9月17-19日，第十一屆全國(guó)激光加工產(chǎn)業(yè)論壇在廣東中山舉行。在激光精密制造技術(shù)及裝備分論壇上， IPG在《激光光源在精密加工中的應(yīng)用》的主題演講中，除了對(duì)相關(guān)的脈沖激光器進(jìn)行介紹外，還介紹了IPG享有盛譽(yù)、極具革命性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)——QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器及其對(duì)陶瓷、藍(lán)寶石等材料的應(yīng)用。
氧化鋁（多晶Al2O3）和氮化鋁（AlN）被公認(rèn)為是超級(jí)導(dǎo)熱材料，廣泛用于各行各業(yè)，例如LED、RF、微波封裝等。在這些行業(yè)中，鉆孔速度與成型速度將直接影響生產(chǎn)成本。單晶Al2O3，也就是我們通常所說的藍(lán)寶石，硬度特別高，僅次于鉆石。與傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃相比，藍(lán)寶石不僅更堅(jiān)固，更耐劃，而且光傳輸從紫外線到近紅外，導(dǎo)熱性能也極佳，已經(jīng)大量應(yīng)用于LED 行業(yè)。它的另一個(gè)增長(zhǎng)點(diǎn)是消費(fèi)電子行業(yè)，可用于制造手機(jī)攝像頭、功能鍵甚至是整個(gè)顯示屏。
QCW對(duì)陶瓷、藍(lán)寶石等材料的加工應(yīng)用
與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用例如鈑金切割相比，進(jìn)行精密加工時(shí)所需用到的設(shè)備及工藝更強(qiáng)調(diào)精確度以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪M(jìn)程控制。由于這些應(yīng)用往往對(duì)熱能很敏感，對(duì)精確度有極高的要求，所以，所選激光器的類型、規(guī)格、光學(xué)系統(tǒng)及硬件配置對(duì)于穩(wěn)定的規(guī)模生產(chǎn)而言至關(guān)重要。QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器提供了改良的、更加靈活的激光源，在降低成本的同時(shí)，為客戶提供了滿意的加工速度和質(zhì)量，可替代昂貴的皮秒激光系統(tǒng)。
工 藝
我們通過兩種準(zhǔn)連續(xù)激光器：YLM-150-1500-QCW 和YLR-300-3000-QCW，對(duì)氧化鋁、氮化鋁、藍(lán)寶石等材料進(jìn)行鉆孔、劃線與切割。
YLM-150-1500-QCW 采用單模光纖，芯徑14 μm，最大峰值功率1.5 kW，平均輸出功率150 W，連續(xù)模式時(shí)最高可達(dá)250 W
YLR-300-3000-QCW 采用多模光纖，芯徑50 μm，最大峰值功率3 kW，平均輸出功率300 W
脈沖周期在10 μs至50 ms范圍內(nèi)可調(diào)，實(shí)際范圍取決于操作模式及參數(shù)設(shè)置
熱加工時(shí)脈沖周期相對(duì)較長(zhǎng)，基板的局部溫度超過熔點(diǎn)，輔助氣體（如空氣、氮?dú)狻⒀鯕饣驓鍤猓┮晕锢硇问角謇砘迳系娜廴谖铩?/div>
光束通過帶有一定焦距的準(zhǔn)直鏡（一般焦距范圍為50-150 mm）經(jīng)聚焦后至切割頭。聚焦鏡的焦距根據(jù)所需應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，一般為50-200 mm。輔助氣體經(jīng)過切割頭，經(jīng)過與光束同軸的噴嘴排出。噴嘴的直徑以及噴嘴到目標(biāo)之間的距離取決于所需應(yīng)用，但直徑和距離通常均為0.5-1 mm。用戶可以通過設(shè)定脈沖周期、重復(fù)頻率、峰值功率、平均功率（占空比）、切割速度、氣體類型及壓力等操作參數(shù)，控制熱響應(yīng)區(qū)。
鉆 孔
用光纖激光器鉆孔時(shí)，一個(gè)脈沖一個(gè)孔，所以準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器在鉆孔速度上極具優(yōu)勢(shì)。我們選取了厚度為635 μm的氧化鋁（96%），以300 孔/s的速度打孔，孔間距為150 μm，基板在光束下方以45 mm/s的速度線性移動(dòng)，單模光纖，脈沖周期200 μs。當(dāng)然，脈沖周期越短，鉆孔速度就越快，直至達(dá)到最大化。這也就是說，操作過程中存在一個(gè)平衡鉆孔質(zhì)量、脈沖能量及脈沖周期的最佳峰值功率。一般來說，基板越厚，脈沖能量就越高，和/ 或脈沖周期也就越長(zhǎng)。
圖1 635 μm氧化鋁（96%）鉆孔，300 孔/s
圖1 所示為鉆孔的入口端及出口端。鉆孔出口端以顯微鏡手動(dòng)測(cè)量為22±3 μm，入口端為49±3 μm?；逶诓僮髑耙呀?jīng)過覆壓，打孔后進(jìn)行清潔/拋光。
