文稿/安揚(yáng)激光

傳統(tǒng)的薄脆性材料和薄膜材料的加工方法面臨挑戰(zhàn)近幾年來(lái)，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，國(guó)內(nèi)的消費(fèi)類電子，清潔能源，新能源汽車，生物醫(yī)療以及半導(dǎo)體等行業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展。激光尤其是超快激光在這些高端智能制造領(lǐng)域的作用得到越來(lái)越多的體現(xiàn)。

 

玻璃、藍(lán)寶石和陶瓷等脆性材料，憑借著自身具備的獨(dú)特物理化學(xué)特性在手機(jī)，平板，觸摸屏產(chǎn)品里得到了廣泛的應(yīng)用。例如玻璃用作于智能手機(jī)的顯示屏；陶瓷用于制作電子零部件襯底和絕緣材料；碳化硅材料制作芯片的晶圓，藍(lán)寶石用于  LED 襯底、手機(jī)攝像頭保護(hù)玻璃、智能手機(jī)顯示屏、智能手表的蓋板玻璃等。

 

在這些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中使用的玻璃、碳化硅、藍(lán)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(lái)越高。在加工要求上，上述應(yīng)用通常需要在這些薄脆易碎的材料上實(shí)施非常精密的切割、鉆孔甚至開(kāi)槽等加工過(guò)程，這使得機(jī)械加工工藝如銑、鉆、磨等面臨著極大的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴牧蠘O薄極脆，加工過(guò)程中因接觸而施加到材料上的任何應(yīng)力，都可能導(dǎo)致材料碎裂，最終報(bào)廢。而傳統(tǒng)的采用長(zhǎng)脈沖激光的加工工藝，由于存在熱損傷，以及由此帶來(lái)的加工面毛刺，崩邊，甚至碳化等問(wèn)題，使得其在薄脆材料加工領(lǐng)域受限。

 

同時(shí)，金屬材料加工領(lǐng)域，金屬箔或者薄片的加工也是超快激光應(yīng)用的熱點(diǎn)。在電子產(chǎn)業(yè)，鋰電池產(chǎn)業(yè)以及光伏領(lǐng)域，銅箔，鋁箔以及不銹鋼薄片的激光加工的需求日趨旺盛，并且，對(duì)此類材料的加工精度和加工速度的要求也越來(lái)越高。由于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(shí)金屬的導(dǎo)熱性良好，使得傳統(tǒng)的激光加工工藝無(wú)法到達(dá)要求的加工質(zhì)量。例如，采用納秒激光加工，由于脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，激光加工更容易造成金屬箔的熱損傷，以及由熱損傷帶來(lái)的材料變形和毛刺等。

 

高分子聚合物薄膜材料廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品，如FPCB覆蓋膜，OLED柔性顯示屏中的復(fù)合膜等，由于材料極薄，如果采用納秒激光脈沖加工，材料極易變形，甚至在加工面的材料發(fā)生碳化。

 

激光加工領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的基于材料中電子通過(guò)對(duì)光子的共振線性吸收獲得熱能的熱熔性過(guò)程和“粗”加工方式，已不能滿足更精細(xì)的材料微加工的要求。無(wú)論是在非金屬加工領(lǐng)域，如薄脆性材料加工，還是金屬材料加工領(lǐng)域，如銅薄片鋁箔，以及有機(jī)高分子材料加工領(lǐng)域，采用飛秒超快激光技術(shù)的微加工技術(shù)備受關(guān)注。

 

 

飛秒激光技術(shù)應(yīng)對(duì)精細(xì)的微加工挑戰(zhàn)由于飛秒激光的超快速時(shí)間和超高峰值功率的特性，在飛秒激光用于材料加工時(shí)，具有如此高峰值光強(qiáng)和極短持續(xù)時(shí)間的光脈沖與物質(zhì)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(qū)域，瞬間內(nèi)的高能量密度沉積將使電子的吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收而導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散等的影響，從而在根本上改變了激光與物質(zhì)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(yīng)性的非熱熔冷處理過(guò)程，開(kāi)創(chuàng)了激光加工的嶄新領(lǐng)域。

 

飛秒激光加工是基于多光子非線性吸收和電離機(jī)制，而不是光子能量線性吸收而形成的熱積累，因此，避免了熱傳導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)飛秒光脈沖作用于材料的表面或者透明材料的內(nèi)部，由于光脈沖的持續(xù)時(shí)間極短，光脈沖的作用區(qū)域極小，光強(qiáng)度極高，通過(guò)非線性吸收過(guò)程，激光脈沖的能量來(lái)不及向作用點(diǎn)周圍傳遞，光脈沖的作用過(guò)程或者加工過(guò)程就已經(jīng)結(jié)束，因此產(chǎn)生的熱量幾乎可以忽略不計(jì)，被加工的材料幾乎沒(méi)有熱損傷。

 

 

安揚(yáng)激光技術(shù)有限責(zé)任公司的高功率超快光纖激光器及應(yīng)用

安揚(yáng)公司成立以來(lái)一直致力于光纖型超快激光器及其核心器件的研發(fā)與生產(chǎn)。2017年安揚(yáng)公司推出了50,100,200uJ脈沖能量的飛秒光纖激光器系列。它能夠在500fs的脈沖寬度下實(shí)現(xiàn)100W高平均功率和200MW超高峰值功率。其光纖模塊化的設(shè)計(jì)，穩(wěn)定優(yōu)異的光斑模式使它滿足于大部分現(xiàn)有市場(chǎng)上的超快加工需求，并為高效率超快精細(xì)加工提供了新的利器。

 

 

