PT1641572E

PT1641572E - Remoção por laser de uma camada ou revestimento de um substrato

Info

Publication number: PT1641572E
Application number: PT04743293T
Authority: PT
Inventors: Adrian Thomas; Jonathan Davies; Peter Hugh Dickinson
Original assignee: Spectrum Technologies Plc
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2012-03-22
Also published as: ATE538880T1; EP1641572B1; US20050006345A1; US7632420B2; JP2007516083A; DK1641572T3; JP5074026B2; KR20060036076A; WO2005005065A1; PL1641572T3; ES2379342T3; EP1641572A1

Description

ΕΡ 1 641 572/PT

DESCRIÇÃO "Remoção por laser de uma camada ou revestimento de um substrato"

Este invento refere-se a um método para remoção de uma camada ou revestimento de um substrato de acordo com a reivindicação 1 e em particular, mas não exclusivamente, à remoção por laser do revestimento isolante ou "laca" de um condutor como um passo preliminar para efectuar uma ligação eléctrica por e.g. soldadura por pontos, soldadura, cravação etc. A US-A-6348241 revela um tratamento para as superfícies internas de garrafas de gás metálicas para remover camadas de óxido (de metal) da superfície interna. Os óxidos de metal são absorventes ao comprimento de onda estipulado do processo por laser e deste modo é óbvio que uma radiação laser é absorvida na superfície do revestimento a ser removido. A US-A-5151134 revela um método para limpeza de poluentes de uma superfície utilizando um laser. 0 laser está associado ao poluente a ser removido com a sua frequência situando-se no espectro de absorção do material poluente, a radiação laser é por isso absorvida pelo poluente. A US-A-6509547 revela um método para descascamento por laser de fibra óptica e cabo plano. 0 laser tem uma densidade de energia suficiente para ablacionar ou remover alguma da camada protectora e tipicamente remove uma pequena fracção protectora da espessura total a cada passagem. A radiação laser está por isso associada ao revestimento em vez de ao substrato. A FR-A-2692822 revela um método de tratamento de superfície por laser para remoção de uma superfície exterior em que a energia do laser está associada à camada de superfície em vez de passar de modo transparente através desta para a interface. A US-A-6468356 revela um método de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1, para remover resíduos de 2

ΕΡ 1 641 572/PT material de moldagem por aplicação de um primeiro feixe laser pulsado a um comprimento de onda que é absorvido pelos resíduos de material de moldagem para atacar directamente resíduos maiores do que uma espessura predeterminada, e aplicação de um segundo feixe laser pulsado a um comprimento de onda diferente ao qual resíduos de material de moldagem de espessura inferior à espessura preferida são pelo menos parcialmente transparentes, para gerar um plasma, que vaporiza o resíduo de material de moldagem.

Num aspecto este invento proporciona a método para remover pelo menos parcialmente uma camada ou revestimento de material de um substrato, o referido método compreendendo o passo de: dirigir ao referido substrato um feixe pulsado de radiação laser de comprimento de onda seleccionado tal que a camada ou revestimento é substancialmente transparente à referida radiação laser, onde o referido feixe pulsado de radiação é controlado para causar um efeito de onda de choque na interface entre a referida camada ou revestimento e o referido substrato para efectuar a separação local da referida camada ou revestimento do referido substrato.

Formas existentes de descascador de fios a laser operam por vaporização do isolamento a partir do exterior enquanto nas concretizações preferidas deste invento a remoção é efectuada criando um efeito de interacção na interface entre o substrato e a camada ou revestimento para criar uma onda de choque ou similar que causa separação local, em vez de depender apenas de uma técnica de vaporização.

Preferivelmente, o revestimento ou camada é substancialmente transparente à referida radiação laser ao seu comprimento de onda de operação. A radiação laser pode ter tipicamente um comprimento de onda entre, digamos, 200 nm e 12 pm e pode ser convenientemente gerada por um laser NdYag. O laser é preferivelmente um laser de Q comutado gerando impulsos curtos com um comprimento do impulso típico entre 1 nano-segundos e 300 nano-segundos ou superior. A taxa de repetição de impulsos do laser está tipicamente entre 1 kHz e 30 kHz ou superior. 3

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Numa concretização preferida particular, a camada ou revestimento inclui um material dieléctrico tal como um material de poli-imida ou plástico. 0 substrato pode ser tipicamente um condutor tal como cobre ou um material à base de cobre.

Preferivelmente, o referido feixe de radiação pulsada é eficaz também para decapar ou limpar a superfície do substrato adjacente à interface. Isto é particularmente útil para remover e.g. óxidos de metal para deixar uma superfície nua particularmente adequada para processamento adicional.

