聚合物在各種技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和靈活性、電氣絕緣以及耐熱和耐化學(xué)性。特別值得注意的兩種聚合物：聚酰亞胺 （PI） 和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 （PET）。聚酰亞胺因其良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱／耐化學(xué)性而聞名，在柔性印刷電路板市場(chǎng)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，用作控制電流流動(dòng)的穩(wěn)定介電材料。樹(shù)脂形態(tài)的 PI 也用于熱固性碳纖維結(jié)構(gòu)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(yīng)用范圍從醫(yī)療器械到食品包裝。在作為基體材料時(shí)，PET 因其出色的強(qiáng)度重量比和總體抗斷裂性能而頗具吸引力；而在纖維形態(tài)下，它具有耐久、防水和無(wú)皺的結(jié)構(gòu)。然而，PI 和PET 這兩種材料有一個(gè)共同的重要應(yīng)用領(lǐng)域：OLED 平板顯示器。相對(duì)于其他低成本聚合物，PET 具有良好的溫度耐性，歷來(lái)都是常用的基底材料，但也用于別處。在要求更高的應(yīng)用中，PI 一流的強(qiáng)度、熱和電氣良好屬性能夠帶來(lái)各種好處。對(duì)于這兩種材料，在整個(gè)平板或 OLED 顯示器中使用的厚度可從幾微米的薄膜到數(shù)十微米或者更厚的薄片。隨著設(shè)備和顯示器變得更輕便且柔性／可折疊，總體厚度很可能會(huì)減小。

多年以來(lái)，激光器一直在諸多行業(yè)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(qū) （HAZ），但是眾所周知，超短脈沖 （USP） 激光器能夠經(jīng)受住挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步了解 PI 和 PET 的 USP 加工，研究人員在我們的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)（50 W 平均功率）下進(jìn)行了全面的燒蝕現(xiàn)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(shù)”），以及應(yīng)用此信息來(lái)開(kāi)發(fā)并優(yōu)化采用單次和多次方法的全切割工藝。我們使用兩種波長(zhǎng) ～17 μm（1／e2 直徑）的焦點(diǎn)光斑大小，確定了 1－100 個(gè)脈沖的固定光束（沖擊）照射的閾值。為了區(qū)分任何閾值對(duì)熱積聚的依賴(lài)性，我們還在各種脈沖重復(fù)頻率 （PRF） 下進(jìn)行了試驗(yàn)，從 1 Hz 到 2 MHz。實(shí)驗(yàn)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(gòu)的各種厚度的 PI 和 PET 薄片。圖 1 中標(biāo)繪了在Spirit 激光器的 1 MHz 標(biāo)稱(chēng) PRF 下，1－100 個(gè)紅外和綠光波長(zhǎng)脈沖的 PI 燒蝕閾值。

對(duì)于兩種波長(zhǎng)，我們發(fā)現(xiàn)，隨著施加的脈沖數(shù)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(xiàn)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(lèi)缺陷通常不是可見(jiàn)的對(duì)材料的真實(shí)“損傷”，但是它們確實(shí)會(huì)細(xì)微地修改材料，以至于后續(xù)同樣（低）能量的脈沖能夠造成損傷，即可檢測(cè)的燒蝕特征。閾值下降的幅度與施加的脈沖數(shù)量以累積系數(shù)為特征，更低的值對(duì)應(yīng)于更急劇的閾值下降。下表 1 總結(jié)了 Spirit 激光器在兩種波長(zhǎng)下的 PI 和 PET 的閾值和累積系數(shù)。

表 1：不同波長(zhǎng)和照射脈沖下的 PI 和 PET 的閾值摘要。

我們發(fā)現(xiàn)，與紅外波長(zhǎng)相比，綠光波長(zhǎng)在脈沖數(shù)量增加時(shí)的閾值下降幅度更大，特別是在 PET 的情況下，從 1 到 100 個(gè)脈沖時(shí)，閾值下降了 9 倍。同樣值得注意的是，對(duì)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(yù)計(jì)）到，在更高的 PRF 下，脈沖之間的熱積聚可能會(huì)有效地降低多脈沖燒蝕閾值。為了檢驗(yàn)這一點(diǎn)，我們?cè)?1 kHz 到 2MHz 的 PRF 下確定了 30 個(gè)脈沖照射的閾值，聚酰亞胺的結(jié)果如圖 2 所示。

