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光纖激光器

以更好的激光源實現(xiàn)更先進的應(yīng)用-IPG光纖激光器

星之球激光 來源:微頭條2015-09-23 我要評論(0 )   

在激光精密制造技術(shù)及裝備分論壇上, IPG在《激光光源在精密加工中的應(yīng)用》的主題演講中,除了對相關(guān)的脈沖激光器進行介紹外,還介紹了IPG享有盛譽、極具革命性的創(chuàng)新設(shè)...


  9月17-19日,第十一屆全國激光加工產(chǎn)業(yè)論壇在廣東中山舉行。在激光精密制造技術(shù)及裝備分論壇上, IPG在《激光光源在精密加工中的應(yīng)用》的主題演講中,除了對相關(guān)的脈沖激光器進行介紹外,還介紹了IPG享有盛譽、極具革命性的創(chuàng)新設(shè)計--QCW準連續(xù)光纖激光器及其對陶瓷、藍寶石等材料的應(yīng)用。
  氧化鋁(多晶Al2O3)和氮化鋁(AlN)被公認為是超級導熱材料,廣泛用于各行各業(yè),例如LED、RF、微波封裝等。在這些行業(yè)中,鉆孔速度與成型速度將直接影響生產(chǎn)成本。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(tǒng)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,已經(jīng)大量應(yīng)用于LED 行業(yè)。它的另一個增長點是消費電子行業(yè),可用于制造手機攝像頭、功能鍵甚至是整個顯示屏。
  
QCW對陶瓷、藍寶石等材料的加工應(yīng)用
  與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用例如鈑金切割相比,進行精密加工時所需用到的設(shè)備及工藝更強調(diào)精確度以及嚴謹?shù)倪M程控制。由于這些應(yīng)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(guī)格、光學系統(tǒng)及硬件配置對于穩(wěn)定的規(guī)模生產(chǎn)而言至關(guān)重要。QCW準連續(xù)光纖激光器提供了改良的、更加靈活的激光源,在降低成本的同時,為客戶提供了滿意的加工速度和質(zhì)量,可替代昂貴的皮秒激光系統(tǒng)。
  工藝
  我們通過兩種準連續(xù)激光器:YLM-150-1500-QCW 和YLR-300-3000-QCW,對氧化鋁、氮化鋁、藍寶石等材料進行鉆孔、劃線與切割。
  " YLM-150-1500-QCW 采用單模光纖,芯徑14 μm,最大峰值功率1.5 kW,平均輸出功率150 W,連續(xù)模式時最高可達250 W
  " YLR-300-3000-QCW 采用多模光纖,芯徑50 μm,最大峰值功率3 kW,平均輸出功率300 W
  " 脈沖周期在10 μs至50 ms范圍內(nèi)可調(diào),實際范圍取決于操作模式及參數(shù)設(shè)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。
  光束通過帶有一定焦距的準直鏡(一般焦距范圍為50-150 mm)經(jīng)聚焦后至切割頭。聚焦鏡的焦距根據(jù)所需應(yīng)用進行調(diào)整,一般為50-200 mm。輔助氣體經(jīng)過切割頭,經(jīng)過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(yīng)用,但直徑和距離通常均為0.5-1 mm。用戶可以通過設(shè)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(shù),控制熱響應(yīng)區(qū)。
  鉆孔
  用光纖激光器鉆孔時,一個脈沖一個孔,所以準連續(xù)光纖激光器在鉆孔速度上極具優(yōu)勢。我們選取了厚度為635 μm的氧化鋁(96%),以300 孔/s的速度打孔,孔間距為150 μm,基板在光束下方以45 mm/s的速度線性移動,單模光纖,脈沖周期200 μs。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(zhì)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1 635 μm氧化鋁(96%)鉆孔,300 孔/s
  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±3 μm,入口端為49±3 μm。基板在操作前已經(jīng)過覆壓,打孔后進行清潔/拋光。
  在實際應(yīng)用中,除了能夠很好地燒蝕之外,我們還要能夠調(diào)整孔的大小。通常情況下,高功率密度能產(chǎn)生穩(wěn)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(guī)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(jié)果往往會同時影響成孔質(zhì)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(tǒng)已經(jīng)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,但在某些時候可能還是需要用涂層來改善整體質(zhì)量,減少渣屑。)
  
