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光纖激光器在微加工中的應用分析

時間:2015-01-21

    如今,激光工藝已廣泛應用于制造業,比如金屬的切割與焊接,其中一個重要領域就是激光微制造或是激光微加工。這里的“微”指的是基板厚度不足1毫米,尺寸測量精確至微米。與傳統的大規模生產應用,比如機撲焊接或是鈑金切割相比,進行微加工時所需用到的設備及工藝則更強調精確度以及嚴謹的進程控制。由于這些應用往往對熱能很敏感,對精確度有極高的要求,所以,所選激光器的類型、規格、光學系統及硬件配置對于穩定的規模生產而言至關重要。

  激光器的選擇取決于諸多因素,其中包括材料屬性、加工形狀、進程容差、所需產能等等。新型光纖激光器需要在降低成本的同時,提供改良的、更加靈活的激光源。

  棒式固態激光器有一個致命缺陷,即熱透鏡效應會導致平均功率受限。IPG推出的準連續摻鐿光纖激光器(QCW),具有高亮度/光束質量、高脈沖能量、高峰值功率及高平均功率,已成為替代照射棒或二極管泵浦固態激光器的理想選擇。這種風冷、緊湊型激光器,電光轉換效率超過30%,全程免維護,輸出波長1070nm,毫秒級“長脈沖”。另有“連續模式”可選。

  如果需要更短的脈沖(納秒級或是更短),用戶也有一系列覆蓋多波長、多脈沖能量、多平均功率/峰值功率的光纖激光器可供選擇。除了已有的1064nm 近紅外Q開關光纖激光器之外,還有新一代綠光(輸出波長為532nm)光纖激光器。IPG推出的脈沖型綠光光纖激光器的主要特點為峰值功率高,平均輸出功率可達50W,脈沖周期恒定為1ns, 頻率10到300kHz。光纖的脈沖能量和/ 或重復頻率可根據需要調整,不影響輸出光束的參數,M2 < 1.2,與傳統的激光器相比更高效、更緊湊,成本也更低。


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  雖然IPG光子有從紫外線到中紅外等一系列激光器, 但是本文將重在討論準連續光纖激光器及脈沖型綠光光纖激光器。接下來我們將通過實例研究這兩種激光器的工藝特點,探討其在規模生產中的應用。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  關于準連續光纖激光器,我們主要觀察了其在氧化鋁、氮化鋁、藍寶石等陶瓷土中的應用結果。氧化鋁(多晶Al203)和氮化鋁(AlN)被公認為是超級導熱材料,廣泛用于各行各業, 如LED、RF、微波封裝等。在這些行業中,鉆孔速度與成型速度將直接影響生產成本。另一方面,單晶Al2O3, 也就是我們通常所說的藍寶石,硬度特別高,僅次于鉆石。與傳統的光學玻璃相比,藍寶石不僅更堅固,更耐劃,而且光傳輸從紫外線到近紅外, 導熱性能也極佳。藍寶石作為一種能夠通過MOCVD擴大光發射外延層的材料,已大量應用于LED行業。在過去幾年里,藍寶石的應用隨著LED行業的發展出現了井噴式的增長,如背景照明,近年來更逐步推進至一般照明。另一個增長點是家用電子產品, 藍寶石可以用于制造手機攝像頭、功能鍵甚至是整個顯示屏。

  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,如聚合物(PEEK、硅膠、環氧樹脂、FR4),因此堪稱準連續光纖激光器的“最佳搭檔”。綠光光纖激光器脈沖周期更短, 因而可以對金屬或陶瓷土進行精細加工。我們隨我們將一一展示其在不同材料中的應用結果。

  準連續光纖激光器

  實驗所用激光器為YLM-150-1500- QCW光纖激光器,單模光纖(芯徑14微米),最大峰值功率1.5千瓦,平均輸出功率150瓦(連續模式時最高可達250瓦); 以及YLR-300-3000-QCW光纖激光器, 多模光纖(芯徑50微米),最大峰值功率3千瓦,平均輸出功率300瓦。兩者輸出波長均為1070nm。脈沖周期在10微秒至50毫秒范圍內可調,實際范圍取決于操作模式及參數設置。

  熱加工時脈沖周期相對較長,基板的局部溫度超過熔點,輔助氣體(如空氣、氮氣、氧氣或氬氣)以物理形式清理基板上的熔融物。其操作原理為光束/ 光纖通過帶有一定焦距的準直鏡(一般焦距范圍為50~150毫米),經聚焦后至切割頭。聚焦鏡的焦距根據所需應用進行調整,一般為50 ~200毫米。輔助氣體經過切割頭,經由一個與光束同軸的噴嘴排出。噴嘴的直徑以及噴嘴到目標之間的距離取決于所需應用,但直徑和距離通常均為0.5~1毫米。用戶可以通過設定脈沖周期、重復頻率、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,控制熱響應區。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  準連續光纖激光器有多種峰值功率、平均功率、脈沖周期、單模或多模可供選擇,聚焦光束的尺寸也能根據需要進行調整。單模光纖的光束質量可以精細至M2<1.05。由于光束幾乎可以達到衍射極限聚焦,這就使得光斑直徑能夠低至不足20微米,形成超乎想象的功率密度(107W/cm2)!通常這樣的功率密度對于大多數材料來說已經足夠產生耦合效應及局部燒蝕,即使某些材料對近紅外波段的線性吸收不強,如藍寶石和氧化鋁。雖然氧化鋁的光透射率遠遠低于藍寶石,但是由于其中的晶界、氣孔及雜質會對入射光形成吸收、反射和散射,所以,大體積氧化鋁對近紅外的吸收仍不甚理想。