圖1安揚(yáng)公司FemtoYL-100-500飛秒激光器

 

圖2安揚(yáng)公司FemtoYL-100-500飛秒激光器輸出光斑

 

目前安揚(yáng)公司FemtoYL-100-500飛秒光纖激光器已經(jīng)應(yīng)用于多種材料的加工，如薄金屬的切割與打孔，高分子聚合物薄膜的切割與打孔，LCD顯示屏用的強(qiáng)化玻璃，以及碳化硅晶圓等。

 

1. 不銹鋼薄片及金屬箔加工

圖3是0.05mm不銹鋼薄片打孔的結(jié)果對(duì)比。 從圖3（a）可以看出，納秒激光對(duì)不銹鋼薄片打孔，在微孔的周圍通過(guò)肉眼可以明顯看到有不銹鋼片變形、變色等，圖3（b） 是使用安揚(yáng)飛秒激光器打孔，不銹鋼片及微孔的周圍基本沒(méi)有熱損傷材料，且微孔邊緣光滑。

 

（a） 

（b）

圖3:(a)納秒激光（b）安揚(yáng)飛秒激光對(duì)不銹鋼薄片打孔結(jié)果

 

2. NPI膜加工

使用安揚(yáng)飛秒激光結(jié)合振鏡并采用環(huán)切方式在NPI膜上加工出10x10微孔陣列，NPI膜的厚度為25um。從圖4可以看出，微孔周圍的材料基本沒(méi)有變形，微孔邊緣基本無(wú)熱損傷。

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(yáng)公司500飛秒的紅外激光并結(jié)合振鏡系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)化玻璃進(jìn)行切割，玻璃厚度0.5mm，切割之后強(qiáng)化玻璃的邊緣光滑，沒(méi)有熱損傷，且基本看不到蹦邊。

圖5玻璃切割

 

下面圖 6 為使用安揚(yáng)公司 飛秒激光對(duì)金剛石進(jìn)行切割的結(jié)果。切割后的邊緣整齊，崩邊小于10um。

圖6金剛石切割

 

4. 采用超快激光對(duì)碳化硅晶圓隱切

碳化硅晶圓隱切工藝采用了安揚(yáng)公司皮秒脈沖激光配合聚焦物鏡，將激光脈沖聚焦在碳化硅晶圓內(nèi)部。采用這種隱切方式對(duì)晶圓加工時(shí)，激光聚焦在的碳化硅晶圓內(nèi)部的高強(qiáng)度激光使碳化硅材料發(fā)生局部熔融，由于熔融狀態(tài)下的碳化硅密度較結(jié)晶時(shí)高，所以在碳化硅熔融區(qū)會(huì)留下一些小的真空孔隙。當(dāng)該熔融區(qū)的溫度冷卻到熔點(diǎn)之下時(shí)，會(huì)在熱應(yīng)力作用下向焦點(diǎn)上下產(chǎn)生龜裂。這種由內(nèi)而外的龜裂不會(huì)在表面產(chǎn)生碎屑。同時(shí)，由于激光脈沖的持續(xù)時(shí)間極短，碳化硅熔融區(qū)域極小，產(chǎn)生的龜裂的表面裂紋極細(xì)。

 

碳化硅片材厚度300um,隱切后裂片，得出如下結(jié)果。

（a） 

(b) 

(c)

圖7碳化硅晶圓隱切的結(jié)果

 

從圖  7(a) 為切割后表面裂紋，裂紋左右偏差在5um以內(nèi)，圖 7（b）示為裂片后斷面，圖   7（c）示為裂片后邊緣圖，崩邊小于5um。通過(guò)上面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(qū)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(shù)發(fā)展展望

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光器件向著更快脈沖、更高能量、更短波長(zhǎng)的方向邁進(jìn)，這給激光材料加工帶來(lái)了革命性的進(jìn)步。這使得超快脈沖激光器越來(lái)越得到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。這主要體現(xiàn)在超快脈沖激光加工可以得到遠(yuǎn)高于長(zhǎng)脈沖激光加工的精度，最高可以達(dá)到亞微米甚至納米。超快脈沖激光除了可以進(jìn)行材料切割打孔等基本加工之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)材料表面的加工與改性，對(duì)透明材料內(nèi)部的加工與改性，實(shí)現(xiàn)了其他加工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高精度、復(fù)雜形狀元器件的加工。另外超快脈沖激光幾乎可以與任何材料相互作用，可用于激光加工的材料不受限制。對(duì)于超硬、易碎、高熔點(diǎn)、易爆等材料的加工，更具有其他方法所無(wú)法匹敵的優(yōu)勢(shì)。

 

為了適應(yīng)激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，安揚(yáng)激光將不斷提高飛秒光纖激光的技術(shù)指標(biāo)。未來(lái)安揚(yáng)的工業(yè)用飛秒激光器將全面覆蓋100fs-10ps的脈沖寬度區(qū)間以滿足不同材料在不同超短脈沖寬度下移除效率的優(yōu)化需求。同時(shí)為了不斷降低客戶的單位使用成本和對(duì)加工宏觀物體的需求，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)500-1000W的平均功率和1mJ的脈沖能量。

 

同時(shí)安揚(yáng)公司的激光器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)將遵循平臺(tái)化，通用化和模塊化的原則。安揚(yáng)公司的平臺(tái)化，通用化和模塊化產(chǎn)品，不僅能夠給產(chǎn)業(yè)界提供豐富的產(chǎn)品規(guī)格與配置的選擇，還實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的操作界面和運(yùn)行方式，以及良好的繼承性，幫助客戶節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，降低運(yùn)營(yíng)成本。