«Da entwickelten wir selbst eine Lasermaschine»

Es gibt Firmen, welche die Lasertechnik für Nischenprodukte weiterentwickeln und dabei mit dem Laser sozusagen in andere Sphären verschwinden. Wir haben mit einer solchen Firma geredet: der 4CS-Laser AG in Steinhausen/ZG. CEO Alexander Greber über Lasertrimmer, Temperaturdrifts und Dioden-gepumpten solid-state Laserquellen im «grünen Bereich».

Herr Greber, wofür steht eigentlich 4CS im Firmennamen von «4CS-Laser AG»?

Es steht für «4 Customer Specific Laser». Ich würde uns als flexibles Unternehmen im Bereich Lasertechnik beschreiben, das kundenspezifische Lasermaschinen entwickelt und anbietet. Da wir alle parallel auch im Bereich Produktion tätig sind, fliessen unsere Ideen im täglichen Produktionsalltag in unsere Maschinen ein, was bestimmt nie verkehrt sein wird.

In der Welt der Lasertechnik haben Sie sich mit der Firma eine besondere Nische ausgesucht. Sie sind spezialisiert auf das Lasertrimmen. Können Sie dieses Verfahren beschreiben?

Das Lasertrimmen wird überall dort angewendet, wo eine sehr hohe Genauigkeit gefordert ist. Mittels fokussierten gepumpten Laserstrahlen mit einer sehr hohen Energie – und zwar im kW-Bereich – werden sehr feine Einschnitte auf der leitenden Oberfläche gemacht. Mit einem Laserstrahldurchmesser von 10 μm bis 100 μm wird ein Widerstand oder eine Kapazität in ihrem vorliegenden Wert verändert.

Durch die Materialabtragung werden Widerstände hoch­ohmiger und die Kapazitäten werden kleiner. Das Trimmen erfolgt in der Regel, während eine Schaltung in Betrieb ist (Aktiv-Abgleich) oder bei gleichzeitiger Messung des zu trimmenden Bauteils (Passiv-Abgleich).

Die Entwicklung der ersten Lasermaschine

Wie sind Sie auf diese Spezialisierung gekommen?

Die Firma Altatec (zuvor Mettler Elektronik und Landis & Gyr), die bereits seit vielen Jahren im Dickschichtbereich tätig ist, benötigt Lasertrimmer um ihre Hybridschaltungen, Dickschichtschaltungen und Substrate mit Dünnfilmwiderständen abzugleichen. Diese hochpräzisen Schaltungen werden von bekannten Firmen im Ausland und in der Schweiz benötigt. Die Lasertrimmer in der Altatec sind schon sehr alt, circa 35 Jahre, und benötigen altersbedingt sehr viel Wartungsaufwand. Auf dem Markt gibt es zwar noch einige wenige Anbieter, welche neuere Lasermaschinen herstellen, aber nicht in der von uns gewünschten Konfiguration und Flexibilität.

Dann haben Sie sich entschlossen, selbst eine Lasermaschine zu entwickeln?

Ja, nachdem wir uns mehrere Jahre mit dem Thema auseinandergesetzt hatten, entschieden wir uns vor vier Jahren dazu. Nach einer langen und intensiven Evaluationsphase von geeigneten und bezahlbaren Komponenten wussten wir in etwa, was am Markt vorhanden ist und was wir nach unseren Vorstellungen selbst entwickeln müssen. Am 08. Januar 2018 entschlossen wir uns, eine Lasermaschine zu entwickeln und Ende Mai 2018 hatten wir mit unserer Lasereinheit bereits erste Erfolge beim Lasern von 12 μm breiten Abtragungen auf einem Dünnfilm-Substrat. Im vergangenen Jahr gründeten wir dann schliesslich die Firma 4CS-Laser. Wir haben aber noch immer den vollen Zugriff auf die Ressourcen der ganzen Entwicklungs- und Produktions­abteilung der Firma Altatec Microtechnolgies AG.

Am 08. Januar 2018 entschlossen wir uns, eine Lasermaschine zu entwickeln und Ende Mai 2018 hatten wir mit unserer Lasereinheit bereits erste Erfolge beim Lasern von 12 μm breiten Abtragungen auf einem Dünnfilm-Substrat.

Die Herausforderungen beim Entwickeln einer Lasertrimm-Maschine

Auf welche Schwierigkeiten sind Sie gestossen bei der Entwicklung?

Lasermaschinen für die präzise Abtragung benötigen sehr viele mechanische, elektrische und optische Kom­ponenten, ähnlich wie bei anderen Produktions­maschinen. Bei Lasertrimm-Maschinen ist die Lasereinheit sicherlich das komplexeste Modul. Mit dieser haben wir dann schliesslich auch angefangen. Diese benötigt eine gepumpte Laserquelle, welche sich sehr fein und schnell in der Leistung und Frequenz einstellen lässt. Dann folgt der ganze optische Pfad mit den Strahleinstellungen, Laser-Shutter, Strahlaufweitung, Strahlablenkung und Strahl­fokussierung.

Wie sah es mit der Integration einer hochauflösenden schnellen Kamera aus?

Ja, gleichzeitig musste auch eine solche Kamera mit einem Kamerapfad über eine Optik im Strahlengang integriert werden, wobei der Kamerachip nicht vom Laser selbst zerstört werden darf. Die Auslenkung des Laserstrahls erfolgt mit 3 Motoren mit minimalst-beweglichen Massen, welche innerhalb von einer Tausendstelsekunde höchst­präzise auf Position geregelt werden müssen. All die Komponenten innerhalb der Lasereinheit müssen mit absolut minimalen Latenzzeiten angesprochen werden können.