    準連續光纖激光器的應用—— 鉆孔

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  用光纖激光器鉆孔時,一個脈沖一個孔,所以準連續光纖激光器在鉆孔速度上極具優勢。我們選取了厚度為635 微米的氧化鋁(96%),以300孔/秒的速度打孔,孔間距為150微米,基板在光束下方以45毫米/秒的速度線性移動,單模光纖,脈沖周期200微秒。當然,脈沖周期越短,鉆孔速度就越快,直至達到最大化。這也就是說,操作過程中存在一個平衡鉆孔質量、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。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測量為22±3um,入口端為49±3um。基板在操作前已經過覆壓,打孔后進行清潔/ 拋光。

  在實際應用中,除了能夠很好地燒蝕之外,我們還要能夠調整孔的大小。通常情況下,高功率密度能產生穩定的燒蝕,然后在氧化鋁上形成孔。然而,對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尺寸時。另一方面,用大幅提高峰值功率的方法來改善燒蝕,其結果往往會同時影響成孔質量,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微系統推出了一種新的解決方案,通過改進激光工藝的方式加強燒蝕,無需覆壓。當然,在某些時候可能還是需要用涂層來改善整體質量,減少渣屑。


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  圖2表示在厚度為381微米的氧化鋁(99.6%)上以750孔/秒的速度鉆孔后孔的形態。經測量,鉆孔入口端孔徑約37 微米,出口端約16微米。該實驗使用的是單模光纖。


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  圖3表示在厚度為381微米的氮化鋁上,以300孔/秒的速度鉆孔。測量顯示入口端直徑約為42微米,出口端約為31微米。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。


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  圖4表示在厚度為100微米的氧化鋁(99.6%)上,以3000孔/秒的速度操作后觀察孔的形態。測量結果顯示,鉆孔入口端直徑約為33微米,出口端直徑約為22微米。

  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(改變準直鏡和/或物鏡焦距)、或是參數(通常為脈沖周期和/或脈沖能量,如峰值功率),調整孔的大小。


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  圖5a表示用多模傳輸光纖在厚度為320微米的氧化鋁上進行“大孔徑”鉆孔。鉆孔速度為100孔/秒,出口端直徑為320微米。圖5b表示在厚度為320微米的氮化鋁上沿掃描方向鉆孔,孔間距325微米,鉆孔速度同樣為100孔/秒。2000余個鉆孔的測量結果顯示,入口端約105微米,出口端約65±9微米。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  上述實驗證明,在150毫米X150毫米面積內,鉆孔定位的精確性達到±5 微米,如將正常孔徑尺寸設為100%,則孔徑偏差可控制在±15%范圍內。在某些應用中,偏差率還有望進一步降低。

    準連續光纖激光器能夠以熱切割形式,對數毫米厚的基板進行高質量切割、劃線及鉆孔。光束投射在基板上的光斑小(直徑<20微米),功率密度高,可加工那些無法使用近紅外波段的材料。如果需要“大”光斑,借助一些技術也完全能夠做到。在鉆孔實驗中, 厚度分別為635微米、381微米、100微米的氧化鋁,鉆孔速度達300孔/秒、750 孔/秒、3000孔/秒;在劃線實驗中,厚度分別為635微米、381微米的氧化鋁,劃線速度達200毫米/秒、300毫米/秒。在切割實驗中,厚度分別為635微米、381微米的氧化鋁,切割速度達140毫米/秒、250毫米/秒,且無任何渣滓和碎屑。氮化鋁的實驗結果類似,只是一般生產率略低。在厚度分別為0.4毫米、1毫米、3 毫米的藍寶石切割實驗中,切割速度達12毫米/秒、9毫米/秒、3毫米/秒。當然, 實際切割速度還取決于切割形狀及質量要求。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  與準連續光纖激光器不同的是,綠光光纖激光器可進行燒蝕、微加工,能夠在那些如聚合物、陶瓷土及金屬等對熱能敏感的基板上進行切割和鉆孔。脈沖周期短,有助于減少熱穿透;平均功率高、重復率高,有助于提高生產率。

626969cc澳门资料大全-ww626969cc澳门资料大全-626969bcom澳门资料大全  上述兩種光纖激光器可彼此互為補充,擴大激光加工的范圍。為此,IPG 微系統部門為規模生產特別推出了一種新型激光工作站,可同時集成這兩種激光器。


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