Laser
SORGENTI A CO
01/12/2018

Quando viene focalizzato per ottenere un dato diametro focale, la minore lunghezza focale di un fascio laser a CO consente di ottenere una profondità di campo maggiore rispetto a quanto possibile con una sorgente a CO2. Questo comporta l’ottenimento di una maggiore densità di potenza, che consente l’aumento dello spessore del substrato che il laser deve incidere. Legenda: Focused CO2 laser beam = fascio focalizzato laser CO2 (o CO); Substrate = substrato; Identical focused spot diameters = diametri identici della macchia focale.

Le sorgenti laser disponibili sul mercato sono numerose e diventa facile individuare il laser adatto a una data applicazione industriale. Il laser a CO è l’utensile ideale per molti utilizzi in microelettronica, packaging alimentare e lavorazione del vetro.

di Antonio Vendramini

Tra le presentazioni ascoltate nel corso dell’International Laser Symposium organizzato dall’Istituto Fraunhofer IWS (www.iws.fraunhofer.de) di Dresda, lo scorso mese di febbraio, quella del Dr. George Oulundsen, Direttore Marketing di Prodotto della multinazionale Coherent (www.coherent.com) – azienda che, prima al mondo, ha applicato le sorgenti a CO2 per l’incisione della ceramica – è fin da subito risultata molto interessante.

La relazione, inerente le prospettive delle nuove sorgenti a CO, ha suscitato un notevole interesse, proprio perché, nella gran parte dei casi, è facile dimenticarsi delle limitazioni che le sorgenti più accreditate – laser a CO2 e in fibra – hanno nella lavorazione di molti materiali, e si è portati a pensare che in esse si riassumano (al momento attuale, ma anche nel prossimo futuro) tutte le prospettive delle lavorazioni meccaniche.

Tutto ciò, nella presentazione, non si è tradotto direttamente in soluzioni immediate, ma ha sicuramente portato a individuare settori che, potenzialmente, potrebbero essere interessati dall’uso di queste nuove sorgenti che, avendo un’emissione a circa 5 µm, presentano il grande vantaggio di non avere fasci che possano creare problemi agli occhi. Questo fattore è di per sé un grande vantaggio nelle lavorazioni meccaniche, perché le nuove sorgenti consentono di evitare l’uso di ingombranti strutture di contenimento.

Nell’articolo, basato su documentazione ricevuta da Coherent, cerchiamo di riassumere quanto presentato, illustrando le potenzialità delle nuove sorgenti.

PARTENDO DALLE ORIGINI

Benché il laser a CO sia stato scoperto – preferiamo questa dizione rispetto a quella usuale di “inventato” – pochi anni dopo la reale “invenzione” di Maimann del laser, datata 1960, e, quasi contemporaneamente, a quelle del laser a CO2 e delle sorgenti in fibra, negli anni 1965-1967, (ndr: ricordiamo che erano gli anni in cui si cercava l’“effetto laser” da ogni materiale e che anche noi siamo stati coinvolti nella ricerca di ioni Nd:YAG dispersi in soluzioni inorganiche al posto delle più puzzolenti e difficili da maneggiare soluzioni organiche), questa sorgente è stata misconosciuta e trascurata per molti anni, forse a causa della ridotta vita media del componente e a presupposti problemi di affidabilità. Tale nomea è stata poi sfatata dal fatto da sorgenti che sono attualmente applicate in numerose situazioni industriali.

Proprio da un punto di vista puramente applicativo, va notato che le sorgenti a CO2 sono state oggetto di una favorevole ricetta d’uso, innanzitutto nell’incisione delle ceramiche e, successivamente, con i primi tagli di materiali metallici, situazione non usuale nel caso dei laser a CO che hanno dovuto dimostrare di possedere efficienze tali da consentire reali applicazioni industriali.

Nella pratica industriale, le conseguenze di tutto quanto detto finora detto si sono concretizzate nel fatto che una soluzione “quasi pronta” (laser a CO2) veniva privilegiata rispetto a una “quasi soluzione” (laser a CO). Questo trend è continuato per quasi cinquant’anni, fino alla effettiva dimostrazione, da parte dei tecnici Coherent, che era possibile disporre di sorgenti a CO con interessanti potenze d’uscita, elevata efficienza a temperatura ambiente e vita media del composto gassoso generatore della luce laser di molte migliaia di ore.

