Az első lézerberendezés megépítése óta eltelt több mint 40 év során a lézerberendezések rohamos fejlődése sok más területen is új tudományos eredményeket hozott, és rendkívül sok érdekes alkalmazást tett lehetővé.
A lézersugár fizikai alapjainak ismertetése után a lézersugaras jelöléstechnológiának az elektronikai iparban való alkalmazhatóságát szeretném bemutatni, majd áttekintést adok az elektronikai alkatrészek és termékek nyomon követhetőségi és azonosítási lehetőségeiről.
Mit jelent a „LASER”?
A legtöbb angol nyelvű szakirodalomban a lézersugaras technológiával kapcsolatban a „LASER” angol rövidítéssel találkozhatunk. A „LASER” kifejezés egy mozaikszó, amely a következő szavak kezdőbetűiből származik:
- Light – fény,
- Amplification – erősítés,
- Stimulated – gerjesztett,
- Emission – kisugárzott, kibocsátott,
- Radiation – sugárzás.
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = fényerősítés kényszerített fénykibocsátás útján). A „LASER” kifejezés – magyarra fordítva: lézer – önmagában nem használatos. A magyar szakirodalomban lézersugár vagy lézersugárzás, és lézerforrás vagy lézerberendezés kifejezést alkalmazzuk.
A lézersugárzás fizikai tulajdonságai
A lézerberendezések speciális tulajdonságokkal rendelkező optikai sugárzást (lézersugárzást) –közeli (NUV) és távoli (FUV) ultraviola, látható fény, a közeli (NIR) és távoli (FIR) infravörös tartományokban – állítanak elő.
A speciális tulajdonságok a következők:
- a lézersugár nagyon kis divergenciájú (széttartású) nyaláb, amely a forrástól való távolság növekedésével csak nagyon kis mértékben terül szét (divergál),
- nagy energia- vagy teljesítménysűrűség a nyalábban,
- a lézerberendezések nagyon keskeny hullámhossztartományban állítanak elő optikai sugárzást, ezért a lézersugárzás monokromatikus (egyszínű)
- a lézersugárzást tér- és időbeli koherencia jellemzi,
- a lézersugárzásban egyszerre több, párhuzamosan és együtt rezgő fényhullámok vannak jelen.
A lézersugaras jelöléstechnológia
A hagyományosnak tekinthető jelöléstechnológiákkal – címkenyomtatás, tintasugaras nyomtatás stb. – szemben a lézersugaras jelöléstechnológia előnyei: a folyamat ismételhetősége, a tartósság és az érintésmentes megmunkálás nagy megbízhatósága.
Környezetünkben számos elektronikai eszközt alkalmazunk – mobiltelefon, számítógép, háztartási és szerszámgépek, járműelektronikai alkatrészek stb. -, amelyek nélkül ma már el sem tudjuk képzelni életünket. Az elektronikai alkatrészeket és termékeket nagy mennyiségben – több millió – gyártanak. Megbízhatóságuk és eredetiségük érdekében a gyártásnál felhasznált alkatrészek és termékek azonosítása szükségessé vált.
Az elektronikai termékekkel szemben elvárjuk, hogy megbízhatóan működjenek. Gondoljunk csak egy laptop vagy mobiltelefon működésére, mely rengeteg adatot tartalmaz, és szinte nélkülözhetetlenek a munkában. Lehetséges, hogy a termék meghibásodik, vagy esetleg ellopják, de az is előfordulhat, hogy hamisítvány kerül a kezünkbe. Azért, hogy az alkatrészek és a termékek a későbbiekben is pontosan és biztonsággal beazonosíthatók legyenek, a gyártók olyan jelöléseket alkalmaznak, melyek nem, vagy nehezen tűntethetők el. A címke leszedhető, a tinta lemosható, de a termék anyagába lézersugárral jelölt termékazonosító egyáltalán nem vagy csak durva csiszolással tűntethető el, ami viszont roncsolja a terméket.
A végleges és tartós lézersugaras jelöléssel a gyártók megvédhetik termékeiket a hamisítók ellen és egyben könnyen azonosíthatóvá tehetik termékeiket. Megjegyezném a tartós jelölés mellett a gazdasági és környezetvédelmi előnyöket is. A jelöléssel és termékazonosítással a gyártásban felhasznált alkatrészek mennyisége pontosan ismertté válik. Ennek birtokában könnyen számolható a keletkezett selejtek mennyisége, amely legtöbbször hulladékként kerül ki a gyártásból.