Preferivelmente, durante o tratamento, o feixe pulsado de radiação laser é movido em relação ao substrato numa direcção de varrimento (ou vice versa) e pelo menos um dos parâmetros seguintes é controlado para causar remoção de uma faixa em movimento da referida camada ou revestimento: velocidade de varrimento potência de pico do laser taxa de repetição de impulsos do laser tamanho de ponto.

Preferivelmente, o referido feixe pulsado de radiação é varrido sobre uma região seleccionada do referido substrato numa primeira etapa de varrimento para efectuar uma remoção inicial da referida camada ou revestimento, e é depois varrido sobre a referida região numa segunda etapa de varrimento para efectuar a limpeza de restos residuais.

Um equipamento para remover pelo menos parcialmente uma camada ou revestimento de material de um substrato, adequado para realizar o método da reivindicação 1 compreende: meios para dirigir ao referido substrato um feixe pulsado de radiação laser de comprimento de onda seleccionado tal que o revestimento ou camada é substancialmente transparente à referida radiação laser, para causar um efeito de onda de choque na interface entre a referida camada ou revestimento e o referido substrato, para efectuar a separação local da referida camada ou revestimento do referido substrato. 4 ΕΡ 1 641 572/ΡΤ Ο invento pode ser realizado de vários modos e para uma sua melhor compreensão serão agora apresentados exemplos não limitantes específicos, sendo feita referência ao desenho apenso, no qual: A Figura 1 é uma vista esquemática de um descascador de fio por laser adequado para realizar o método deste invento.

Na Figura mostra-se um laser 10 que dirige um feixe pulsado 12 de radiação laser para um fio de cobre 14 possuindo um revestimento 16 de material de poli-imida, para criar um efeito de interface na interface entre o revestimento 16 e o fio 12 para fazer com o revestimento se fragmente e seja descolado por um efeito de onda de choque.

Exemplo 1

Um fio de cobre laçado com poliéster (imida) e com/sem acabamento poliamida-imida e com/sem uma capa de colagem, é tratado como descrito abaixo para remover a lacagem. Utiliza-se um laser NdYag de comprimento de onda 1064 nm possuindo um nível de potência média constante de 60 W, e um pico de 85 kW e um tamanho de ponto de cerca de 2 0 pm. 0 tamanho de ponto gera uma área ablacionada de cerca de 200 pm de diâmetro. 0 laser é de Q comutado para proporcionar um feixe pulsado de impulsos de entre cerca de 100 nano-segundos e 200 nano- segundos, que é varrido através da área a ser descascada. A taxa de repetição de impulsos neste exemplo é 3 kHz, a velocidade de varrimento é aproximadamente 1500 mm/s e a potência de pico é da ordem de 85 kW com um tamanho de ponto de 20 pm. Um comprimento de impulso típico do laser está entre 100 nano-segundos e 200 nano-segundos. A este comprimento de onda a laca é substancialmente transparente à radiação laser e o metal é altamente reflectivo (97%) mas não obstante absorve alguma da radiação laser. Constatámos no entanto que a radiação de impulso gerou um efeito na interface entre a laca e o metal subjacente similar a uma onda de choque que causou separação local da laca do fio em oposição à remoção a partir do exterior.

Controlando adequadamente a taxa de repetição de impulsos, o 5

ΕΡ 1 641 572/PT tamanho de ponto e a velocidade de varrimento fomos capazes de remover grandes quantidades de laca para deixar nua a superfície de metal. Adicionalmente notou-se que o processamento por laser teve um efeito benéfico adicional em termos de decapagem da superfície metálica para remover óxidos de metal, tornando assim esta adequada para soldadura etc.

Verificámos que, para um único varrimento, e com o equipamento particular utilizado neste exemplo, o limite inferior para a taxa de repetição de impulsos está na gama de 1 a 2 kHz a uma velocidade de varrimento de 1500 mm/s o que tende a dar somente uma sobreposição de impulsos apenas suficiente. Verificámos que o limite superior era cerca de 5 kHz a potência constante porque a frequências mais elevadas a potência de pico tende a cair. Claro que se a potência de pico do laser for mantida no intervalo preferido de 50-100 kW então a taxa de repetição de impulsos pode ser adicionalmente aumentada e noutro exemplo o laser foi operado a uma potência de pico de 1 MW, a uma taxa de repetição de impulsos de 10 kHz e a uma velocidade de varrimento de 2500 mm/s.