I VANTAGGI DELL’ELEVATA LUNGHEZZA D’ONDA

La luce in uscita dalle sorgenti a CO è, come detto, a circa 5 µm, un intervallo di lunghezza d’onda che è classificato sotto la terminologia MID-IR, nell’infrarosso intermedio. Questa lunghezza d’onda di emissione comporta due importanti vantaggi, per alcune applicazioni, rispetto all’usuale emissione a 10,6 µm delle sorgenti a CO2 che hanno un maggior utilizzo industriale.

Innanzitutto, occorre osservare che molti metalli e molti materiali inorganici, quali film, polimeri, dielettrici per PCB, ceramiche e compositi, presentano un maggiore assorbimento a lunghezze d’onda minori e ciò consente di ottenere la loro lavorazione, qualunque essa sia, in maniera più efficiente, utilizzando una potenza minore e, quindi, con minori effetti termicamente indotti. D’altro canto, quando la trasmissione ottica risulta essere maggiore alla minore lunghezza d’onda, la luce penetra più profondamente nel materiale, fattore che, come vedremo, può costituire un ulteriore plus.

Il secondo vantaggio di una luce con minore lunghezza d’onda, rispetto a quanto risulta per il laser a CO2, è dato dal fatto che essa può essere focalizzata in una più ristretta macchia focale per effetto della diffrazione che si scala linearmente con la lunghezza d’onda. Ad esempio, la minima dimensione focale ottenibile in pratica con laser a CO2 industriali risulta essere di circa 70-80 µm, mentre con sorgenti a CO si possono ottenere facilmente valori del 50% inferiori, fattore che determina, a pari potenza laser incidente, una densità di potenza, denominata tecnicamente “fluenza”, ben quattro volte maggiore.

L’abbinamento di questi due vantaggi consente di poter impiegare per una stessa lavorazione sorgenti a CO di minore potenza, rispetto a quanto normalmente ottenibile con i tradizionali laser a CO2, con migliori risultati applicativi.

Esemplifichiamo ora nella pratica il valore di questi vantaggi.

 

 

Il fascio di un laser a CO passa attraverso il sottile strato esterno PET ed è invece bene assorbito dagli strati interni PE, dando luogo a una rapida fusione che consente di ottenere una robusta struttura per il packaging alimentare. Legenda: Top film = film superiore; Bottom film = film inferiore; PET outer layer = PET strato esterno; PE inner layer = PE strato interno; Opaque metalized layer = strato metallizzato opaco; Opaque white print layer = atrato opaco bianco stampato.

TAGLIO DEL VETRO SOTTILE

Questo campo d’impiego è stato uno dei primi a essere investigati, al fine di trovare alternative alle tecniche di taglio con punte di diamante. Ad esempio, importanti imprese produttrici di vetri hanno proposto tecniche laser con cui indebolire la struttura vetrosa, agendo poi con un soffio d’aria che separasse le parti. Queste tecniche palliative non sono mai state accettate industrialmente, ma è stata ricercata l’azione diretta del laser.

Il problema riscontrato con l’uso di sorgenti laser a CO2 si è rilevato quello dell’elevato assorbimento da parte del vetro della luce IR. L’assorbimento della luce emessa dal laser a CO risulta inferiore, consentendo, allo stesso tempo, una maggiore penetrazione. In tal modo, il calore assorbito dalla luce laser incidente è portato direttamente all’interno del vetro, senza che si propaghi termicamente dalla superficie e questo evita una fusione alla superficie del vetro, migliorandone l’aspetto, con minori tensioni indotte.

Questa tecnica viene impiegata per la lavorazione contornata di substrati in vetro con spessori da 50 a 100 µm, dove non è richiesto alcun supporto di aria o acqua di raffreddamento del kerf indotto.

