Laserablatie Wordt snel een populaire methode voor de verwerking van siliconen. Dit komt door de hoge precisie en flexibiliteit. In dit artikel bespreken we het principe, de belangrijkste parameters en het toenemende gebruik ervan in sectoren zoals elektronica, gezondheidszorg en productie.
Wat is siliconenlaserablatie?
Siliconenlaserablatie is een geavanceerde technologie die gebruikmaakt van een laserstraal met hoge energie om het oppervlak van siliconen nauwkeurig te verwijderen of te modificeren. Door de energie, golflengte en puls van de laser aan te passen, kunnen fijne structuren zoals gaten, groeven en patronen op micrometer- of nanometerschaal worden gecreëerd.
Dit proces snijdt details veel fijner dan een mensenhaar, zonder dat de siliconen smelten of vervormen. Het wordt gebruikt in hightechproducten zoals smartwatches, medische chips en afdichtingen van accu's van elektrische voertuigen.
Wat is het principe van siliconenlaserablatie?
Wanneer een hoogenergetische laserstraal het siliconenoppervlak raakt, absorbeert het materiaal de laserenergie en zet deze snel om in warmte. Als de temperatuur in een bepaald gebied de drempelwaarde voor verdamping of ontleding overschrijdt, verandert het siliconenmateriaal snel in gas of kleine deeltjes die worden verwijderd.
Bij specifieke lasergolflengten kunnen er ook fotochemische reacties optreden, die de moleculaire ketens van het silicium rechtstreeks afbreken en de ontleding ervan bevorderen.
Door de lasersterkte, de puls en het scanpad nauwkeurig te regelen, kan er met een precisie van een micron of zelfs een nanometer materiaal van het siliconenoppervlak worden verwijderd. Zo ontstaan de gewenste patronen, markeringen of microstructuren.
Wat zijn de belangrijkste parameters bij siliconenlaserablatie?
| Parameter | Typisch bereik/opties | Betekenis en impact |
| Lasergolflengte | 355 nm (UV) / 10,6 μm (CO₂) | Bepaalt de materiaalabsorptie en verwerkingsprecisie. UV is geschikt voor fijne structuren, terwijl CO₂ geschikt is voor snelle, grove verwerking. |
| Laservermogen | 10-200W | Een hoger vermogen vergroot de ablatiediepte, maar een vermogen >150W kan carbonisatie veroorzaken. |
| Pulsfrequentie | 1-200 kHz | Een hoge frequentie (>50 kHz) verbetert de oppervlaktekwaliteit, terwijl een lage frequentie (<20 kHz) de energie van een enkele puls verhoogt, wat geschikt is voor diepe gatbewerking. |
| Scansnelheid | 100-2000 mm/s | Hogere snelheden verminderen de thermische impact, maar moeten wel gepaard gaan met een hoger vermogen (hoger vermogen → hogere snelheid). |
| Focus-offset | ±0,1 mm | Positieve offset (uitgebreide spot) vermindert de energiedichtheid. Negatieve offset (samengedrukte spot) verbetert de penetratie. |
| Gasomgeving | Lucht / Stikstof / Argon | Stikstof vermindert oxidatie en verkoling, terwijl argon het plasma-afschermingseffect vermindert en zo de energie-efficiëntie van 20% verbetert. |
| Herhalingsaantal | 1-10 keer | Met meerdere scans wordt de diepte bepaald (20-50 μm per scan toegevoegd), maar voorzichtigheid is geboden om te voorkomen dat de zijwand smelt. |
| Koelmethode | Natuurlijke koeling / Watergekoeld substraat / Vloeibare stikstofspray | Met koeling met vloeibare stikstof (-196°C) kan de thermische impactzone (HAZ) worden verkleind van 50 μm naar 10 μm, maar dit brengt hogere kosten met zich mee voor de 30%. |
Lasergolflengteselectie
Medische siliconenHet wordt aanbevolen om een 355 nm UV-laser te gebruiken. De hoge fotonenergie (3,5 eV) kan Si-O-bindingen direct verbreken, waardoor er geen thermische schade kan optreden bij de verwerking (Ra < 1 μm). Dit is vooral handig voor siliconen van medische kwaliteit, waar precisie cruciaal is.
Siliconen van industriële kwaliteit: De 10,6 μm CO₂-laser is geschikt voor snellere ablatie dankzij de thermische effecten (efficiëntie tot 5 cm²/min). Nabewerking is echter noodzakelijk om de tijdens het ablatieproces gevormde verkoolde laag te verwijderen. Deze golflengte wordt doorgaans gebruikt voor industriële toepassingen waar snelheid belangrijker is dan precisie.
Kracht-snelheid coördinatie
Gouden formule: Ablatiediepte ≈ (Vermogen × √Frequentie) / Snelheid
Voorbeeld: Een laser van 100 W bij 50 kHz, 500 mm/s geeft een ablatiediepte van ongeveer 80 μm.