Nyomon követhetőség
Az elektronikai iparban a termékek és alkatrészek azonosítására leggyakrabban az ID (vonalkód) vagy a 2D (Datamátrix kód) adatrögzítési formákat alkalmazzák. A lézersugárral történő adatrögzítés a termékek azonosítására, a felületszerelési technológiában az egyes szerelési műveletekhez tartozó berendezések automatikus indítására és a termékek nyomon követhetőségére is kiválóan alkalmazható. Ha a gyártás közben hibás termék (selejt) keletkezik, vagy a készülék használata során következik be a hiba, akkor ezek okainak kivizsgálásához és kiküszöböléséhez nélkülözhetetlen, hogy utána tudjunk járni a gyártási paramétereknek, melyeket az azonosító kódban rögzített karakterek tartalmaznak. Ilyen paraméterek lehetnek: a gyártás dátuma, gyártósor, műszak, a termék típusszáma, sorozatszám stb. Amennyiben a gyártás közben növekvő sorozatszámot is kódolunk a termékazonosítóba, elkerülhető az úgynevezett gyártási „klónok” keletkezése, vagyis a kód által minden termék egyedivé válik.
Jelölhető anyagok
Ahhoz, hogy lézerberendezéseket alkalmazzunk, mindenekelőtt néhány alapelvet kell tisztázni. Az egyes anyagok nem egyformán nyelik el a különböző hullámhosszúságú lézersugarakat, ezért minden alkalmazásban meg kell vizsgálni, milyen lézerberendezést kell vagy lehet használni. A lézersugárral történő jelölési művelet – a munkadarab anyagától és a lézersugár által kiváltott kölcsönhatástól függően – többféle módon is történhet. Ezek alapján megkülönböztetünk: rétegleválasztást, gravírozást, színezést, hőkezelést és habosítást.
Az elektronikai iparban nagyon sok területen alkalmazzák már a lézersugaras jelöléstechnológiát:
- a felületre szerelhető alkatrészek (például kondenzátor) jelöléséhez – színezés vagy gravírozás,
- az áramköri lemezek jelöléséhez – forrasztásgátló lakkréteg leválasztása – rétegleválasztás,
- műanyag alkatrészházak jelöléséhez – a műanyag habosítása és színváltozása,
- fém alkatrészek gravírozása vagy színezése,
- lakkozott vagy festett műanyagok vagy fémek – a réteg leválasztása vagy színváltoztatása,
- nyomtatott áramköri lapok sorjamentes leválasztása a tartó elemről stb.
A felhasználási lehetőség széles, ezért a lézersugaras jelölés választásakor első és legfontosabb kérdés, hogy a lézersugaras jelölést milyen célból kívánjuk alkalmazni. A lézerberendezés megválasztásakor pedig – a második legfontosabb kérdésként – figyelembe kell venni a jelölendő termék anyagát.
Jelölő lézerberendezések:
Az iparban alkalmazott lézersugaras jelöléstechnológia hatékonysága abban rejlik, hogy a termékre rövid idő alatt érintésmentesen jelölhető a termék azonosítására szolgáló szöveg vagy termékazonosító kódforma. Az, hogy melyik típusú lézerberendezést milyen célból érdemes alkalmazni, attól függ, milyen anyagba és mekkora méretben szeretnénk elkészíteni a feliratot vagy adatformánkat.
Például az áramköri lemezek lézersugaras jelöléséhez, amely során a forrasztásgátló réteget távolítják el, leggyakrabban a következő lézerberendezéseket alkalmazzák:
- a klasszikus felépítésű, impulzus üzemű Nd:YAG/YVO4 (hullámhossz 1064 nm) szilárdtest-lézerforrás,
- a folyamatos vagy impulzus üzemű CO₂ gáz-lézerforrás (hullámhossz 10600 nm),
- az új felépítésű, impulzus üzemű, szilárdtest szál-lézerforrást (fiber-lézerforrás, hullámhossz 1064 nm), vagy
- a frekvencia-háromszorozással működő Nd:YAG/YVO4 (hullámhossz 355 nm) szilárdtest-lézerforrás.
A termék nyomon követhetősége és az azonosítás feltétele, hogy a lézersugárral készült kód visszaolvasható legyen mind a gyártási folyamat során, mind a termék későbbi beazonosítása céljából. A tömeggyártásban egyre nagyobb az igény a berendezés működésének megbízhatóságára, termelékenységére és a gyors és egyszerű karbantarthatóságára. Mindemellett a berendezés megválasztásakor fontos szempont, hogy hosszú távon a berendezések karbantartási és fenntartási költsége mekkora volument képvisel.
(Az elektronikai iparban leggyakrabban alkalmazott jelölő lézerberendezéseket az 1. táblázat tartalmazza.)
