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(duì)相關(guān)的脈沖激光器進(jìn)行介紹外，還介紹了IPG享有盛譽(yù)、極具革命性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)——QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器及其對(duì)陶瓷、藍(lán)寶石等材料的應(yīng)用。
氧化鋁（多晶Al2O3）和氮化鋁（AlN）被公認(rèn)為是超級(jí)導(dǎo)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(lán)寶石，硬度特別高，僅次于鉆石。與傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃相比，藍(lán)寶石不僅更堅(jiān)固，更耐劃，而且光傳輸從紫外線到近紅外，導(dǎo)熱性能也極佳，已經(jīng)大量應(yīng)用于LED行業(yè)。它的另一個(gè)增長點(diǎn)是消費(fèi)電子行業(yè)，可用于制造手機(jī)攝像頭、功能鍵甚至是整個(gè)顯示屏。
與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用例如鈑金切割相比，進(jìn)行精密加工時(shí)所需用到的設(shè)備及工藝更強(qiáng)調(diào)精確度以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪M(jìn)程控制。由于這些應(yīng)用往往對(duì)熱能很敏感，對(duì)精確度有極高的要求，所以，所選激光器的類型、規(guī)格、光學(xué)系統(tǒng)及硬件配置對(duì)于穩(wěn)定的規(guī)模生產(chǎn)而言至關(guān)重要。QCW準(zhǔn)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(shí)，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(zhǔn)連續(xù)激光器：YLM-150-1500-QCW和YLR-300-3000-QCW，對(duì)氧化鋁、氮化鋁、藍(lán)寶石等材料進(jìn)行鉆孔、劃線與切割。
YLM-150-1500-QCW采用單模光纖，芯徑14μm，最大峰值功率1.5kW，平均輸出功率150W，連續(xù)模式時(shí)最高可達(dá)250W
YLR-300-3000-QCW采用多模光纖，芯徑50μm，最大峰值功率3kW，平均輸出功率300W
脈沖周期在10μs至50ms范圍內(nèi)可調(diào)，實(shí)際范圍取決于操作模式及參數(shù)設(shè)置
熱加工時(shí)脈沖周期相對(duì)較長，基板的局部溫度超過熔點(diǎn)，輔助氣體（如空氣、氮?dú)狻⒀鯕饣驓鍤猓┮晕锢硇问角謇砘迳系娜廴谖铩?/p>
光束通過帶有一定焦距的準(zhǔn)直鏡（一般焦距范圍為50-150mm）經(jīng)聚焦后至切割頭。聚焦鏡的焦距根據(jù)所需應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，一般為50-200mm。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(biāo)之間的距離取決于所需應(yīng)用，但直徑和距離通常均為0.5-1mm。用戶可以通過設(shè)定脈沖周期、重復(fù)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(shí)，一個(gè)脈沖一個(gè)孔，所以準(zhǔn)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635μm的氧化鋁（96%），以300孔/s的速度打孔，孔間距為150μm，基板在光束下方以45mm/s的速度線性移動(dòng)，單模光纖，脈沖周期200μs。當(dāng)然，脈沖周期越短，鉆孔速度就越快，直至達(dá)到最大化。這也就是說，操作過程中存在一個(gè)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所示為鉆孔的入口端及出口端。鉆孔出口端以顯微鏡手動(dòng)測量為22±3μm，入口端為49±3μm。基板在操作前已經(jīng)過覆壓，打孔后進(jìn)行清潔/拋光。
圖1 635μm氧化鋁（96%）鉆孔，300孔/s
在實(shí)際應(yīng)用中，除了能夠很好地?zé)g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(duì)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(shí)。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(huì)同時(shí)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(jìn)激光工藝的方式加強(qiáng)燒蝕，無需覆壓，但在某些時(shí)候可能還是需要用涂層來改善整體質(zhì)量，減少渣屑。）
