材 料 加 工
在材料加工領(lǐng)域,皮秒脈沖激光器被認(rèn)為是優(yōu)于納秒激光器的新工具。皮秒脈沖的使用減少了材料的熱損傷,從而使激光能夠更廣泛地滲透到制造業(yè)領(lǐng)域,例如用于打標(biāo)、鉆孔和切割。
盡管如此,由于飛秒激光技術(shù)的特性及其對材料加工的顯著改進(jìn),使得飛秒激光器在許多應(yīng)用中已經(jīng)成為“必須”的工具。IMRA America公司在2002年首次生產(chǎn)出用于材料加工的微焦量級的商業(yè)化飛秒FCPA激光器。[2]基于光纖技術(shù),F(xiàn)CPA成為構(gòu)建高峰值功率、高平均功率和高脈沖能量飛秒激光器的常用手段。
大體上說,飛秒脈沖激光器對熱影響區(qū)(HAZ)減少的水平,是其他激光器無法比擬的。接近手術(shù)水平地將能量輸送到工件,為FCPA在精密消費(fèi)電子零件制造(包括顯示器行業(yè))領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。
飛秒激光器在切割硅晶圓方面的應(yīng)用一直備受關(guān)注,因?yàn)轱w秒激光脈沖的高峰值功率,可用于消融硅晶圓和其他沉積在硅晶圓表面的材料,并且對相鄰組件的影響或熱損傷最小。通常,這些硅晶圓預(yù)先配置了切割通道。這些通道也用于芯片分割之前的探測和測試。因此,切割通道填充有傳感器和探測點(diǎn)。在這種情況下,飛秒光束用于去除那些附加的表面層,同時(shí)支持硅晶圓的隱形切割。由于飛秒激光脈沖在堅(jiān)硬、透明藍(lán)寶石襯底中獨(dú)特的強(qiáng)非線性吸收,飛秒激光器也是從藍(lán)寶石晶圓中分離出高亮度LED芯片的理想選擇。
玻 璃 加 工
一直以來,消費(fèi)電子行業(yè)切割和加工玻璃的主要方法都是機(jī)械方法。然而,使用飛秒脈沖激光加工玻璃的應(yīng)用正在興起。通孔鉆孔是一個(gè)例子,利用飛秒光束輻照玻璃,引起折射率變化。然后在酸浴中刻蝕玻璃,去除被輻照區(qū)域。這些零件用于多芯片平臺,產(chǎn)生高密度和快速芯片連接結(jié)構(gòu),使得垂直集成IC成為可能。
另一種應(yīng)用是在玻璃上刻圖和去除薄膜,就像對導(dǎo)電氧化銦錫(ITO)薄膜、電致變色薄膜和其他薄膜所做的處理一樣。
玻璃焊接也是一個(gè)感興趣的話題,因?yàn)樗皇褂谜澈蟿┗蛱盍?。這一點(diǎn)對于微電子封裝行業(yè)非常重要,因?yàn)樗藘?nèi)部污染和除氣的問題,并且省去了吸氣劑的使用(專門添加的物質(zhì)用于吸收這些不需要的物質(zhì))。在這個(gè)過程中,兩個(gè)玻璃零件光學(xué)接觸,并暴露于飛秒激光束中:飛秒脈沖的高峰值功率在玻璃中引起多光子吸收,局部熔化玻璃,以此將兩個(gè)零件焊接在一起,并產(chǎn)生持久的氣密封(見圖2)。
從頂部看到,兩個(gè)玻璃基板已經(jīng)通過飛秒激光焊接,留下四條由光學(xué)條紋包圍的垂直焊接線;插圖所示為其中一條線的特寫,表明焊縫寬度為100μm。
汽 車 行 業(yè)
飛秒脈沖激光在制造業(yè)的應(yīng)用將持續(xù)發(fā)展和擴(kuò)張。由于汽車行業(yè)需要高穩(wěn)定性、高可靠性以及創(chuàng)新性,因此飛秒脈沖激光備受汽車行業(yè)的關(guān)注。例如,目前飛秒激光器已經(jīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件(包括活塞)的大批量處理(見圖3)。
一家主流汽車制造商生產(chǎn)的飛秒激光紋理加工的活塞;表面紋理應(yīng)用于裙邊區(qū)域,以減少摩擦,提升潤滑功能。
提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的努力,正在推動(dòng)減輕車輛重量和提高運(yùn)行效率方面的工作。發(fā)動(dòng)機(jī)由更輕的鋁合金制成,而表面紋理和排線被應(yīng)用于移動(dòng)部件,以減少摩擦同時(shí)提高耐久性。這些合金的使用,迫切需要減少磨損和延長使用壽命的工程解決方案。與其他技術(shù)相比,例如機(jī)械刻劃表面、長脈沖激光打標(biāo),或者表面噴丸處理,飛秒激光交叉排線能夠有效地?cái)U(kuò)散相關(guān)油膜,并且顯著改善油保留。
這種紋理通常應(yīng)用于活塞的裙部區(qū)域,經(jīng)歷大部分接觸,結(jié)果表明在2000rpm的轉(zhuǎn)速時(shí),可減少高達(dá)25%的摩擦。飛秒激光器的使用還避免了劃線區(qū)域毛刺的形成,從而省去了對去毛刺工藝的需求,進(jìn)一步提高了制造效率。
FCPA在從醫(yī)療到汽車等各個(gè)市場領(lǐng)域的商業(yè)化,一直是可靠和創(chuàng)新產(chǎn)品工程的驅(qū)動(dòng)力。特定應(yīng)用的可靠性、激光行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)和測試協(xié)議的發(fā)展相結(jié)合,使得飛秒激光在要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行成為可能。
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