文稿/安揚激光

傳統的薄脆性材料和薄膜材料的加工方法麵臨挑戰近幾年來，隨著人們對生活質量要求的提高，國內的消費類電子，清潔能源，新能源汽車，生物醫療以及半導體等行業得到了蓬勃的發展。激光尤其是超快激光在這些高端智能製造領域的作用得到越來越多的體現。

 

玻璃、藍寶石和陶瓷等脆性材料，憑借著自身具備的獨特物理化學特性在手機，平板，觸摸屏產(chan) 品裏得到了廣泛的應用。例如玻璃用作於(yu) 智能手機的顯示屏；陶瓷用於(yu) 製作電子零部件襯底和絕緣材料；碳化矽材料製作芯片的晶圓，藍寶石用於(yu)  LED 襯底、手機攝像頭保護玻璃、智能手機顯示屏、智能手表的蓋板玻璃等。

 

在這些產(chan) 業(ye) 領域中使用的玻璃、碳化矽、藍寶石或陶瓷等材料，厚度通常較薄，硬度很高，非常易碎，而且加工精度要求越來越高。在加工要求上，上述應用通常需要在這些薄脆易碎的材料上實施非常精密的切割、鑽孔甚至開槽等加工過程，這使得機械加工工藝如銑、鑽、磨等麵臨(lin) 著極大的挑戰，因為(wei) 材料極薄極脆，加工過程中因接觸而施加到材料上的任何應力，都可能導致材料碎裂，最終報廢。而傳(chuan) 統的采用長脈衝(chong) 激光的加工工藝，由於(yu) 存在熱損傷(shang) ，以及由此帶來的加工麵毛刺，崩邊，甚至碳化等問題，使得其在薄脆材料加工領域受限。

 

同時，金屬材料加工領域，金屬箔或者薄片的加工也是超快激光應用的熱點。在電子產(chan) 業(ye) ，鋰電池產(chan) 業(ye) 以及光伏領域，銅箔，鋁箔以及不鏽鋼薄片的激光加工的需求日趨旺盛，並且，對此類材料的加工精度和加工速度的要求也越來越高。由於(yu) 金屬箔和薄片自身的一些特性，如材料自身極薄，具有高反射率，同時金屬的導熱性良好，使得傳(chuan) 統的激光加工工藝無法到達要求的加工質量。例如，采用納秒激光加工，由於(yu) 脈衝(chong) 持續時間較長，激光加工更容易造成金屬箔的熱損傷(shang) ，以及由熱損傷(shang) 帶來的材料變形和毛刺等。

 

高分子聚合物薄膜材料廣泛應用於(yu) 電子產(chan) 品，如FPCB覆蓋膜，OLED柔性顯示屏中的複合膜等，由於(yu) 材料極薄，如果采用納秒激光脈衝(chong) 加工，材料極易變形，甚至在加工麵的材料發生碳化。

 

激光加工領域中，傳(chuan) 統的基於(yu) 材料中電子通過對光子的共振線性吸收獲得熱能的熱熔性過程和“粗”加工方式，已不能滿足更精細的材料微加工的要求。無論是在非金屬加工領域，如薄脆性材料加工，還是金屬材料加工領域，如銅薄片鋁箔，以及有機高分子材料加工領域，采用飛秒超快激光技術的微加工技術備受關(guan) 注。

 

 

飛秒激光技術應對精細的微加工挑戰由於飛秒激光的超快速時間和超高峰值功率的特性，在飛秒激光用於材料加工時，具有如此高峰值光強和極短持續時間的光脈衝與物質相互作用，能夠以極快的速度將其全部能量注入到很小的作用區域，瞬間內的高能量密度沉積將使電子的吸收和運動方式發生變化，避免了激光線性吸收而導致能量轉移和擴散等的影響，從而在根本上改變了激光與物質相互作用的方式，使飛秒激光加工成為具有超高精度，超高空間分辨率，以及廣泛性的材料適應性的非熱熔冷處理過程，開創了激光加工的嶄新領域。

 

飛秒激光加工是基於(yu) 多光子非線性吸收和電離機製，而不是光子能量線性吸收而形成的熱積累，因此，避免了熱傳(chuan) 導效應。當飛秒光脈衝(chong) 作用於(yu) 材料的表麵或者透明材料的內(nei) 部，由於(yu) 光脈衝(chong) 的持續時間極短，光脈衝(chong) 的作用區域極小，光強度極高，通過非線性吸收過程，激光脈衝(chong) 的能量來不及向作用點周圍傳(chuan) 遞，光脈衝(chong) 的作用過程或者加工過程就已經結束，因此產(chan) 生的熱量幾乎可以忽略不計，被加工的材料幾乎沒有熱損傷(shang) 。

 

 

安揚激光技術有限責任公司的高功率超快光纖激光器及應用

安揚公司成立以來一直致力於(yu) 光纖型超快激光器及其核心器件的研發與(yu) 生產(chan) 。2017年安揚公司推出了50,100,200uJ脈衝(chong) 能量的飛秒光纖激光器係列。它能夠在500fs的脈衝(chong) 寬度下實現100W高平均功率和200MW超高峰值功率。其光纖模塊化的設計，穩定優(you) 異的光斑模式使它滿足於(yu) 大部分現有市場上的超快加工需求，並為(wei) 高效率超快精細加工提供了新的利器。

 

 

圖1安揚公司FemtoYL-100-500飛秒激光器

 

