Bohren mit UKP-Laserstrahlung

Multistrahlbohren: 12 000 Bohrungen pro Sekunde & 1 µm Durchmesser

Eine neue Generation der Ultrakurzpuls-Prozesstechnik ist auf dem Markt. Mehr mittlere Laserleistung und mehr Pulsenergie versprechen mehr Durchsatz und höhere Effizienz. Damit lassen sich zum Beispiel Mikrofilter mit Lochgrößen bis unter einem Mikrometer viel schneller bohren.

Bei der Skalierung der Prozesse gibt es einige nicht triviale Wechselwirkungsmechanismen zu beachten. Eine Möglichkeit, um die Pulsenergie besser zu nutzen, ist das Multistrahlkonzept bei dem ein Laserstrahl in viele Teilstrahlen geteilt wird. Das Fraunhofer ILT arbeitet schon seit 2012 an entsprechenden Konzepten. Mit diffraktiven optischen Elementen (DOE) lassen sich mehr als 200 Teilstrahlen gezielt in der Mikro- und Nanostrukturierung einsetzen – für eine Präzision bis in den sub-Mikrometerbereich.

Laserstrahl-Wendelbohren von Mikrobohrungen mit großem Aspektverhältnis

Bohrlocheintritt mit 60 μm Durchmesser.
© Fraunhofer ILT, Aachen.

Bohrlocheintritt mit 60 μm Durchmesser.

Das Aspektverhältnis von einer mittels Ultrakurzpulslaser (UKP) gebohrten Präzisionsbohrung mit hoher Rundheit am Ein- und Austritt ist durch unterschiedliche Faktoren begrenzt. Insbesondere sind die verwendete Bohrtechnik bzw. -optik und die verfügbare maximale Pulsenergie der UKP-Laserstrahlung relevant. Das Laserstrahl-Wendelbohren ist eine geeignete Technologie zur Herstellung von Formbohrungen mit großer Präzision, allerdings ist das erzielbare Aspektverhältnis durch die Strahlpropagation im Bohrkanal auf etwa 20:1 begrenzt. Die Abtragrate nimmt mit steigender Bohrtiefe aufgrund der Strahldivergenz und Mehrfachreflexion stark ab. Daher stellt die Herstellung von Mikrobohrungen mit hohem Aspektverhältnis in dickem Material die Fertigung vor große Herausforderungen. Mit einer am Fraunhofer ILT entwickelten Wendelbohroptik lassen sich der Grad der Mehrfachreflexionen der Laserstrahlung und die zeitliche und örtliche Energiedeposition im Bohrloch gezielt angepassen.