Verificámos também que em situações onde o primeiro varrimento não consegue o efeito pleno, um resultado aceitável pode ser conseguido por varrimento duplo, e.g. a potência de pico pode ser reduzida para um valor tão baixo quanto 1 a 25 kW com uma taxa de repetição de impulsos na gama de 10 a 3 0 kHz, mas então o laser tem de ter um varrimento mais lento, a cerca de 100 mm/s e o varrimento deverá ser repetido. 6

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Exemplo 2

Foi preparado um laser para operar com os parâmetros seguintes:

Taxa de repetição: 3,5 kHz Velocidade de varrimento: 400 mm/s Tamanho de ponto: ~ 50 pm Comprimento de onda: 1064 nm Energia por impulso: 15 mJ Largura de impulso: ~ 250 ns máx. Potência de pico: ~ 200 kW 0 tamanho de ponto, ainda que nominalmente 50 pm, afectou também a área circundante pelo que o tamanho de ponto efectivo em termos do efeito na interface foi cerca de 100 pm a 200 pm. Neste arranjo, o feixe foi varrido horizontalmente através do fio a ser descascado e preparado, isto é perpendicular ao eixo longitudinal do fio. O fio é varrido pelo feixe num primeiro passo de acordo com os parâmetros acima, com um passo ou espaçamento de cerca de 100 pm entre linhas de varrimento adjacentes. A primeira passagem remova a maior parte se não a totalidade do revestimento do fio, mas pode deixar alguns restos. Numa segunda passagem o fio é varrido com o feixe de laser pulsado a uma taxa de impulsos mais elevada (~8 kHz) e a uma velocidade de varrimento mais elevada (~1000 mm/s) mas em tudo o resto com os mesmos parâmetros como acima.

Será de notar porém que, em algumas aplicações a segunda passagem pode não ser necessária, por causa da natureza do revestimento e o efeito de interface pode significar que o revestimento se desprende em flocos maiores, deixando poucos ou nenhuns restos. 7

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Os vários parâmetros estão indicados na Tabela 1. TABELA 1

Parâmetro Intervalo Exemplo 1 Exemplo 2 Comprimento de onda 200 nm a 12 pm 1064 nm 1064 nm Comprimento de impulso 1 ns a 300 ns 100 ns a 200 ns 25 0 ns Taxa de repetição de impulsos 1 kHz a 30 kHz 3,5 kHz 3,5 kHz e 8 kHz Potência de pico do laser 50 kW - 1 MW 85 kW 200 kW Velocidade de varrimento 1 - 2500 mm/s 1500 mm/s 400 mm/s e 1000 mm/s Tamanho de ponto real 20 pm - 100 pm 2 0 pm 5 0 pm

Lisboa, 2012-03-12

Claims

ΕΡ 1 641 572/PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1. Método para remover pelo menos parcialmente uma camada ou revestimento (16) de material de um substrato (14), o referido método compreendendo o passo de: dirigir ao referido substrato (14) um feixe pulsado (12) de radiação laser de comprimento de onda seleccionado tal que a camada ou revestimento (16) é substancialmente transparente à referida radiação laser, caracterizado por o referido feixe pulsado de radiação laser ser controlado para causar um efeito de onda de choque na interface entre a referida camada ou revestimento (16) e o referido substrato (14) para efectuar a separação local da referida camada ou revestimento do referido substrato.
2. Método de acordo com a Reivindicação 1, onde a radiação laser tem um comprimento de onda entre 200 nm e 12 pm.
3. Método de acordo com a Reivindicação 2, onde a referida radiação laser é gerada por um laser NdYag (10).
4. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde a referida radiação laser é gerada por um laser de CO2 (10) .
5. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde a referida radiação laser é gerada por um laser de Q comutado (10).
6. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde o feixe pulsado (12) tem impulsos de comprimento de impulso entre 1 nano-segundo e 300 nano-se gundos.
7. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde a taxa de repetição de impulsos do feixe pulsado (12) está entre 1 kHz e 30 kHz. ΕΡ 1 641 572/PT 2/2
8. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde a camada ou revestimento (16) inclui um material dieléctrico.
9. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde o substrato (14) é um condutor de cobre ou de um material à base de cobre.
10. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes onde a camada ou revestimento (16) inclui pelo menos um óxido de metal.
11. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde o referido feixe pulsado (12) de radiação laser é eficaz também para decapar ou limpar a superfície do substrato (14) adjacente à interface.
12. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde o feixe pulsado (12) de radiação laser é varrido em relação ao substrato (14) numa direcção de varrimento e pelo menos um dos parâmetros seguintes é controlado para causar a remoção de uma faixa em movimento da referida camada ou revestimento (16): velocidade de varrimento potência de pico do laser taxa de repetição de impulsos do laser tamanho de ponto.
13. Método de acordo com qualquer uma das Reivindicações precedentes, onde o referido feixe pulsado (12) de radiação laser é varrido sobre o referido substrato (14) ao longo de linhas de varrimento espaçadas sucessivas.
14. Método de acordo com a Reivindicação 12, onde o referido feixe pulsado (14) de radiação é varrido sobre uma região seleccionada numa primeira etapa de varrimento para efectuar uma remoção inicial da referida camada ou revestimento (16), e é depois varrido sobre a referida região numa segunda etapa de varrimento para efectuar a limpeza de restos residuais. Lisboa, 2012-03-12