PCB "Laserfräse"

[Navtec]

Hallo liebes Forum,

ich bin noch recht neu in der Laserwelt und habe mich in letzter Zeit mal etwas mit dem Thema beschäftigt.
Zu Beginn, alles Folgende ist nur ein Gedankenspiel und es ist bis jetzt keine Hardwareumsetzung geplant. Das sage ich nur um klarzustellen, dass hier nicht ein Amateur mit Hochleistungslasern herumspielen will

Ich habe schon einiges gelesen und zwar vorallem, dass Diodenlaser nicht ausreichen um die 35um Kupferschicht eines PCB abzutragen.
Daher habe ich mal gegoogelt und beispielsweise diesen 30W Diodenlaser mit Glasfaserkopplung gefunden.http://www.alibaba.com/product-detail/3 ... 33772.html.

Die Energieabsorbtion von Kupfer liegt maximal bei ca 60-80% und im Bereich von 800nm.
Gehe ich nun davon aus, dass die Lichtleistung des Lasers 30W entspricht, folgt logischerweise eine Absorption des Kupfers von min. 18W.

Dichte von Kupfer: 8,92 g/cm^3
Spez. Wärmekapazität: 385 J/kg/K
Atomare Masse: 63,55 g/mol
Verdampfungs Hitze: 305 kJ/mol
Materialdicke: 35 um

gewünschte Auflösung: 1000dpi

Im Folgenden gehe ich mal vom Idealfall aus, also ohne etwaige Energieverluste durch Wärmeableitung durch die große Kupferfläche.

Gewicht des Kupfers, welches pro "Pixel" verdampft werden muss:

Fläche eines Pixels -> 6,45 * 10^-6 cm^2 (berechnet aus 1 inch * 1 inch / 1*10^6) selbstverständlich inch vorher in cm umgerechnet
Materialdicke = 35 um

Materialvolumen pro Pixel = 6,45 * 10^-6 cm^2 * 35um = 22,58*10^-9 cm^3
Gewicht des Kupfers pro Pixel = 8,96 g/cm^3 * 22,58*10^-9 cm^3 = 202 * 10^-9 g

Stoffmenge: 1/(63,55 g/mol) * 202 * 10^-9 g = 3,18*10^-9 mol

Energie die zur Verdampfung eines "Pixels" notwendig ist:
305 kJ/mol * 3,18*10^-9 mol = 9,7*10^-4 J

Zeit die mit o.g genannten Laser pro Pixel benötigt wird:
9,7*10^-4 Ws / 18W = 5,39*10^-5s

Ich würde gern zunächst eure Einschätzung dazu hören, ob ich mich irgendwo verrechnet habe etc.
Und dann hatte ich die Überlegung, dass mit kleineren Diodenlasern evtl die Leistung nicht ausreicht um genug Hitze auf einem Punkt zu erzeugen, bevor diese von der Kupferfläche abgeleitet wird.
Weiß jemand, ab welcher Leistung diese "Schwelle" überschritten wird?

[VDX]

... aus meine Erfahrung weiß ich, daß mit CW-Dioden da nichts zu erreichen ist

Für die ersten Versuche um 1996 herum habe ich einen 60W NdYAG-Pulslaser verwendet, der das gerade so hinbekommen hat - allerdings bleibt das Problem, 'aufzuhören' wenn das Kupfer weg ist ... auch nur etwas Energie mehr, und das Epoxy unterhalb der Kupferschicht explodiert so stark, daß es die Ränder der Kupferschicht unregelmäßig nach oben wegbläst

Ein Excimer-Laser schafft das ziemlich gut - damit habe ich auch Gold-Schichten mit etwa 200nm Pro 'Schuß' relativ kalt ablatieren können -- das Polymer oder Epoxy untendrunter blieb (bis auf den ebenso hohen Abtrag) praktisch unverändert, auch wenn ich noch ein paar 'Schüsse' mehr darauf abgegeben habe.