圖 2：施加 30 個(gè)脈沖時(shí)聚酰亞胺的閾值下降取決于 PRF。

數(shù)據(jù)表明，將激光 PRF 從 1 kHz 增加到 100 kHz，會(huì)顯著降低閾值，而 100 kHz 以后的閾值相對(duì)保持不變。值得注意的是，我們沒(méi)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(guān)的問(wèn)題，可能會(huì)發(fā)生這樣的情況。眾所周知，某些材料會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，妨礙通過(guò)更高的 PRF 按比例擴(kuò)展產(chǎn)量。因此，從這個(gè)角度來(lái)看，在 Spirit 提供最高輸出功率的極高 PRF 下進(jìn)行加工，不會(huì)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?yōu)閮煞N波長(zhǎng)開(kāi)發(fā)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(shí)現(xiàn)各種切割速度。

我們可以在數(shù)據(jù)中觀察到各種趨勢(shì)。例如，所有材料、波長(zhǎng)和厚度的單次切割速度都高于多次切割。至于波長(zhǎng)的影響，紅外波長(zhǎng)在所有多次切割場(chǎng)景中都比綠光波長(zhǎng)要快，而綠光波長(zhǎng)在單次切割中與紅外波長(zhǎng)的速度相同或者更快?？紤]到紅外波長(zhǎng)的平均功率顯著高于綠光波長(zhǎng)，在所有情況下，更短的波長(zhǎng)在每單位功率產(chǎn)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(guò)多次切割的更低脈沖重疊，可以更全面地實(shí)現(xiàn)最高質(zhì)量 USP 加工的優(yōu)勢(shì)。圖 3

是 125 μm 厚 PI 切口的顯微鏡照片，紅外和綠光波長(zhǎng)的出色質(zhì)量顯而易見(jiàn)。

圖 3：使用紅外和綠光波長(zhǎng)進(jìn)行 125 μm 厚 PI 多次切割的出色質(zhì)量和最小 HAZ。

兩種波長(zhǎng)都幾乎或者完全沒(méi)有 HAZ。盡管紅外波長(zhǎng)切口在邊緣上確實(shí)存在一些細(xì)小顆粒的碎片，但是輕微的加工后清潔就能輕松去除。對(duì)于綠光波長(zhǎng)，尤其值得注意的是沒(méi)有 HAZ 和碎片。這也給綠光波長(zhǎng)的更窄切口帶來(lái)了更多好處，在某些應(yīng)用中可能很重要。對(duì)于 PET 的多次切割，我們發(fā)現(xiàn)了相似但不相同的結(jié)果（圖 4）。

圖 4：125 μm 厚 PET 多次切割的紅外與綠光波長(zhǎng)對(duì)比照片。

一個(gè)關(guān)鍵的觀察結(jié)果是，切口邊緣存在細(xì)微的膨脹，綠光和紅外波長(zhǎng)都有，很可能是因?yàn)?PET 的軟化／熔化溫度比 PI 低得多。這種熔化效應(yīng)導(dǎo)致紅外與綠光波長(zhǎng)之間的質(zhì)量差異不如 PI 那樣顯著。然而，綠光波長(zhǎng)加工仍然具有更少殘留碎片的優(yōu)勢(shì)。

從醫(yī)療器械到 OLED 顯示器，PET 和 PI 薄膜在關(guān)鍵的應(yīng)用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文中列出的燒蝕閾值數(shù)據(jù)描繪了在使用紅外或綠光波長(zhǎng)、高或低脈沖照射以及低到高 PRF 進(jìn)行加工時(shí)，預(yù)期的加工優(yōu)勢(shì)和／或權(quán)衡的特征。在使用這些數(shù)據(jù)來(lái)得出全切割工藝時(shí)，通過(guò) Spirt 飛秒激光器能夠?qū)崿F(xiàn)的出色質(zhì)量和高產(chǎn)量已經(jīng)得到證實(shí)。

Spirit 1030－100 和 515－50

Spirit 1030－100 和 515－50 激光器設(shè)定了高精度工業(yè)制造的飛秒激光器新標(biāo)準(zhǔn)。這些激光器提供高平均功率、高脈沖能量和高重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)量?？蛻?hù)得益于工業(yè)上可獲得的最短脈沖寬度和一流的光束質(zhì)量，從而能夠以最高產(chǎn)量在幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū) （HAZ） 的情況下加工具有最高精度的復(fù)雜而挑戰(zhàn)性的部件。Spirit 1030－100 和 515－50 為工業(yè)用途而設(shè)計(jì)，以最低的購(gòu)置成本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的全天候運(yùn)行。