulste, insbesondere ultrakurz gepulste, Laserstrahlquelle (50) ist. Laserbearbeitungsanlage (100) nach Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung (70) dazu eingerichtet ist, eine Pulsrepetitionsfrequenz an die Geschwindigkeit der Strahlbewegung des Ausgangslaserstrahls (3) auf dem Werkstück (42) und/oder des Scannens mit der LA- Scannerkomponente (36) anzupassen. Laserbearbeitungsanlage (100) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Steuervorrichtung (70) zur positionssynchronisierten Pulsauslösung entlang der langen Achse (LA) eingerichtet ist. Laserbearbeitungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Steuervorrichtung (70) zur positionsangepassten Wahl von Laserbearbeitungsparametern entlang der langen Achse (LA) eingerichtet ist. Laserbearbeitungsanlage (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die LA-Scannerkomponente einen Messstrahlengang einer optischen Sensorik mitführt.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3711905A1 (de) 1987-04-08 1988-10-27 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum behandeln von werkstoffbahnen, -tafeln o. dgl. werkstuecken mit laserstrahlung, insbesondere fuer in laengsrichtung gefoerderte kornorientierte elektrobleche
US5736709A (en) * 1996-08-12 1998-04-07 Armco Inc. Descaling metal with a laser having a very short pulse width and high average power
US20140272198A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Stuart Bowden Systems, methods, and media for creating metallization for solar cells
US11135680B2 (en) * 2015-02-10 2021-10-05 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Irradiation devices, machines, and methods for producing three-dimensional components

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI248244B (en) 2003-02-19 2006-01-21 J P Sercel Associates Inc System and method for cutting using a variable astigmatic focal beam spot
DE102004007541B4 (de) 2004-02-11 2006-11-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren für eine Bearbeitung großflächiger Bearbeitungsbereiche von Werkstücken mittels Laserstrahlung
DE102017216133A1 (de) 2017-09-13 2019-03-14 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Trennen bandförmigen Elektroden- und Separatormaterials auf einer gekrümmten Oberfläche
DE102019204032B4 (de) 2019-03-25 2021-09-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung
DE102020134195A1 (de) 2020-12-18 2022-06-23 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Trennen eines Materials
DE202022000531U1 (de) 2022-02-15 2022-03-10 MOEWE Optical Solutions GmbH Verwendung einer optischen Einrichtung zur Ablenkung von Laserstrahlung eines Lasers, einer Bewegungsmesseinrichtung und einer Steuereinrichtung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3711905A1 (de) 1987-04-08 1988-10-27 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum behandeln von werkstoffbahnen, -tafeln o. dgl. werkstuecken mit laserstrahlung, insbesondere fuer in laengsrichtung gefoerderte kornorientierte elektrobleche
US5736709A (en) * 1996-08-12 1998-04-07 Armco Inc. Descaling metal with a laser having a very short pulse width and high average power
US20140272198A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Stuart Bowden Systems, methods, and media for creating metallization for solar cells
US11135680B2 (en) * 2015-02-10 2021-10-05 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Irradiation devices, machines, and methods for producing three-dimensional components

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