TAGLIO DELLE CERAMICHE

Il laser a CO produce vantaggi simili a quelli del taglio del vetro sottile nel caso del taglio di strutture ceramiche, un altro materiale largamente impiegato nell’industria microelettronica. Per essere più precisi, occorre dire che la minore lunghezza di emissione dei laser a CO, rispetto a quelli delle più tradizionali sorgenti a CO2, consente, a pari potenza, una maggiore penetrazione e una minore zona alterata termicamente. Questo implica che, ad esempio, possano essere eseguite incisioni di scribing su substrati con maggiori spessori. Va considerato che questi sono risultati preliminari ulteriormente migliorabili.

VIA DRILLING

Va innanzitutto spiegato che con la dizione “via drilling” si intende la foratura controllata di substrati dielettrici al fine di consentire l’interconnessione di diversi strati sovrapposti nei moderni circuiti multistrati. Per la grande necessità dell’industria elettronica di miniaturizzare questi elementi, arrivando a realizzare fori con diametri inferiori ai 60-80 m ottenibili con i laser a CO2, le sorgenti a CO risultano essere estremamente utili, essendo in grado di realizzare fori con diametri sino a 35 m.

Occorre qui osservare che l’ottica che ha consentito di ottenere questi valori ha una lunghezza focale doppia rispetto a quanto impiegato con il laser a CO2 e ciò consente una maggiore libertà per quanto riguarda la profondità di campo. Occorre poi affermare che a questa nuova lunghezza d’onda i substrati in rame si presentano perfettamente riflettenti e questo comporta un loro stop nell’interazione con il fascio laser. L’impiego di focali più lunghe e la maggiore profondità di campo facilitano anche un aumento della velocità di scansione e, quindi, una maggiore produzione di via nel tempo.

SIGILLATURA DI FILM PLASTICI

Attualmente nel packaging di prodotti alimentari o medicali vengono usati sempre più diffusamente le cosiddette “strutture multistrato” realizzate con film sottili costituiti da due o più materiali plastici che vengono laminati assieme per realizzare barriere che sommano le proprietà di impenetrabilità dei singoli costituenti ai vari elementi esterni (ossigeno o umidità). Per realizzare queste strutture complesse due o più strati di film plastici sono posti a contatto e poi riscaldati fino alla loro fusione. Le sorgenti a CO2 vengono comunemente impiegate per questo scopo e la lunghezza d’onda di emissione di queste, attorno a 10 µm,viene scelta in base alle caratteristiche d’assorbimento dei film usati.

È però stato notato che per la più diffusa di queste strutture, ottenuta laminando un sottile strato di PET, polietilene tereftalato, su uno strato più spesso di semplice PE, polietilene, il laser CO offre un’interessante alternativa, poiché lo strato esterno di PET, che è meccanicamente più robusto, ha una maggiore trasmissività a 5,5 µm,rispetto a 10 µm,e l’opposto vale per lo strato PE interno; questo consente al fascio laser di cedere la propria energia termica proprio in corrispondenza dell’unione tra i due strati, realizzandone così la fusione locale (vedasi la fig. 2). Il risultato è che la sorgente a CO produce una saldatura tra i film meccanicamente più forte, con una minore estensione della zona termicamente alterata e con una maggiore produttività.

CONCLUSIONE

Le caratteristiche d’uscita delle sorgenti laser oggi commercialmente disponibili si sono diversificate enormemente negli ultimi anni e ciò rende più facile individuare il laser con le esatte caratteristiche per una data applicazione industriale. Il laser a CO offre un’ampia gamma di queste diverse caratteristiche, tali da renderlo l’utensile ideale per molti diversi processi industriali nella microelettronica, nel packaging alimentare e nella lavorazione del vetro. ©tecnelab

 

Esempio di via realizzata su un circuito multistrato con laser a CO: il fascio viene assorbito dal sottile strato superiore in rame, con ossidi metallici, che lo fonde. Fonde anche lo strato dielettrico intermedio, mentre invece viene bloccato dallo strato di rame puro interno. Legenda: 9 µm Cu with brown oxide = 9 µm di Cu con ossido marrone; 25 µmdielectric = strato dielettrico da 25 µm; Cu inner layer = strato interno in Cu.



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