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    使用飛秒激光器高質量切割聚合物

    2021-12-03

    聚合物在各種技術領域發揮著至關重要的作用。它們具有良好的機械強度和靈活性、電氣絕緣以及耐熱和耐化學性。特別值得注意的兩種聚合物:聚酰亞胺 (PI) 和聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。聚酰亞胺因其良好的機械強度和耐熱/耐化學性而聞名,在柔性印刷電路板市場中占據著主導地位,用作控制電流流動的穩定介電材料。樹脂形態的 PI 也用于熱固性碳纖維結構體,以及高溫纖維涂層和集成電路鈍化層。另一方面,PET 是一種通用的聚合物,應用范圍從醫療器械到食品包裝。在作為基體材料時,PET 因其出色的強度重量比和總體抗斷裂性能而頗具吸引力;而在纖維形態下,它具有耐久、防水和無皺的結構。然而,PI 和PET 這兩種材料有一個共同的重要應用領域:OLED 平板顯示器。相對于其他低成本聚合物,PET 具有良好的溫度耐性,歷來都是常用的基底材料,但也用于別處。在要求更高的應用中,PI 一流的強度、熱和電氣良好屬性能夠帶來各種好處。對于這兩種材料,在整個平板或 OLED 顯示器中使用的厚度可從幾微米的薄膜到數十微米或者更厚的薄片。隨著設備和顯示器變得更輕便且柔性/可折疊,總體厚度很可能會減小。

    Spirit 100W 高功率飛秒激光器對聚合物進行高質量切割

    多年以來,激光器一直在諸多行業中用于加工聚合物。盡管可能難以避免熔化和形成其他熱影響區 (HAZ),但是眾所周知,超短脈沖 (USP) 激光器能夠經受住挑戰。為了進一步了解 PI 和 PET 的 USP 加工,研究人員在我們的應用實驗室使用 Spirit 100 W 高功率飛秒激光器,在紅外 (IR)基波 (1030 nm) 和綠光二次諧波 (515 nm) 波長(50 W 平均功率)下進行了全面的燒蝕現象研究。研究包括確定單脈沖和多脈沖照射的燒蝕閾值(包括確定所謂的“累積系數”),以及應用此信息來開發并優化采用單次和多次方法的全切割工藝。我們使用兩種波長 ~17 μm(1/e2 直徑)的焦點光斑大小,確定了 1-100 個脈沖的固定光束(沖擊)照射的閾值。為了區分任何閾值對熱積聚的依賴性,我們還在各種脈沖重復頻率 (PRF) 下進行了試驗,從 1 Hz 到 2 MHz。實驗中使用的樣品是從 Creative Global Services Inc.(加拿大安大略省紐馬基特)采購的各種厚度的 PI 和 PET 薄片。圖 1 中標繪了在Spirit 激光器的 1 MHz 標稱 PRF 下,1-100 個紅外和綠光波長脈沖的 PI 燒蝕閾值。

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    圖 1:聚酰亞胺的單脈沖和多脈沖燒蝕閾值。

    對于兩種波長,我們發現,隨著施加的脈沖數量增加,燒蝕閾值急劇下降。這是激光材料加工中的一種已知現象,原因是由較低能量脈沖形成的材料缺陷。在單脈沖燒蝕研究中,此類缺陷通常不是可見的對材料的真實“損傷”,但是它們確實會細微地修改材料,以至于后續同樣(低)能量的脈沖能夠造成損傷,即可檢測的燒蝕特征。閾值下降的幅度與施加的脈沖數量以累積系數為特征,更低的值對應于更急劇的閾值下降。下表 1 總結了 Spirit 激光器在兩種波長下的 PI 和 PET 的閾值和累積系數。