圖2 381 μm氧化鋁(99.6%)鉆孔,750 孔/s
  圖2 表示在厚度為381 μm的氧化鋁(99.6%)上以750 孔/s的速度鉆孔后孔的形態(tài)。經(jīng)測量,鉆孔入口端孔徑約37 μm,出口端約16 μm。該實驗使用的是單模光纖。
   
圖3 381 μm氮化鋁鉆孔,300 孔/s
  圖3 表示在厚度為381 μm的氮化鋁上,以300 孔/s的速度鉆孔。測量顯示入口端直徑約為42 μm,出口端約為31 μm。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。
  
圖4 100 μm氧化鋁(99.6%)鉆孔,3000孔/s
  圖4 表示在厚度為100 μm的氧化鋁(99.6%)上,以3000 孔/s的速度操作后觀察孔的形態(tài)。測量結(jié)果顯示,鉆孔入口端直徑約為33 μm,出口端直徑約為22 μm。
  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(shù)(通常為脈沖周期和/ 或脈沖能量,如峰值功率),調(diào)整孔的大小。
  
圖5 320 μm a) 氧化鋁以及b) 氮化鋁,鉆"大孔徑孔"
  圖5a 表示用多模傳輸光纖在厚度為320μm的氧化鋁上進行"大孔徑"鉆孔。鉆孔速度為100 孔/s,出口端直徑為320 μm。圖5b 表示在厚度為320 μm的氮化鋁上沿掃描方向鉆孔,孔間距325 μm,鉆孔速度同樣為100 孔/s。2000 余個鉆孔的測量結(jié)果顯示,入口端約105 μm,出口端約65±9 μm。
  上述實驗證明,在150 mm X 150 mm面積內(nèi),鉆孔定位的精確性達到±5 μm,如果將正常孔徑尺寸設(shè)為100%,則孔徑偏差可控制在±15% 范圍內(nèi)。在某些應(yīng)用中,偏差率還有望進一步降低。
  劃線
  陶瓷劃線的原理與鉆孔相似,也是通過一個脈沖在基板上形成一個盲孔,然后輔以適合的脈沖間隔,使其形成一條線。
  
圖6 635 μm氧化鋁劃線,200 mm/ s
  圖6 表示厚度為635 μm的氧化鋁(96%),以200mm/s的速度進行單孔爆破,單孔深度350 μm,孔間距約150 μm。本次實驗所使用的脈沖周期小于100 μs。
  
圖7 381 μm氧化鋁和氮化鋁,300 mm/s,劃線
  圖7a 表示在厚度為381 μm的氧化鋁(99.6%),劃線速度為300 mm/s;圖7b 表示在厚度相同的氮化鋁上,以相同速度劃線。本次實驗所使用的脈沖周期小于50 μs。
   切割
  我們在厚度為635 μm的96% 氧化鋁上,以140 mm/s的速度進行切割演示。該切割實驗使用的是單模準連續(xù)激光器(如圖8 所示)。切割前覆壓,切割后清除,這一步驟主要是為了避免飛濺和重鑄。實驗結(jié)果顯示,切割完成質(zhì)量高,完全沒有任何渣滓或碎屑。當氧化鋁的厚度降低為381 μm時,線性切割速度更可高達250mm/s(如圖9 所示)。
  
  準連續(xù)光纖激光器還可用于藍寶石的切割。圖10 為消費電子行業(yè)用到的一些典型切割形狀。
  
圖10 用QCW準連續(xù)激光器切割不同厚度的藍寶石部件
  基板厚度在mm范圍內(nèi)時,準連續(xù)光纖激光器在切割速度及切割質(zhì)量方面均表現(xiàn)出眾,無裂縫或碎屑,表面粗糙度一般在2 μm以下(如圖11 所示)。在實驗中,厚度分別為0.4 mm、1 mm、3 mm的藍寶石部件的切割速度可以達到12 mm/s、9 mm/s、3 mm/s。當然,實際切割速度將取決于切割形狀及切割質(zhì)量。
  與QCW準連續(xù)光纖激光器相比,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PEEK、硅膠、環(huán)氧樹脂、FR4,堪稱QCW準連續(xù)光纖激光器的"最佳搭檔"。它的脈沖周期更短,可以對金屬或陶瓷進行精細加工。

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IPG激光光源QCW準連續(xù)光纖激光器
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