Veiligheidsdrempel: Een vermogensdichtheid >10⁷ W/cm² kan tot materiaaldefecten leiden.
Pulsfrequentie en randkwaliteit
Hoge frequentie (>100 kHz): Het pulsinterval is korter dan 10 μs. Dit vermindert warmteaccumulatie en is ideaal voor de verwerking van biomimetische kanalen, waarbij de randruwheid onder Ra < 2 μm wordt gehouden.
Lage frequentie (<20 kHz)De energie van de enkele puls is groter dan 1 mJ, waardoor deze geschikt is voor het bewerken van batterijafdichtingssleuven. Deze frequentie garandeert een consistente diepte, met een tolerantie van ±5 μm, en levert betrouwbare resultaten voor diepere en complexere sneden.
Optimalisatie van de gasomgeving
Stikstofzuivering:Met een stroomsnelheid van 15-20 l/min wordt koolstofresten door 60% gereduceerd, waardoor het geschikt is voor de verwerking van siliconen van levensmiddelenkwaliteit.
Argonbescherming:Bij de verwerking van geleidende siliconen voorkomt Argon oxidatie van de metaalvulstof (weerstandsvariatiesnelheid < 3%).
Vergelijking van koelstrategieën
| Koelmethode | Thermische impactzone (HAZ) | Kostenstijging | Sollicitatie |
| Natuurlijke koeling | 50-100 μm | 0% | Decoratieve patronen met lage precisie |
| Watergekoeld substraat | 30-50μm | 15% | Industriële componenten met gemiddelde precisie |
| Vloeibare stikstofspray | 10-20 μm | 30% | Microstructuren van medische apparaten |
Typische parametercombinatiegevallen
Medische microfluïdische chip
- Parameters: 355 nm, 80 W, 150 kHz, 800 mm/s, stikstof, 3 scans, koeling met vloeibare stikstof
- Resultaat:Er wordt een kanaal van 50 μm breed x 150 μm diep gemaakt met een verticaliteit van de zijwand van meer dan 89°, zodat er geen koolstofresten achterblijven.
Nieuwe energievoertuigafdichtingspad
- Parameters: 10,6 μm, 150 W, 20 kHz, 300 mm/s, lucht, 1 scan, natuurlijke koeling
- Resultaat:Een trapeziumvormige groef van 200 μm breed en 500 μm diep wordt geëtst met een verwerkingssnelheid van 12 delen per minuut.
Flexibele elektronica-isolatiegroeven
- Parameters: 355nm, 50W, 100kHz, 1200mm/s, Argon, 5 scans, Watergekoeld substraat
- Resultaat:Een 80 μm brede groef wordt geëtst op geleidende siliconen met een diëlektrische sterkte groter dan 20 kV/mm.
Welke andere factoren beïnvloeden het laserablatieproces van siliconen?
Naast de laserbewerkingsparameters spelen de inherente eigenschappen van siliconen een cruciale rol bij het beïnvloeden van de uiteindelijke resultaten van laserablatie.
| Factor | Impact op laserablatie |
| Siliconentype en -formulering | Laserabsorptie, thermische geleidbaarheid en ontledingseigenschappen |
| Hardheid | Barsten, schilferen, smelten of vervormen |
| Oppervlakteconditie | Ongelijke ablatie en ongelijke energieverdeling |
Ten eerste zijn het type siliconen en de samenstelling ervan de belangrijkste factoren. Verschillende soorten siliconen verschillen in moleculaire structuur en crosslinkingdichtheid. Deze verschillen hebben direct invloed op hun vermogen om specifieke lasergolflengten, thermische geleidbaarheid en ontledingseigenschappen bij hoge temperaturen te absorberen. Bovendien kunnen vulstoffen en pigmenten de optische absorptie, warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid van het materiaal aanzienlijk beïnvloeden. Dit beïnvloedt op zijn beurt de absorptie-efficiëntie van laserenergie, de ablatiedrempel en de materiaalverwijderingssnelheid.
Daarnaast heeft de hardheid van siliconen ook invloed op het laserablatieproces. Hardere siliconen kunnen gevoeliger zijn voor brosse breuk of afbladdering onder laserlicht, terwijl zachtere siliconen eerder smelten of vervormen. Hardheid heeft ook invloed op de efficiëntie van het verwijderen van ablatieproducten en de uiteindelijke oppervlakteafwerking.
Ten slotte mag de oppervlakteconditie van siliconen, zoals de reinheid en de initiële ruwheid, niet over het hoofd worden gezien. Verontreinigingen zoals olie of stof op het oppervlak kunnen laserenergie absorberen of verstrooien, waardoor de efficiëntie van de energieoverdracht naar het siliconenoppervlak afneemt en mogelijk een ongelijkmatige ablatie ontstaat. Een ruw oppervlak kan ook leiden tot een ongelijkmatige verdeling van laserenergie, wat de uniformiteit en precisie van de ablatie beïnvloedt.