在實(shí)際應(yīng)用中，除了能夠很好地?zé)g之外，我們還要能夠調(diào)整孔的大小。通常情況下，高功率密度能產(chǎn)生穩(wěn)定的燒蝕，然后在氧化鋁上形成孔。然而，對(duì)于氧化鋁這樣不易燒蝕的材料而言，僅僅依賴高功率密度就是不夠的，尤其是所需焦斑小于常規(guī)尺寸時(shí)。另一方面，用大幅提高峰值功率的方法來改善燒蝕，其結(jié)果往往會(huì)同時(shí)影響成孔質(zhì)量，所以人們常常用覆壓涂層的方法來輔助氧化鋁表面的燒蝕。（IPG微系統(tǒng)已經(jīng)推出了一種新的解決方案，通過改進(jìn)激光工藝的方式加強(qiáng)燒蝕，無需覆壓，但在某些時(shí)候可能還是需要用涂層來改善整體質(zhì)量，減少渣屑。）
圖2 381 μm氧化鋁（99.6%）鉆孔，750 孔/s
圖2 表示在厚度為381 μm的氧化鋁（99.6%）上以750 孔/s的速度鉆孔后孔的形態(tài)。經(jīng)測(cè)量，鉆孔入口端孔徑約37 μm，出口端約16 μm。該實(shí)驗(yàn)使用的是單模光纖。
圖3 381 μm氮化鋁鉆孔，300 孔/s
圖3 表示在厚度為381 μm的氮化鋁上，以300 孔/s的速度鉆孔。測(cè)量顯示入口端直徑約為42 μm，出口端約為31 μm。與相同厚度的氧化鋁相比，氮化鋁需要的峰值功率更高，脈沖周期更長(zhǎng)。
圖4 100 μm氧化鋁（99.6%）鉆孔，3000孔/s
圖4 表示在厚度為100 μm的氧化鋁（99.6%）上，以3000 孔/s的速度操作后觀察孔的形態(tài)。測(cè)量結(jié)果顯示，鉆孔入口端直徑約為33 μm，出口端直徑約為22 μm。
用戶可通過改變傳輸光纖的芯徑（比如改變激光器及其光纖，或是通過光柵/ 耦合連接更大的傳輸光纖）、傳輸（改變準(zhǔn)直鏡和/ 或物鏡焦距）、或是參數(shù)（通常為脈沖周期和/ 或脈沖能量，如峰值功率），調(diào)整孔的大小。
圖5 320 μm a) 氧化鋁以及b) 氮化鋁，鉆“大孔徑孔”
圖5a 表示用多模傳輸光纖在厚度為320μm的氧化鋁上進(jìn)行“大孔徑”鉆孔。鉆孔速度為100 孔/s，出口端直徑為320 μm。圖5b 表示在厚度為320 μm的氮化鋁上沿掃描方向鉆孔，孔間距325 μm，鉆孔速度同樣為100 孔/s。2000 余個(gè)鉆孔的測(cè)量結(jié)果顯示，入口端約105 μm，出口端約65±9 μm。
上述實(shí)驗(yàn)證明，在150 mm X 150 mm面積內(nèi)，鉆孔定位的精確性達(dá)到±5 μm，如果將正?？讖匠叽缭O(shè)為100%，則孔徑偏差可控制在±15% 范圍內(nèi)。在某些應(yīng)用中，偏差率還有望進(jìn)一步降低。
劃 線
陶瓷劃線的原理與鉆孔相似，也是通過一個(gè)脈沖在基板上形成一個(gè)盲孔，然后輔以適合的脈沖間隔，使其形成一條線。
圖6 635 μm氧化鋁劃線，200 mm/ s
圖6 表示厚度為635 μm的氧化鋁（96%），以200mm/s的速度進(jìn)行單孔爆破，單孔深度350 μm，孔間距約150 μm。本次實(shí)驗(yàn)所使用的脈沖周期小于100 μs。
圖7 381 μm氧化鋁和氮化鋁，300 mm/s，劃線
圖7a 表示在厚度為381 μm的氧化鋁（99.6%），劃線速度為300 mm/s；圖7b 表示在厚度相同的氮化鋁上，以相同速度劃線。本次實(shí)驗(yàn)所使用的脈沖周期小于50 μs。
切 割
我們?cè)诤穸葹?35 μm的96% 氧化鋁上，以140 mm/s的速度進(jìn)行切割演示。該切割實(shí)驗(yàn)使用的是單模準(zhǔn)連續(xù)激光器（如圖8 所示）。切割前覆壓，切割后清除，這一步驟主要是為了避免飛濺和重鑄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，切割完成質(zhì)量高，完全沒有任何渣滓或碎屑。當(dāng)氧化鋁的厚度降低為381 μm時(shí)，線性切割速度更可高達(dá)250mm/s（如圖9 所示）。
圖8 切割635 μm氧化鋁（96%），140mm/s
圖9 切割381 μm氧化鋁（99.6%），250 mm/s
準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器還可用于藍(lán)寶石的切割。圖10 為消費(fèi)電子行業(yè)用到的一些典型切割形狀。
圖10 QCW準(zhǔn)連續(xù)激光器對(duì)藍(lán)寶石多種形狀切割
圖11 用QCW準(zhǔn)連續(xù)激光器切割不同厚度的藍(lán)寶石部件
基板厚度在mm范圍內(nèi)時(shí)，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器在切割速度及切割質(zhì)量方面均表現(xiàn)出眾，無裂縫或碎屑，表面粗糙度一般在2 μm以下（如圖11 所示）。在實(shí)驗(yàn)中，厚度分別為0.4 mm、1 mm、3 mm的藍(lán)寶石部件的切割速度可以達(dá)到12 mm/s、9 mm/s、3 mm/s。當(dāng)然，實(shí)際切割速度將取決于切割形狀及切割質(zhì)量。
與QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器相比，綠光光纖激光器適用于那些不易通過近紅外波段加工的材料，如PEEK、硅膠、環(huán)氧樹脂、FR4，堪稱QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的“最佳搭檔“。它的脈沖周期更短，可以對(duì)金屬或陶瓷進(jìn)行精細(xì)加工。
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