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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，隨著人們對生活質(zhì)量要求的提高，國內(nèi)的消費類電子，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)域的作用得到越來越多的體現(xiàn)。

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(chǎn)品里得到了廣泛的應(yīng)用。例如玻璃用作于智能手機的顯示屏；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，藍寶石用于 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(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中使用的玻璃、碳化硅、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(yīng)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、鉆孔甚至開槽等加工過程，這使得機械加工工藝如銑、鉆、磨等面臨著極大的挑戰(zhàn)，因為材料極薄極脆，加工過程中因接觸而施加到材料上的任何應(yīng)力，都可能導(dǎo)致材料碎裂，最終報廢。而傳統(tǒng)的采用長脈沖激光的加工工藝，由于存在熱損傷，以及由此帶來的加工面毛刺，崩邊，甚至碳化等問題，使得其在薄脆材料加工領(lǐng)域受限。

同時，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。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，對此類材料的加工精度和加工速度的要求也越來越高。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，同時金屬的導(dǎo)熱性良好，使得傳統(tǒng)的激光加工工藝無法到達要求的加工質(zhì)量。例如，采用納秒激光加工，由于脈沖持續(xù)時間較長，激光加工更容易造成金屬箔的熱損傷，以及由熱損傷帶來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(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)對精細的微加工挑戰(zhàn)

由于飛秒激光的超快速時間和超高峰值功率的特性，在飛秒激光用于材料加工時，具有如此高峰值光強和極短持續(xù)時間的光脈沖與物質(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動方式發(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程，開創(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)時間極短，光脈沖的作用區(qū)域極小，光強度極高，通過非線性吸收過程，激光脈沖的能量來不及向作用點周圍傳遞，光脈沖的作用過程或者加工過程就已經(jīng)結(jié)束，因此產(chǎn)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。

安揚激光技術(shù)有限責任公司的高功率超快光纖激光器及應(yīng)用

安揚公司成立以來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，穩(wěn)定優(yōu)異的光斑模式使它滿足于大部分現(xiàn)有市場上的超快加工需求，并為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(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)果對比。從圖 3（a）可以看出，納秒激光對不銹鋼薄片打孔，在微孔的周圍通過肉眼可以明顯看到有不銹鋼片變形、變色等，圖 3（b）是使用安揚飛秒激光器打孔，不銹鋼片及微孔的周圍基本沒有熱損傷材料，且微孔邊緣光滑。

（a）

圖 3: (a) 納秒激光（b）安揚飛秒激光對不銹鋼薄片打孔結(jié)果

2. NPI膜加工

使用安揚飛秒激光結(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25 um。從圖 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。

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飛秒的紅外激光并結(jié)合振鏡系統(tǒng)對強化玻璃進行切割，玻璃厚度0.5mm，切割之后強化玻璃的邊緣光滑，沒有熱損傷，且基本看不到蹦邊。

圖 5 玻璃切割

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

圖 6 金剛石切割

4. 采用超快激光對碳化硅晶圓隱切

碳化硅晶圓隱切工藝采用了安揚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晶圓加工時，激光聚焦在的碳化硅晶圓內(nèi)部的高強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)晶時高，所以在碳化硅熔融區(qū)會留下一些小的真空孔隙。當該熔融區(qū)的溫度冷卻到熔點之下時，會在熱應(yīng)力作用下向焦點上下產(chǎn)生龜裂。這種由內(nèi)而外的龜裂不會在表面產(chǎn)生碎屑。同時，由于激光脈沖的持續(xù)時間極短，碳化硅熔融區(qū)域極小，產(chǎn)生的龜裂的表面裂紋極細。

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，激光器向著更快脈沖、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。這使得超快脈沖激光器越來越得到產(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高于長脈沖激光加工的精度，最高可以達到亞微米甚至納米。超快脈沖激光除了可以進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，對透明材料內(nèi)部的加工與改性，實現(xiàn)了其他加工方法無法實現(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。對于超硬、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(yōu)勢。

為了適應(yīng)激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，安揚激光將不斷提高飛秒光纖激光的技術(shù)指標。未來安揚的工業(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。同時為了不斷降低客戶的單位使用成本和對加工宏觀物體的需求，未來將實現(xiàn) 500-1000W的平均功率和1mJ的脈沖能量。

同時安揚公司的激光器的產(chǎn)品設(shè)計將遵循平臺化，通用化和模塊化的原則。安揚公司的平臺化，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，還實現(xiàn)統(tǒng)一的操作界面和運行方式，以及良好的繼承性，幫助客戶節(jié)約設(shè)計時間和成本，降低運營成本。

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