超快激光技术在精密加工中的应用

 JulieC ACT激光聚汇 2020-01-08
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导读:
1精密加工趋势化已是必然
2超快激光技术在精密加工中的优势
3应用案例
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精密加工趋势化已是必然

精密机械加工,是用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。精密机械加工一般应用于复杂零件的生产和制成品的整装,主要应用领域有汽车、消费电子、航空、医疗等行业。
 
随着自动化、智能化时代的产业升级,精密加工的要求也越来越高,逐渐朝着更高的精度,更高的效率而发展。现阶段的许多精密加工技术都已经是以纳米为单位的,但仍然朝着突破界限往深亚微米方向发展。据相关权威数据统计,2018年全球精密机械加工市场规模为2160亿美元,同比增长1.9%。
 
精密加工趋势化发展已成必然, 激光技术在其中具有绝对重要的优势。
随着消费电子、新型显示、生物医疗、3D打印、高端装备等新应用的发展,激光制造从宏观加工向精密加工、超精密加工发展已成为必然发展趋势。在传统的宏观加工和精密加工并存的阶段,超快激光已经成为精密加工的重要方向!

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超快激光技术在精密加工中的优势

超快激光是精密加工领域新一代主流技术:超快激光器是指输出激光的脉冲宽度在皮秒(10-12秒)级别、或小于皮秒级别的脉冲激光器,根据输出激光的脉宽不同,超快激光器又可分为皮秒激光器、飞秒激光器、阿秒激光器等。作为一种新兴的材料加工技术手段,超快激光是能量激光领域最重要的技术方向之一,在加工方面有着显著优势。
 
首先,我们来了解一下激光精密加工技术的优势
激光精密加工的优势
(1)加工的对象范围广, 几乎所有的金属材料和非金属材料如钢材、耐热合金、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金及复合材料都可以加工。
(2)加工精度高, 在一般情况下均优于其他传统的加工方法 ,如电火花加工 、电子束加工等 。
(3)属于非接触加工, 无工具磨损, 热影响区和变形很小 ,因而能加工十分微小的零部件。而且激光束能量可控制,移动速度可调。
(4)自动化程度高, 可以用计算机进行控制, 加工速度快 ,工效高, 可很方便地进行任何复杂形状的加工 。
(5)大部分激光器可与光导纤维系统组合使, 具有革新性的纤维传送系统与激光器结合大大增加了激光加工系统的方便性与灵活性 ,这种组合系统对于工业上的多工作台同时加工及机器人或机械手操纵非常理想。

超快激光作为激光行业增长最快的细分领域之一,其应用场景不断落地,市场快速增长,广泛地应用于医疗生物、航空航天、消费电子、照明显示、能源环境、精密机械等行业。
应用场景
超快激光的应用前景巨大,可用于智能手机触摸屏切割、薄膜刻蚀、太阳能电池晶圆划片、电路板微钻孔等,以及在微纳结构、生物科研、医疗器具等等,一些应用已经在生产中大显神通,新的应用不断涌现,将持续提升微纳与精密加工制造技术的新高度。
1、超快激光在消费电子的应用(电路板、柔性薄膜、玻璃、蓝宝石、平板显示器等)
2、超快激光在特殊材料的应用(陶瓷、半导体、光敏聚合物、易脆材料、特殊金属等)
3、超快激光在生命科学的应用(心血管支架、精细手术刀、光刀手术等)

在消费电子领域
全球消费电子产业发展迅速,消费电子产品朝着高集成化、高精密化方向升级,其产品内构件越来越小巧,精密度、电子集成度越来越高。在产品研发中,更轻、更薄、更便携是设计师的追求目标,由此带来了新材料、新工艺的不断进步。消费电子行业中广泛应用的柔性材料、硬脆透明材料等,使加工变得日益高、精、尖、难。而超快激光技术的发展为消费电子行业的精密加工带来了更好的解决方案。

1、超快激光超精细特种制造:超快激光微纳加工是一种超精细特种制造技术,可以加工特种材料,实现特殊结构和特定的光、电、机械等性能。该技术虽然可以不再依赖材料来制造工具,拓宽了被加工材料种类,而且无磨损可变形等优点。
 
2、百瓦级超快光纤激光器及其应用:近年来,超快光纤激光器凭借其独特的加工效果,在消费类电子、新能源、半导体及医疗等领域广泛应用。包括超快光纤激光器在柔性电路板、OLED显示屏、PCB板、手机屏幕异性切割等精细微加工领域的应用。
 
3、超快激光在玻璃加工中的应用:5G技术的发展和终端需求的快速增长,推动半导体器件和封装技术发展,对玻璃加工的效率和精度提出了更高的要求。而超快激光加工技术可以很好地解决上述问题,成为5G玻璃加工的优质选择。
 
4、激光精密切割在电子行业的应用:高性能光纤激光器,可根据精密薄壁金属管和异形管的设计图形进行高速高精度激光切割、钻孔等激光微细加工,也可以进行小幅面的精密平面切割。而后者是专业应用于精密平面薄壁器械的高速度、高精度激光微加工设备,可加工不锈钢、铝合金、钨、钼、锂、镁铝合金、陶瓷等多种常见应用于电子器械领域的平面材料。
 