Voordat u siliconenlaserablatie uitvoert, is het daarom essentieel om de inherente eigenschappen van siliconen volledig te begrijpen en te evalueren. Het optimaliseren van de laserprocesparameters op basis van deze kenmerken is een belangrijke stap in het bereiken van de gewenste ablatieresultaten.
Wat zijn de toepassingen van siliconenlaserablatie?
Siliconenlaserablatie heeft een groot potentieel op meerdere gebieden.
| Veld | Toepassingen |
| Microprocessing & Microstructuurproductie | 3D-vloeistofcircuits, celcultuurchips, microlenzen, flexibele elektronica, sensoren, antislipoppervlakken |
| Oppervlaktemodificatie | Optische apparaten, SiO2-film |
| Biomedische toepassingen | Fotosensibilisatoren, antibacteriële middelen, medische hulpmiddelen, katheters |
| Industriële toepassingen | Siliconenmallen, met koolstofvezel versterkte siliconencomposieten |
Microprocessing en microstructuurfabricage
Laserablatie wordt gebruikt om kleine gaatjes te creëren, zoals doorlopende gaten met een diameter van 1 µm. Het is ideaal voor toepassingen zoals 3D-vloeistofcircuits of celkweekchips. Bovendien kan 157 nm F2-laserablatie SiO2-micro-uitsteeksels vormen op siliconenoppervlakken, die vervolgens worden verwerkt tot microlenzen met brandpuntsafstanden tussen 10 en 170 µm. Laserablatie wordt ook veel gebruikt voor oppervlaktepatronen in flexibele elektronica, sensoren of antislipoppervlakken.
Oppervlaktemodificatie
Een 193 nm ArF-laser kan het siliconenoppervlak modificeren om een silica-achtige structuur te creëren, wat resulteert in wit licht. Dit is nuttig in optische apparaten. Bovendien maakt hoogenergetische ablatie in combinatie met een zuurstofatmosfeer de afzetting van een transparante SiO2-film op een substraat mogelijk, waarmee een transmissiesnelheid van 95% wordt bereikt.
Biomedische toepassingen
Femtosecondelasers kunnen in water worden gebruikt om siliconen te ablateren en onbesmette siliconennanodeeltjes te produceren. Deze nanodeeltjes kunnen worden gebruikt als fotosensibilisatoren of antibacteriële middelen. Bij de productie van medische hulpmiddelen kan laserablatie katheteroppervlakken microstructureren, wat de biocompatibiliteit of de werking bij medicijnafgifte verbetert.
Industriële toepassingen
Laserablatie wordt gebruikt om resten van siliconenmallen contactloos en chemievrij te verwijderen. Het wordt ook gebruikt bij de verwerking van composietmaterialen, zoals nauwkeurig snijden of oppervlaktebehandeling van koolstofvezelversterkte siliconencomposieten.
Waarom is siliconenlaserablatie beter dan traditionele graveermethoden?
Siliconenlaserablatie biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele graveermethoden. De contactloze werking voorkomt materiaalvervorming en -beschadiging, waardoor het bijzonder geschikt is voor zachte siliconen. De hoge precisie van de laser maakt bewerkingen op micronniveau mogelijk, wat traditionele mechanische graveertechnieken overtreft. Bovendien biedt laserablatie een grote flexibiliteit, omdat complexe patronen eenvoudig softwarematig kunnen worden aangepast zonder dat er mallen hoeven te worden gewisseld. Het kan ook oppervlaktemodificaties uitvoeren, waardoor nieuwe eigenschappen aan de siliconen worden toegevoegd. Bovendien is het eenvoudig te automatiseren, wat op de lange termijn onderhoudskosten kan verlagen. Deze voordelen maken laserablatie een krachtigere en veelbelovende methode voor de verwerking van siliconen.
Conclusie
Siliconenlaserablatie biedt tal van voordelen ten opzichte van traditionele methoden, zoals precisie, flexibiliteit en de mogelijkheid om siliconenoppervlakken te modificeren zonder schade aan te richten. Naarmate de technologie vordert, is het potentieel voor nog meer industrieën enorm. Omarm deze innovatie en ontsluit nieuwe mogelijkheden in de siliconenverwerking.
Met jarenlange expertise in de productie van siliconen zijn wij gespecialiseerd in het leveren van hoogwaardige siliconenproducten met behulp van geavanceerde productietechnieken. Of u nu maatwerk of specifieke eigenschappen nodig heeft, ons team staat klaar om uw visie tot leven te brengen. Neem vandaag nog contact met ons op om de perfecte siliconenoplossing op maat voor u te creëren.