A lézersugárzást egy másik, gerjesztőfény (pumpálás) által tudjuk létrehozni. A szilárdtest-lézerforrásokat pl. lámpákkal vagy lézerdiódák fényével lehet gerjeszteni (pumpálni). A klasszikus szilárdtest-lézer berendezések (pl. Nd:YAG) hatásfoka (lámpapumpált ̴ 1…3%, lézerdióda pumpált ̴ 10%) meglehetősen alacsony, ezért sokszor a néhányszor tíz watt teljesítményű lézerforrást néhány tíz kilowattal kell gerjeszteni. Emiatt nagy mennyiségű hő keletkezik, ezért a folyamatos levegő-és/vagy vízhűtés elengedhetetlen.
Az Nd:YAG- és a fiber-lézerforrások sugárfolt átmérője közel azonos nagyságú, de ez nagyban függ az optikai lencsék tulajdonságaitól és paramétereitől is. Az Nd:YAG/YVO4 lézerforrások tulajdonsága, hogy viszonylag alacsony átlagteljesítménnyel működnek, de nagy impulzus-csúcsteljesítményt adnak le. A fiber-lézerforrások nagy előnye az eddigi jelölő lézerforrásokkal szemben, hogy egy adott fiber-lézerrendszer 1,5 x…2 x-szer termelékenyebb lehet az Nd:YAG-rendszereknél, mert a fiber-lézerrendszerben – az optikai szálnak köszönhetően – sokkal egyszerűbb a lézersugárzás gerjesztése, ezért sokkal nagyobb ( ̴35-40%) hatásfokkal működnek, mint a klasszikus szilárdtest-lézerforrások.
Néhány esetben alkalmaznak UV és látható tartományban működő lézerberendezéseket is. Az UV-tartományban működő lézerberendezések: a frekvencia-háromszorozással működő Nd:YAG/YVO4 (hullámhossz 355 nm), és az Excimer (hullámhossz 193 nm) lézerberendezések. Az UV-lézersugárral történő jelölés nagy előnye, hogy szinte minden anyagot jelölnek, és nagyon szép jelölési minőség érhető el velük. Azonban a tömegtermelésben jelölési sebességüket már hátrányként említeném, mivel nagyon lassan jelölnek, a ciklusidőt ezzel nagyban megnövelik. Továbbá hátránynak tekinthető a jelölési területek nagysága, mivel lencserendszerüknek köszönhetően a lézersugár az 1. táblázatban felsorolt lézerrendszerekhez képest sokkal kisebb jelölési területet képesek bepásztázni. Hátrányként említeném vételárukat is. Az UV-tartományban működő lézerrendszerek egy fiber-lézerforrás kétszeres vagy háromszoros vételárát is meghaladhatják. Az Eximer lézerberendezést leggyakrabban az orvosi műszerek és a szemüveglencsék jelölésére alkalmazzák. Az UV-lézerforrásokat jellemzően műanyagok és nemesfémek jelölésére használják.
A látható tartományban is működnek jelölő lézerberendezések. Ilyen az 532 nm-es hullámhosszú lézersugárzást kibocsátó, frekvenciaduplázással működő Nd:YAG/YVO4 vagy fiber-lézerforrások. Az UV-tartományban működő lézerrendszerekhez hasonló előnyökkel és hátrányokkal rendelkeznek, mindössze a jelölési területük nagyobb, és némileg kevesebb a vételáruk, de még mindig igen magas.
Összefoglalóan elmondhatjuk, hogy az adott anyaghoz az anyag felületén a legjobb jelölési minőséget és sebességet biztosító lézerberendezést kell választani, de nem elhanyagolható, hogy mekkora az adott gép vételára, valamint karbantartási igénye és költsége. A fentiekben összehasonlított, az elektronikai iparban leggyakrabban alkalmazott lézerrendszerek bármelyike alkalmas lézersugaras jelölésre, de a jelölési lehetőségeket elsősorban a jelölendő anyag határozza meg. A lézersugaras jelöléstechnológia legfontosabb előnyei a hagyományos technológiákkal szemben:
- a munkadarab mechanikai tulajdonságai nem befolyásolják a jelölési technológiát – rugalmas folyamat,
- kiváló jelölési minőség és ismételhetőség – precíz folyamat,
- nagy sebesség – gyors folyamat,
- érintésmentes megmunkálás – nincs kopás, és a munkadarab igénybevétele minimális,
- könnyen integrálhatók gyártósorokba a vezérlő számítógépnek és interfészeknek köszönhetően – gyors átállás valósítható meg,
- anyagok széles skálája megmunkálható – mindig van lézersugaras jelölés megoldás,
- nehezen hozzáférhető helyek jelölése, ahol más technológiák csődöt mondanak.
1. táblázat – Az elektronikai iparban leggyakrabban alkalmazott jelölő lézerberendezések:
2. táblázat – Lézerrendszerek fontosabb jellemzői:
