皮秒激光在精密加工领域的应用

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玻璃、蓝宝石和陶瓷是普遍应用于微加工技术和精细加工的材料。然而,它们给传统的制造工艺带来了越来越多的挑战,这种挑战也给强大的超短脉冲激光器赢得了更多机会。 这些材料优质的属性对很多产品来说是不可或缺的:玻璃用来制作智能手机的显示屏,显示屏有着钢化的外壳 ;陶瓷坚硬,化学性质稳定,可用来制作电子零部件和电路基板,以及电气绝缘体。蓝宝石极其坚硬,耐划伤,适合用于半导体和 LED 技术。但玻璃、 陶瓷、 和蓝宝石有个共同点就是很难加工。由于它们易碎而且都是非常坚硬的材料,他们挑战着铣、 钻、 磨等传统制造工艺的极限。加工这些材料时刀具磨损快,并且需要好几个加工环节才能得到足够好的加工质量。

1、在坚硬、易碎的材料上使用激光光束

激光光束在坚硬、易碎的材料特别能展现出良好的效果。它们不会磨损且能聚焦到最小直径。扫描振镜能灵活定位光束,能几乎满足各种形状轮廓的加工需要。超短脉冲激光器特别适合加工易碎的材料。对于小于100 ps的激光脉冲,在热传导到周边的材料上之前,被加工区域的材料已经汽化了。只要激光参数精确调整到和应用相匹配,那么就不需返工。对可见光以及近红外的光谱范围内的光来说,很多像玻璃这样的宽带隙电介质是透光的。然而,高强度的皮秒脉冲能通过多光子电离产生自由电子。大量连续的电离进一步释放电荷载体,这些电荷载体能够破坏材料中的化学键,最终达到烧蚀材料的目的。

2、低热输入避免产生裂缝

当加工易碎材料时,避免产生小裂缝是经常要遇到的挑战,这些小裂缝会削弱零部件的强度。产生裂缝的一个原因是过度的热量进入了零部件。热量导致材料膨胀,加快了裂缝的生成。适当的加工策略可以防止小裂纹的形成。这其中就包括精准定义加工参数,如脉冲能量、 脉冲重叠度、 重复频率、 焦点直径和激光加工次数。最佳工作点取决于材料、 加工形状、加工时间和质量的要求,并通过应验试验加以确认。位于德国南部Ditizingen的Trumpf公司和德国西部 Aachen的Fraunhofer激光技术研究所开展联合研究,发展了优化激光加工脆性材料效果的理论基础。

3、加工强化玻璃

智能手机的兴起加大了显示屏的重要性。智能触摸显示屏(触摸屏)已经超越了手机键盘成为最主要的用户界面。典型的智能手机包括四块玻璃平板:两块在显示屏上,容纳薄膜晶体管和液晶材料;一块提供触摸功能;还有一块化学钢化玻璃盖板保护底层免于划伤,冲击损伤和脏物。由于用户想要轻便、纤薄的智能手机,更薄的玻璃面板被使用。典型的玻璃显示面板为0.3 mm厚;化学钢化玻璃盖板0.7 mm厚。这使得传统的切割工艺达到了极限。切削轮子已经不适合加工这种玻璃,因为他们都经过特殊的化学强化处理,而铣削加工则需要大量研磨和抛光上的返工工作。

红外和绿光波长的超短脉冲激光器正好可用于这种材料的加工。皮秒脉冲能减少裂缝的产生,切割质量远远超过普通的铣削加工。激光光束多次扫过被加工材料来实现切割。速度,边缘质量和边缘的角度可以由加工策略来决定。相对于其他的激光工艺,烧蚀工艺更稳妥:例如,轻微变形的玻璃并不影响加工结果。在测试中,使用绿光皮秒激光器,”Corning Eagle XG”的弯曲强度达280兆帕。使用红外皮秒激光器的测试结果表明速度增加三倍,边缘的弯曲强度略低。

更强大的皮秒激光器使我们有更大的机会来提高加工玻璃的效率。我们比较钢材和玻璃的烧蚀速度以及加工效率时这种机会尤为明显。由于等离子体屏蔽的原因,钢材的烧蚀效率在5 J/cm2的脉冲能量密度时开始降低,而玻璃允许更高的脉冲能量密度,直到加工效率达到最高。因此当加工玻璃时,更高的脉冲能量可以转化为更高的烧蚀效率。

4、适用于任何棘手情况的蓝宝石

蓝宝石是地球上仅次于钻石第二坚硬的材料,很难使用机械的方法来加工。使用激光器来切割蓝宝石是当今LED制造业的标准加工方法,蓝宝石在这里用作基板衬底。由于其抗划伤性和透光性,蓝宝石会用来生产手表和光学仪器的保护镜面。 当加工细小的轮廓时,超短脉冲激光器可以实现精准的加工。例如当切割圆形部件和钻微孔时,柔性的轮廓加工可以通过高速扫描器来实现。超短脉冲除去了加工时的热影响,从而产生极好的切割边缘质量。卓越的加工质量取决于加工方法、 除尘和工件夹具之间的适宜的配合。 例如,将脉冲能量为250 μJ的激光光束分成两个125 μJ的独立激光光束同时加工两个零部件就可以获得更高的产量。

5、陶瓷

工程陶瓷经常会用于暴露在高温或要求耐磨损的零部件上。在许多应用中,对材料的电绝缘性要求很高。例如,工程陶瓷用于汽车行业中传感器芯片的PCB材料,用于油泵的耐磨损贮存材料,或用于食品行业中喷嘴材料。最常见的工程陶瓷材料有氧化铝,氮化铝和氧化锆。 激光非常适合在薄陶瓷上钻孔,切割或者结构处理。例如,使用红外超短脉冲激光器可以以高达10 mm/s的速度切割0.3 mm厚的氧化锆板。超短脉冲可产生平滑,无裂纹的切割边缘。鉴于超短脉冲激光锐利的聚焦特性,他们非常适用于打孔:能在0.5 毫米厚的氧化铝和氮化铝陶瓷上钻出直径为60 μm的孔。打孔速度可达每秒20个孔。在划片-裂片的工艺中,激光切割到材料的三分之一厚度,然后用机械方式裂片,速度可达50 mm/s。