Die Laserquelle und das Temperatur-Driften

Wie verhält es sich mit den Drifts?

Da die Laserquellen Drifts unterliegen können, sollte man stets wissen, welche Laserleistung tatsächlich aktuell vorliegt und nicht nur eingestellt wird. Nicht zuletzt braucht es sehr flexible, hochauflösende Messgeräte mit sehr schnellen und praktisch latenzfreien Schnittstellen, um eine Trimmung in Echtzeit zu einer vernünftigen Zeit durchführen zu können.

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Wie haben Sie die Herausforderung des Temperaturdriftens gelöst?

Das Gehäuse unsere Lasereinheit ist aus einem Stück Aluminium hergestellt (Unibody-Design). Sämtliche Komponenten innerhalb der Lasereinheit sind möglichst gut thermisch mit dem Gehäuse verbunden. Es wurde darauf geachtet, dass der Strahlengang so kurz wie möglich wird, um den Einfluss aufgrund von thermischen Ausdehnungen minimal zu halten. Um den Strahlengang weiter zu verkürzen haben wir das sicherheitsrelevante Element (den Lasershutter/Strahlunterbrecher) selbst entwickelt, da die auf dem Markt verfügbaren Shutter massiv mehr Platz benötigten.

Gleichzeitig haben wir in unseren Shutter auch eine Lasermessung integriert, welche es uns ermöglicht, die Laserleistung schnell und zuverlässig während des Produktionsbetriebs zu messen und allfällige Drifts der Laserleistung nachzuregeln. Wir haben in unserem Laser an verschiedenen Orten Temperatur- und Feuchtesensoren verbaut, welche uns laufend wichtige Informationen über die aktuellen Umgebungsbedingungen liefern. Zu guter Letzt wurde von der Lasereinheit die grosse Wärmequelle, das Lasersupply, ausgelagert und das ganze Gehäuse mit einem gesteuerten Lüfter versehen.

Dioden-gepumpte solid-state Laserquellen für das Trimmen

Welche Art von Laserquelle benutzen sie für das Trimmen?

Wir verwenden Dioden-gepumpte solid-state Laserquellen im «grünen Bereich» bei einer Wellenlänge von 527 nm. Oft werden Laserquellen im infraroten Bereich bei einer Wellenlänge von 1064 nm eingesetzt, da die Frequenz­verdopplung dazu entfallen kann. IR-Laser sind zwar etwas günstiger und haben bei gleicher Bauform auch etwas mehr Leistung, aber weisen bei der präzisen Abtragung von Dickschicht und Dünnfilm-Widerständen gewisse Nachteile auf. Zudem sehen wir als Menschen den Infrarot-Laser nicht, was auch bei der Strahleinstellung gewisse Probleme mit sich bringt.

Die Lasereinheiten der 4CS-Laser AG

Sie entwickeln eigene Lasereinheiten. Was zeichnet diese aus?

Dadurch, dass wir bei der Evaluation sehr viel Zeit auf­gewendet hatten, zeichnet sich unsere Lasereinheit durch eine extrem kleine Baugrösse aus; vermutlich ist dies die weltweit kompakteste Lasereinheit mit einem solchen Funktionsumfang. Da wir über die Jahre sehr viele Erfahrungen mit diversen Produktionsmaschinen sammeln konnten, sehen wir immer wieder dieselben Einschränkungen, welche sich im täglichen Einsatz ergeben. Die Unzulänglichkeit in Bezug auf die Flexibilität der Software oder Hardware. Alle Software der käuflichen Maschinen sind so erstellt, dass der Anwender damit leben muss. Wir beschreiten da einen anderen Weg: Wir wollen unsere Software den Anwendern zugänglich machen.

Er kann sie also zum Beispiel selbst erweitern?

Genau. Er soll seine Softwareideen und seine eigenen Module integrieren oder Anpassungen vornehmen können. Auch soll einem Maschinenintegrator die Möglichkeit geboten werden, seine Maschine mit unserer Lasereinheit zu erweitern. Beim Bau unserer Lasermaschine achten wir darauf, dass diese durch eine normale Türe hindurch passt und keine Spezialmedien wie ein externer Wasserkühlkreis, ein Kühlaggregat, einen speziellen Netztrans­formator, Luftdruck, Vakuum oder eine mehrphasige Steckdose benötigt. Die Lasertrimmmaschine soll leicht werden und so wenig Bodenfläche wie möglich benötigen.

Das Ganze hört sich nach einer ungeheuren Entwicklungsarbeit an. Sie haben aber auch Komponenten zugekauft, oder?

Diejenigen Komponenten, welche es käuflich zu erwerben gab – und in der Grösse unseren Vorstellungen entsprachen –, werden eingekauft. Die Lasereinheit wurde aus Performancegründen gegenüber der normalen käuf­lichen Variante jedoch geringfügig modifiziert.

Sie sind derzeit daran, diese Maschinen weiterzuentwickeln. Wohin geht diese Entwicklung?

Mitte Jahr wollen wir mit dem Zusammenbau einer kompletten Maschine mit einem flexiblen Transport­handling fertig sein, welche dann in der Produktion bei der Firma Altatec in Betrieb genommen wird. Diese Maschine soll die Basis von weiteren kundenspezifischen Maschinen sein und kann dann allen Interessenten live fortgeführt werden.