Ich mache meine Platinen-Prototypen mit blauen 2W- oder 9W-IR-Dioden, indem ich das Kupfer vorher schwarz lackiere, den Lack wegbrenne, das Kupfer wegätze und zuletzt den Lack entferne - hier ein Beispiel:

http://laserfreak.net/forum/viewtopic.p ... n+#p273409


Viktor

[Navtec]

Hallo Viktor, soetwas habe ich leider schon vermutet...
Ich wollte nur wissen, ob mein Gedankengang soweit korrekt ist, da Ich mir sonst nicht erklären kann, dass ein 30W Laser nichts an dem Kupfer ausrichten kann.

[VDX]

... es kommt dabei auf die Energiedichte gegen die Wärmeleitung (beides nochmal pro Zeit) und Reflexion an -- vergleich nur mal die maximale Ausgangsleistung einer 30W-Diode (~30W) mit der eines 30W-Pulslasers (ca. 1-10kW, je nach Aufbau und Pulslänge) ... da liegen Größenordnungen dazwischen

Viktor

[Offenbarungsjoe]

Als kleine Zusatz-Erklärung:
Vom Prinzip her sieht die Rechnung stimmig aus (ich habe die Zahlen nicht nachgerechnet), allerdings steckt wie schon erwähnt das Problem in der Annahme "gehe vom Idealfall aus, also ohne etwaige Energieverluste durch Wärmeableitung". Wenn du in einem Modell eine solche Annahme triffst, ist es sinnvoll, zu bewerten, inwiefern deine Annahme zutrifft. Der kritische Punkt ist hierbei die Zeitskala des ganzen Vorgangs. Thermalisierungseffekte nach Energieabsorption eines Laserstrahls im Kristallgitter passieren ganz grob innerhalb Nanosekunden. Geschieht dein Prozess schneller, so ist die Vereinfachung deines Idealfalls anwendbar und sollte die Ergebnisse nicht verfälschen. Da dies allerdings nicht der Fall ist (du hast µs als Zeitbereich für einen 30W CW-Laser ausgerechnet), führt die Anwendung der Vereinfachung "keine Wärmeleitung" zu stark verfälschten Ergebnissen der Rechnung.
Freund google hat einen Seminarvortrag zu dem Thema Ablationsprozesse ausgegeben, der bei erster Durchsicht ganz nett aussieht und zumindest eine Folie zur optimalen Pulsdauer für direktes Verdampfen von Material mit Laser beinhaltet:
http://www.physik.uni-kl.de/aeschlimann ... eitung.pdf

Pascal

[Navtec]

Vielen Dank, für den Link auf der Präsentation!
Ich wusste ja schon, dass das so nicht funktioniert, aber nun verstehe ich wenigstens grob, warum.

Rein theoretisch kann ich nun also ausrechnen, wie stark mein Laser sein muss, um das Material abzutragen und sogar welche Dicke ich abtrage. Das würde das Problem lösen, nicht in den Epoxydträger zu lasern.
Allerdings fehlen dafür noch einige wichtige Energiebetrachtungen des Kupfers.

Aber dank auf jeden Fall erstmal dafür. Ich denke der Rest übersteigt dann doch meine Kompetenzen

[goamarty]

LPKF baut Geräte die das Kupfer solcherart direkt bearbeiten. Mit grün oder UV (trippelt Nd:YAG) und extrem kurzen Pulsen.

[gerald]

hallo
hast du schonmal versucht statt cw mit freq zb ca 8 oder 10 khz mit einem faserlaser mit 30 oder 50 watt und 200 mm/sec
mit spotsize 0.028 sollte ca 800-900 dpi sein ?? evtl mehrmals drübergehen cw bringt zuviel waerme in das Material

wenn ich mal eine Platine in die Finger bekomme werde ich ers mal testen

Gerald

[VDX]

Hi Gerald,

mit einem mit 10kHz modulierten CW-Faserlaser bringst du immer noch zuviel Wärme ins Material ein - wenn die Energie ausreicht, das Kupfer wegzudampfen, ist es ein totaler "Overkill", wenn es durch die letzte Kupferschicht ins Trägermaterial eindringt.

Schau aber erstmal, ob du mit 50W CW moduliert überhaupt schon Kupfer schmelzen/verdampfen kannst - bei Federstahl mit 50W auf etwa 0.04mm fokussiert habe ich das hinbekommen, Kupfer ist da eine ganz andere Hausnummer

Viktor