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超快激光器

超短脈沖激光器應用于柔性卷帶加工(一)

星之球激光 來源:Industrial Laser Solutions2012-05-16 我要評論(0 )   

對于柔性電子器件,高產(chǎn)量和大規(guī)模生產(chǎn)的需求在不斷增長,這需要以高產(chǎn)出和極低生產(chǎn)成本為特點的新生產(chǎn)工藝。 有一項調查是關于激光加工軟性基板頂層薄膜的工藝,以研究...

 

對于柔性電子器件,高產(chǎn)量和大規(guī)模生產(chǎn)的需求在不斷增長,這需要以高產(chǎn)出和極低生產(chǎn)成本為特點的新生產(chǎn)工藝。

 

有一項調查是關于激光加工軟性基板頂層薄膜的工藝,以研究其在電子器件和柔性太陽能電池領域的應用。超短脈沖激光器因其與固體的作用時間短(接近于非熱燒蝕)而被證明是燒蝕熱敏薄膜的最佳工具。

 

構建柔性電路

 

柔性電子設備要想適應大眾市場,就必須設法降低工藝成本。印刷電路的成本比通過化學或物理沉積工藝生產(chǎn)的成本更低。不幸的是,有些工藝流程步驟還不能運用現(xiàn)有的印刷技術,至少用起來非常費勁。例如,雙面聚合物線路卡或者薄膜系統(tǒng)所需要的高質量連接器產(chǎn)品幾乎不可能使用既定的工藝(如沖壓)來生產(chǎn)。通過集成直寫式激光工藝,就能夠在不限制連續(xù)卷帶加工的情況下,完成傳統(tǒng)方法無法做到的工藝。

 

一種典型的可印刷導電層材料是導電的高分子聚合物PEDOT:PSS。在330納米至1100納米之間的波長范圍內,這種材料具備非常低的吸收作用,僅僅比常用的PET基材稍微高一點點。這一特性阻礙了對導電層進行激光燒蝕且不影響基材。因此,業(yè)界使用不同的激光波長(266納米至1064納米)和脈寬(12皮秒至100納秒),對PET基材上PEDOT:PSS的燒蝕進行加工測試。首先,使用波長為1064納米和12皮秒-100納秒脈寬的不同激光器。不出所料,波長位于可見光和紅外線范圍的初始測試顯示,除非減少對基材的顯著傷害,否則無法加工PEDOT:PSS層。基于這些經(jīng)驗,以紙和箔為載體基材,對紫外線波長范圍(355納米)進行測試。雖然50納秒脈寬的激光源能夠完全去除導電層,但是PET箔也被損壞了(起泡)。

 

采用超短脈沖激光束能夠燒蝕高分子功能聚合物,而不會讓箔起泡。通過使用激光能量,就能夠適當隔離薄膜高分子聚合物層,從而將去除的基材材料減少到不足10微米的小額量。在許多應用中,材料燒蝕并不是很關鍵,比如當兩種導電區(qū)域已經(jīng)被隔開時。切割速度的快慢取決于切割形狀。當切割速度為5米/秒時,就會遇到相關的局限性,此時的重復頻率為640千赫,生成的切割寬度為28微米。若希望切割速度更快,可以采用重復頻率更高的激光源來實現(xiàn)。

還可以使用266納米波長的激光來進一步減少基材材料的穿透深度。支持這一結論的事實就是PEDOT:PSS和PET基材對于330納米以下波長的吸收作用顯著增加,從而減少穿透深度。缺點在于激光源的輸出功率同樣需要進一步減少,這將極大地需要產(chǎn)生更多的光程。

 

加工紙基材上的PEDOT:PSS層更容易些,因為基材材料的熱穩(wěn)定性更好。因此,如果不超過能量閾值(該閾值遠高于燒蝕PEDOT:PSS所必需的值),基材就不會被損壞,高分子聚合物層的燒蝕工藝窗口得以增加。但是,與箔相似,只需要更小的脈寬和波長,就能夠實現(xiàn)燒蝕更少基材的隔離切割。

 

構建柔性CIS太陽能電池

 

基于卷帶加工工藝的生產(chǎn)方式,還能夠用來生產(chǎn)柔性太陽能電池。使用超短脈沖激光器對CIS太陽能電池進行加工已經(jīng)被認為是一種破壞性很小的選擇性燒蝕不同層的工藝

另外,業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出一種工業(yè)工藝技術,能夠對聚酰亞胺基材上最多1.5微米厚的CIS吸收層進行皮秒級激光微加工。一次處理CIS層所用能量大約稍高于1微焦。細溝邊緣的微觀結構上顯出了差異,表明5微米寬區(qū)域內的吸收層已經(jīng)少量被熔化和固化。

 

基于橫截面混合物透射電子顯微鏡法(包括能量色散X射線)和微拉曼光譜分析的詳細研究,燒蝕選擇性得到了證實。而且,無損害加工也被證明,特別是就創(chuàng)建功能損害銅硒化合物相(CuxSePhase)來說。

 

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