Inphocal heeft zijn focus op de lasermarkt

Met zijn optische technologie brengt Inphocal gefocuste laserstralen voorbij hun huidige beperkingen. Dat trucje heeft internationaal de aandacht getrokken want het Eindhovense ontwikkelteam won begin dit jaar een Innovation Award op de Consumer Electronics Show in Las Vegas. De HightechXL-startup verwacht dat de nieuwe lasertechnologie al dit jaar op de markt komt.

Martijn Boerkamp
28 april

Iedereen die weleens met een vergrootglas heeft gespeeld, weet dat lenzen licht focussen. Ze worden gebruikt in alledaagse voorwerpen, van de camera in je smartphone tot aan microscopen en telescopen. De principes achter het focusseren van licht zijn welbekend en worden al op de middelbare school onderwezen. De kennis staat zelfs al honderden jaren op schrift, sinds de dagen dat Galileo een telescoop naar de hemel richtte en Van Leeuwenhoek een microscopische wereld ontdekte. De toepassing ervan brengt echter ook beperkingen met zich mee die je moet meenemen in je systeemontwerp als je lenzen wilt gebruiken.

Gefocust licht heeft een breed scala aan toepassingen. In de halfgeleiderindustrie wordt het bijvoorbeeld gebruikt om chips op een wafer te scheiden, in een proces dat wafer dicing wordt genoemd. Dit gebeurde voorheen met een zaag. Het ruwe mes kan echter veel schade aanrichten en om dit te voorkomen, moet er voldoende ruimte tussen de chips zitten. Dat verspilde oppervlak betekent dat er minder chips op een wafer passen en met het wereldwijde chiptekort dat ons hard raakt, is meer natuurlijk beter dan minder. De opbrengst kan worden verhoogd met behulp van lasers, die op een heel klein plekje op de wafer scherp kunnen worden gesteld. Maar zelfs dit heeft zijn beperkingen, aangezien de laservlek niet eindeloos kan worden verkleind. De grenswaarde staat bekend als de diffractielimiet.

En dat is zeker niet de enige limiet die hoort bij een gefocusseerde laserstraal. Bij lasermarkeren, een veelgebruikte technologie in de voedingsindustrie, wordt zo’n lichtbundel gebruikt om houdbaarheidsdata rechtstreeks in materialen op een productielijn te branden. Door het laserlicht te focussen, wordt voldoende warmte gegenereerd om een afdruk op het product achter te laten. Het vereist wel dat een object precies op de juiste plek wordt geplaatst, omdat het licht snel divergeert nadat het zijn focuspunt heeft bereikt en de bundel dan zijn vermogen verliest om een markering achter te laten. Deze noodzaak voor nauwkeurige positionering beperkt de snelheid van markeren en limiteert het gebruik ervan tot platte objecten.

Inphocal heeft een prototype gebouwd op basis van het Cern-patent.

Een nieuwe optische technologie van Cern, het onderzoekscentrum voor deeltjesfysica op de grens van Zwitserland en Frankrijk, is misschien wel het antwoord om enkele van deze beperkingen te omzeilen. Het werd ontwikkeld als onderdeel van een project voor de precieze plaatsing van componenten in de enorme Large Hadron Collider-tunnel. Dat vereiste optische technologie die een laserstraal met weinig diffractie gebruikt. Deze optische bundeltechnologie is in 2018 beschikbaar gesteld door de afdeling Knowledge Transfer van Cern en opgepikt door de Eindhovense incubator HightechXL. Binnen zijn negen maanden durende Venture Building-programma zag Inphocal het potentieel om de laserverwerkingsmarkt op te schudden. De startup werkt nu met de technologie op basis van het Cern-patent en is bezig met het ondertekenen van een licentieovereenkomst.

Langere focus

Het unieke van deze nieuwe laserstraal ligt in zijn structuur, die wordt verkregen door een reeks optische componenten die vrijwel elke laserstraal omzet in een concentrische bundel, bestaande uit een centrale spot omringd door ringen. Het middelpunt behoudt een grote hoeveelheid vermogen over een relatief lange afstand, waardoor het focusgebied aanzienlijk wordt vergroot. Aan de andere kant, wanneer de bundel wordt gefocusseerd, wordt de centrale plek kleiner dan een diffractie-gelimiteerde laservlek. Beide kenmerken brengen de technologie voorbij de grenzen van conventionele optica.