圖2安揚公司FemtoYL-100-500飛秒激光器輸出光斑

 

目前安揚公司FemtoYL-100-500飛秒光纖激光器已經應用於(yu) 多種材料的加工，如薄金屬的切割與(yu) 打孔，高分子聚合物薄膜的切割與(yu) 打孔，LCD顯示屏用的強化玻璃，以及碳化矽晶圓等。

 

1. 不鏽鋼薄片及金屬箔加工

圖3是0.05mm不鏽鋼薄片打孔的結果對比。 從(cong) 圖3（a）可以看出，納秒激光對不鏽鋼薄片打孔，在微孔的周圍通過肉眼可以明顯看到有不鏽鋼片變形、變色等，圖3（b） 是使用安揚飛秒激光器打孔，不鏽鋼片及微孔的周圍基本沒有熱損傷(shang) 材料，且微孔邊緣光滑。

 

（a） 

（b）

圖3:(a)納秒激光（b）安揚飛秒激光對不鏽鋼薄片打孔結果

 

2. NPI膜加工

使用安揚飛秒激光結合振鏡並采用環切方式在NPI膜上加工出10x10微孔陣列，NPI膜的厚度為(wei) 25um。從(cong) 圖4可以看出，微孔周圍的材料基本沒有變形，微孔邊緣基本無熱損傷(shang) 。

圖4飛秒激光在NPI膜上打孔的效果

 

3. 脆性材料的加工

 

如圖 5 所示，采用安揚公司500飛秒的紅外激光並結合振鏡係統對強化玻璃進行切割，玻璃厚度0.5mm，切割之後強化玻璃的邊緣光滑，沒有熱損傷(shang) ，且基本看不到蹦邊。

圖5玻璃切割

 

下麵圖 6 為(wei) 使用安揚公司 飛秒激光對金剛石進行切割的結果。切割後的邊緣整齊，崩邊小於(yu) 10um。

圖6金剛石切割

 

4. 采用超快激光對碳化矽晶圓隱切

碳化矽晶圓隱切工藝采用了安揚公司皮秒脈衝(chong) 激光配合聚焦物鏡，將激光脈衝(chong) 聚焦在碳化矽晶圓內(nei) 部。采用這種隱切方式對晶圓加工時，激光聚焦在的碳化矽晶圓內(nei) 部的高強度激光使碳化矽材料發生局部熔融，由於(yu) 熔融狀態下的碳化矽密度較結晶時高，所以在碳化矽熔融區會(hui) 留下一些小的真空孔隙。當該熔融區的溫度冷卻到熔點之下時，會(hui) 在熱應力作用下向焦點上下產(chan) 生龜裂。這種由內(nei) 而外的龜裂不會(hui) 在表麵產(chan) 生碎屑。同時，由於(yu) 激光脈衝(chong) 的持續時間極短，碳化矽熔融區域極小，產(chan) 生的龜裂的表麵裂紋極細。

 

碳化矽片材厚度300um,隱切後裂片，得出如下結果。

（a） 

(b) 

(c)

圖7碳化矽晶圓隱切的結果

 

從(cong) 圖  7(a) 為(wei) 切割後表麵裂紋，裂紋左右偏差在5um以內(nei) ，圖 7（b）示為(wei) 裂片後斷麵，圖   7（c）示為(wei) 裂片後邊緣圖，崩邊小於(yu) 5um。通過上麵顯微鏡放大的圖像可以看到，采用隱切工藝加工的晶圓，其邊緣很平整，熱影響區域很小，是一種窄化切割道的加工方式，能夠大大提高材料利用率。

 

 

超快激光技術發展展望

隨著激光技術的發展，激光器件向著更快脈衝、更高能量、更短波長的方向邁進，這給激光材料加工帶來了革命性的進步。這使得超快脈衝激光器越來越得到產業界的關注。這主要體現在超快脈衝激光加工可以得到遠高於長脈衝激光加工的精度，最高可以達到亞微米甚至納米。超快脈衝激光除了可以進行材料切割打孔等基本加工之外，還能夠實現材料表麵的加工與改性，對透明材料內部的加工與改性，實現了其他加工方法無法實現的高精度、複雜形狀元器件的加工。另外超快脈衝激光幾乎可以與任何材料相互作用，可用於激光加工的材料不受限製。對於超硬、易碎、高熔點、易爆等材料的加工，更具有其他方法所無法匹敵的優勢。

 

為(wei) 了適應激光產(chan) 業(ye) 的發展要求，安揚激光將不斷提高飛秒光纖激光的技術指標。未來安揚的工業(ye) 用飛秒激光器將全麵覆蓋100fs-10ps的脈衝(chong) 寬度區間以滿足不同材料在不同超短脈衝(chong) 寬度下移除效率的優(you) 化需求。同時為(wei) 了不斷降低客戶的單位使用成本和對加工宏觀物體(ti) 的需求，未來將實現500-1000W的平均功率和1mJ的脈衝(chong) 能量。

 

同時安揚公司的激光器的產(chan) 品設計將遵循平台化，通用化和模塊化的原則。安揚公司的平台化，通用化和模塊化產(chan) 品，不僅(jin) 能夠給產(chan) 業(ye) 界提供豐(feng) 富的產(chan) 品規格與(yu) 配置的選擇，還實現統一的操作界麵和運行方式，以及良好的繼承性，幫助客戶節約設計時間和成本，降低運營成本。