Ultrakurzpulslaser in Kombination mit exquisiter Selbstfokussiertechnologie bieten die Qualität und Prozesssicherheit, die erforderlich sind, um Laserglasschweißanwendungen für die Serienproduktion zu ermöglichen. Die einzigartigen und hervorragenden Eigenschaften von Glas machen es weit verbreitet in verschiedenen High-Tech-Produkten in verschiedenen Bereichen wie Biomedizin und Mikroelektronik. Vor allem im Bereich des großvolumigen, präzisen Glasschneidens stellt es die Hersteller jedoch vor Herausforderungen. Es gibt auch Schwierigkeiten beim Kleben, einschließlich des Zusammenschweißens einzelner Glaskomponenten und des Schweißens von Glas mit anderen Materialien wie Metallen und Halbleitern.
Mischen als Einheit
Alle herkömmlichen Methoden zum Schweißen von Glas haben Schwierigkeiten, die Präzision, die Klebequalität und die Produktionsgeschwindigkeit zu liefern, die für eine wirtschaftliche und effiziente Serienproduktion erforderlich sind. Kleben zum Beispiel ist eine wirtschaftliche Methode, hinterlässt aber Klebematerial auf dem Teil und erfordert sogar eine Entgasung.
Beim dielektrischen Schweißen wird ein pulverförmiges Material an der Kontaktstelle platziert und geschmolzen, um die Verbindung zu vervollständigen. Unabhängig davon, ob dieses Schmelzen durch Ofen oder Laser erreicht wird, wird viel Wärme in das Teil gepumpt. Dies ist ein Problem für mikroelektronische Geräte und viele medizinische Geräte.
Die ionische Bindung ist eine ausgeklügelte Methode, die extrem hohe Bindungsfestigkeiten bietet. Zwei neue und extrem flache Glasoberflächen werden zusammengepresst und durch molekulare Bindung buchstäblich miteinander verschmolzen. Es ist jedoch nicht praktikabel, diesen Vorgang in einer Produktionsumgebung auszuführen.
Laser-Glasschweißen
Was ist mit dem Laserschweißen? Glas hat viele sehr nützliche Eigenschaften, wie einen sehr hohen Schmelzpunkt, Transparenz, Sprödigkeit und mechanische Steifigkeit, aber gleichzeitig stellt es viele Schwierigkeiten für das Laserschweißen dar. Daher sind typische Industrielaser und -verfahren, die zum Schweißen von Metallen und anderen Materialien verwendet werden, nicht auf Glas anwendbar.
Genau wie beim präzisen Glasschneiden liegt das Geheimnis in der Verwendung von Infrarot-Wellenlängen-Ultrakurzpulslasern (USP). Das Glas ist im Infraroten transparent, so dass der fokussierte Laserstrahl direkt hindurchgehen kann, bis sich der fokussierte Strahl verengt und so konzentriert wird, dass er eine "nichtlineare Absorption" auslöst. Diese "nichtlineare Absorption" kann nur bei ultrakurzgepulsten Lasern mit hoher Spitzenleistung auftreten, und dasselbe kann nicht mit anderen Lasertypen geschehen.
In einem sehr kleinen Bereich (normalerweise weniger als ein paar zehn Mikrometer Durchmesser) um den Fokus des Laserstrahls absorbiert das Glas den Laser und schmilzt schnell. Dieser fokussierte Strahl wird entlang des gewünschten Schweißweges gescannt, um die Verklebung abzuschließen, genau wie jede andere Form des Laserschweißens.
Das USP-Laserglasschweißverfahren bietet drei Hauptvorteile.
Erstens entsteht eine starke Verbindung, da beide zu schweißenden Materialien teilweise geschmolzen und dann zusammen erstarrt werden, um die Schweißnaht zu bilden. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren gleichermaßen für die Verklebung von Glas an Glas, von Glas an Metall und von Glas an Halbleiter.
Zweitens dringt bei diesem Prozess nur eine sehr geringe Menge an Wärme in den Teil ein, der in einer Fläche von höchstens einigen hundert Mikrometern Breite erzeugt wird. Dies ermöglicht die Platzierung von Lötstellen sehr nahe an elektronischen Schaltungen oder anderen thermisch empfindlichen Komponenten, was Konstrukteuren und Herstellern mehr Freiheit bietet und eine bessere Produktminiaturisierung unterstützt.
Wenn das USP-Laserglasschweißen ordnungsgemäß durchgeführt wird, entstehen keine Mikrorisse um die Schweißnaht herum. Und Mikrorisse reduzieren die mechanische Festigkeit des Glases. Darüber hinaus können Mikrorisse nach dem Temperaturzyklus (der für alles unvermeidlich ist) die Ursache für einen eventuellen Geräteausfall sein.
Einsatz von USP-Laserglasschweißen
Die Vorteile des USP-Laserglasschweißens ergeben sich daraus, dass das Glas nur in einem geringen Volumen erhitzt wird. Dies stellt jedoch auch in der Praxis eine Herausforderung dar. Das bedeutet, dass die Laserfokusposition sehr genau an der Grenzfläche zwischen den beiden geschweißten Bauteilen bleiben muss, auch wenn sich das Teil bewegt. Dies ist schwer zu erreichen, da reale Komponenten nicht völlig flach sind. Darüber hinaus passt die Position, in der die Teile in das Schweißsystem gelegt werden, möglicherweise nicht perfekt.
Eine Lösung besteht darin, einen axial verlängerten Brennpunkt zu verwenden. Dadurch "dehnt" sich die Größe des Laserstrahlfokuspunkts, um das Problem der Positionsempfindlichkeit zu lösen. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass der längliche Strahlfokus ein Schmelzbad im Glas mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt erzeugt. Wenn das Glas in der Schmelzzone erstarrt, ist es wahrscheinlicher, dass der nicht kreisförmige Pool Mikrorisse bildet.
Eine weitere Methode wurde angewendet, um mikrorissfreie Schweißergebnisse zu erzielen und gleichzeitig signifikante Änderungen der Grenzflächenabstände im Prozess zu berücksichtigen. Das Geheimnis liegt in der Kombination der hochdynamischen Fokussiertechnologie, bei der eine Optik mit hoher numerischer Apertur (NA) verwendet wird, um einen kleinen Brennpunkt zu erzeugen.
Dadurch erreicht das Lasersystem eine hohe Sphärizität des Schmelzbades und vermeidet so Mikrorissbildung. Es erfasst auch die Schnittstellenentfernung und passt die Optik ständig an, so dass der perfekte Fokus immer erhalten bleibt.
Das Ergebnis ist eine qualitativ hochwertige Schweißnaht an fast jeder Form des Teils, und der Prozess ist unabhängig von den Toleranzen und der Position des Teils.