De langere focus versnelt lasermarkeren in productielijnen op twee manieren. De laserstraal kan sneller gaan wanneer deze met een scanner wordt verplaatst, waardoor meer code of afbeeldingen binnen hetzelfde tijdsbestek kunnen worden afgedrukt. Daarnaast is het lasermarkeervenster verbreed, waardoor het mogelijk is eerder te beginnen en later te eindigen. Er kan meer dan tien keer zo veel inhoud worden beschreven in vergelijking met conventionele lasermarkeersystemen. Dit maakt de technologie concurrerend met inkjet waarbij het ook een schoner afdrukalternatief biedt.

De langere focusdiepte opent de deur voor lasermarkering op elke vorm of grootte.

De langere focusdiepte opent de deur voor lasermarkering op elke vorm of grootte. Er zijn systemen op de markt die de scherpstelling actief kunnen aanpassen, maar daarvoor is het nodig om de vorm te voelen en de lenspositie daarop aan te passen. Dit is een tijdrovend proces en werkt niet in een snel bewegende productielijn. Inphocal onderzoekt samen met groente- en fruitleverancier Nature’s Pride het gebruik van zijn langefocusstraal voor het direct markeren van logo’s en traceerbaarheidscodes op verse waren. Het zou het gebruik van stickers en etiketten elimineren en het plastic afval aanzienlijk verminderen.

Een langere focus kan ook grote impact hebben op het lasersnijden door dikke platen staal. Het snijproces creëert een geul met steile wanden die het inkomende laserlicht afsnijden. Al na de eerste centimeter gaat een factor tien aan snijefficiëntie verloren. Extra laservermogen wordt in het proces gepompt om dat verlies te compenseren, waardoor het gebruik wordt beperkt tot bedrijven die zich dergelijke extreem krachtige laserapparatuur kunnen veroorloven. Een langere focus zou dit efficiëntieverlies te boven komen en stelt lagere eisen aan het benodigde laservermogen.

Bij het snijden van wafers verkleint het focussen van licht op een kleinere plek de zone die wordt beïnvloed. Als dat verhitte gebiedje te groot wordt, kunnen chips beschadigd raken. Chipmakers houden hier in hun ontwerp rekening mee door ‘straten’ tussen de chips te creëren, ruimtes die zo groot zijn dat de chips veilig zijn. Een kleinere heat-affected zone vermindert het aantal beschadigde chips, maar zorgt er ook voor dat er meer chips op een wafer kunnen worden geplaatst omdat er minder ruimte wordt verspild aan de vrije straten. Beide effecten verhogen de opbrengst, waardoor het een duurzame manier is om het huidige wereldwijde chiptekort op te lossen.

Groot verschil

De laserindustrie vertrouwt nog altijd grotendeels op conventionele optica. Wat Inphocal toevoegt, is niet iets geheel nieuws maar een verbetering in het proces. Het bedrijf streeft ernaar om tegen 2025 de standaard te worden in laserverwerking, volgens een gefaseerde aanpak. De eerste systemen zijn klaar voor productie – om te worden gebruikt voor betaalde pilottests voor lasermarkeertoepassingen in productielijnen. Tegelijkertijd zal Inphocal fors investeren in r&d om andere veelbelovende markten te verkennen.

Om grote stappen te maken in het snijden van wafers, werkt Inphocal nauw samen met de Optica-afdeling van de Technische Universiteit Delft. Het bedrijf heeft al steun van enkele van de grotere spelers in de halfgeleiderindustrie. Met de huidige partnerschappen wil Inphocal een ideale driehoek creëren: een disruptieve technologie die nog wat fundamenteel onderzoek vereist maar die tegelijkertijd een snelle marktpenetratie mogelijk maakt. Uitbreiding van de toepassing naar de halfgeleidermarkt van miljarden euro’s heeft het potentieel om een groot verschil te maken, aangezien zelfs het toevoegen van een klein percentage aan extra opbrengst resulteert in een grote toename van de chipproductie.

Martijn Boerkamp is cto van Inphocal and freelance wetenschapsjournalist bij Coolscience.