    表 1:不同波長和照射脈沖下的 PI 和 PET 的閾值摘要。

    我們發現,與紅外波長相比,綠光波長在脈沖數量增加時的閾值下降幅度更大,特別是在 PET 的情況下,從 1 到 100 個脈沖時,閾值下降了 9 倍。同樣值得注意的是,對于所有脈沖,兩種材料的紅外閾值都非常相似。

    考慮到聚合物的隔熱性,我們可以想像(甚至預計)到,在更高的 PRF 下,脈沖之間的熱積聚可能會有效地降低多脈沖燒蝕閾值。為了檢驗這一點,我們在 1 kHz 到 2MHz 的 PRF 下確定了 30 個脈沖照射的閾值,聚酰亞胺的結果如圖 2 所示。

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    圖 2:施加 30 個脈沖時聚酰亞胺的閾值下降取決于 PRF。

    數據表明,將激光 PRF 從 1 kHz 增加到 100 kHz,會顯著降低閾值,而 100 kHz 以后的閾值相對保持不變。值得注意的是,我們沒有觀察任何閾值增加的情況,而如果存在與等離子體和/或碎片屏蔽激光脈沖相關的問題,可能會發生這樣的情況。眾所周知,某些材料會發生這種現象,妨礙通過更高的 PRF 按比例擴展產量。因此,從這個角度來看,在 Spirit 提供高輸出功率的極高 PRF 下進行加工,不會有任何不利后果。在確定各種脈沖照射和頻率的燒蝕閾值行為之后,我們為兩種波長開發了 75 和 125 μm 厚PET 和 PI 薄膜的全切割工藝。表 2 中列出了單次和多次工藝在 2 MHz PRF 下的切割速度。

    表 2:使用 2 MHz PRF 的 Spirit 激光器實現各種切割速度。

    我們可以在數據中觀察到各種趨勢。例如,所有材料、波長和厚度的單次切割速度都高于多次切割。至于波長的影響,紅外波長在所有多次切割場景中都比綠光波長要快,而綠光波長在單次切割中與紅外波長的速度相同或者更快??紤]到紅外波長的平均功率顯著高于綠光波長,在所有情況下,更短的波長在每單位功率產量(即 mm/s/W)方面效率更高。

    盡管單次切割的速度更快,但是通過多次切割的更低脈沖重疊,可以更全面地實現高質量 USP 加工的優勢。圖 3

    是 125 μm 厚 PI 切口的顯微鏡照片,紅外和綠光波長的出色質量顯而易見。柳州激光切割

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    圖 3:使用紅外和綠光波長進行 125 μm 厚 PI 多次切割的出色質量和Z小 HAZ。

    兩種波長都幾乎或者完全沒有 HAZ。盡管紅外波長切口在邊緣上確實存在一些細小顆粒的碎片,但是輕微的加工后清潔就能輕松去除。對于綠光波長,尤其值得注意的是沒有 HAZ 和碎片。這也給綠光波長的更窄切口帶來了更多好處,在某些應用中可能很重要。對于 PET 的多次切割,我們發現了相似但不相同的結果(圖 4)。

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    圖 4:125 μm 厚 PET 多次切割的紅外與綠光波長對比照片。

    一個關鍵的觀察結果是,切口邊緣存在細微的膨脹,綠光和紅外波長都有,很可能是因為 PET 的軟化/熔化溫度比 PI 低得多。這種熔化效應導致紅外與綠光波長之間的質量差異不如 PI 那樣顯著。然而,綠光波長加工仍然具有更少殘留碎片的優勢。柳州鋼板銷售

    小結

    從醫療器械到 OLED 顯示器,PET 和 PI 薄膜在關鍵的應用中發揮著越來越重要的作用。本文中列出的燒蝕閾值數據描繪了在使用紅外或綠光波長、高或低脈沖照射以及低到高 PRF 進行加工時,預期的加工優勢和/或權衡的特征。在使用這些數據來得出全切割工藝時,通過 Spirt 飛秒激光器能夠實現的出色質量和高產量已經得到證實。


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