5、超快激光在全面屏异形加工中的应用:IPhonex开启了全面异形屏的新趋势,也促进了异形屏切割技术的不断进步与发展。
 
6、陶瓷材料表面激光打印导电线路的技术及应用:陶瓷材料具有热导率高、介电常数低、机械性能强、绝缘性能好等众多优点,已发展成为新一代集成电路、半导体模块电路及功率电子模块的理想封装基材,陶瓷电路板封装技术也得到了广泛关注和迅速发展!
在特殊材料的应用
在非金属加工领域,薄脆性材料的激光加工备受关注。随着智能手机、LED照明、平板电脑、以及可穿戴设备等消费电子产品的不断发展迭代,玻璃、蓝宝石和陶瓷等材料,凭借着自身具备的独特优质属性而获得了广泛应用,比如坚硬的钢化玻璃用作于智能手机的显示屏;坚硬且化学性质稳定的陶瓷用于制作电子零部件衬底和绝缘材料;坚硬耐划的蓝宝石用于LED衬底、手机摄像头保护玻璃、智能手机显示屏、智能手表的盖板玻璃等。

玻璃、陶瓷、蓝宝石等薄脆性非金属材料的精密加工,通常使用超快激光。超快激光脉冲持续时间极短,在纳秒、皮秒甚至是飞秒级别,将适度的激光能量作用在材料表面,通过打断材料的化学键而实现材料去除目的,在这个过程中,激光能量还来不及向加工范围周围传递,加工过程便已结束,因此产生的热量几乎可以忽略不计,材料不会产生热损伤。随着这些脆性材料在LED、智能手机、可穿戴设备等产品中的应用越来越多,致力于这类脆性材料加工的激光器、激光系统及相关科研机构也不断增多,他们的努力也促进了激光技术在脆性材料加工领域不断突破。

综述
近年来,超快激光技术发展极为迅速,其平均功率不断提高,脉冲宽度范围不断拓展,重复频率和加工效率大大增加,已经从实验室的娇贵仪器逐渐成为实用可靠的工业级产品。超快激光技术与创新应用研究代表当今激光前沿技术的发展方向。
超快激光应用前景巨大,可用于智能手机触摸屏切割、薄膜刻蚀、太阳能电池晶圆划片、电路板微钻孔等,以及在微纳结构、生物科研、医疗器具等等,一些应用已经在生产中大显神通,新的应用不断涌现,将持续提升微纳与精密加工制造技术的新高度。
随着超快激光器的生产工艺逐渐成熟,成本逐渐下降,未来有望广泛地应用于医疗生物、航空航天、消费电子、照明显示、能源环境、精密机械等下游行业。
03
应用案例

1、正业科技
在精密加工领域,传统纳秒激光加工设备仍占据了大部分市场。但就加工效果而言,飞秒及皮秒激光加工更具优势与前景,与纳秒激光相比较,皮秒激光加工具有更短的脉冲宽度、更高的峰值功率,能够达到更好更精细的加工效果,实现真正冷加工,基本无炭化,逐步成为主流选择。
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正业皮秒激光切割机
正业科技研发生产的皮秒激光切割机应用超快激光技术,适用于覆盖膜(CVL)、柔性板(FPC)、软硬结合板(RF)和薄多层板的切割成形。
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切割实例

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独特优势
1、真正冷加工,基本无炭化:激光脉宽小于10ps,炭化范围极小,基本看不到炭化现象。
2、切割效果更精细:采用小单脉冲能量,高频加工,精雕细作,加工面更加精细光滑,综合加工精度高达±20μm。
3、双台面,零上下料时间,效率高,速度更快:皮秒的重复频率非常高,可达兆赫兹,大幅度提升加工效率。

2、贝林激光
20W飞秒红外激光器(Axinite IR-20)
Axinite IR-20采用高稳定飞秒光纤种子源配合光纤放大器实现高功率红外飞秒激光输出。种子激光经过高增益光纤放大器进行放大,实现1MHz频率下大于20W红外飞秒激光输出,输出脉冲宽度<500fs,光束质量M^2<1.3。强大的控制系统,实现激光器长时间稳定运行兼具多种控制功能。
 
主要应用于玻璃、陶瓷加工,太阳能领域,精确孔径和电极结构加工,航空材料加工,半导体领域,医疗领域等
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3、英诺激光
AOPICO 皮秒系列
工业级皮秒激光器
支持POD/Burst Mode功能
出色的光斑质量M²<1.3
紧凑型设计,便于集成
突出的性价比
稳定可靠,满足7/24工业化生产条件
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应用案例
玻璃/蓝宝石盖板切割
几乎无锥度任意形状切割
几乎无崩边、碎屑、微裂纹
0.1- 2 mm厚度范围
速度 10-500mm/s (取决于材料加工的形貌)
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TFT-LCD全面屏切割
异形高质量切割
崩边<5 μm
截面粗糙度<500 nm
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超精细掩膜版(FMM)钻孔
高质量快速加工
几乎无熔融层
外形和锥度可严格控制
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LFWC观点:
中国是超快激光器最大的应用市场:超快激光高精度的特点,尤其适用于3C产品的制造,而中国是全球最大的3C产品的生产基地,每年全球超过90%的智能手机和笔记本电脑在中国生产,集成电路、面板的高端产能近年来也正大规模向国内转移,带来了智能制造、精密制造的巨大应用市场。
目前,消费电子产品正朝着高精密化、高轻薄化、高集成化方向升级,薄膜材料、硬脆透明材料和特殊薄金属材料等新型材料逐渐得到大规模应用。作为一种非接触式工艺的激光加工技术,凭借高效率、高精度、热效应小和空间选择性等独一无二的优势,是上述新型材料加工的理想工艺手段。随着技术的逐渐成熟和成本不断下降,超快激光市场有望在未来几年迎来爆发。

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