Laserablasjon er raskt i ferd med å bli en foretrukket metode for bearbeiding av silikon. Dette er på grunn av dens høye presisjon og fleksibilitet. I denne artikkelen vil vi diskutere prinsippet, nøkkelparametrene og den økende bruken i bransjer som elektronikk, helsevesen og produksjon.
Hva er silikonlaserablasjon?
Silikonlaserablasjon er en avansert teknologi som bruker en høyenergilaserstråle for å fjerne eller modifisere overflaten av silikon presist. Ved å justere laserens energi, bølgelengde og puls kan den lage fine strukturer som hull, spor og mønstre på mikron- eller nanometerskala.
Denne prosessen skjærer ut detaljer mye finere enn et menneskehår uten at silikonet smelter eller deformeres. Den brukes i høyteknologiske produkter som smartklokker, medisinske brikker og batteripakninger i elbiler.
Hva er prinsippet for silikonlaserablasjon?
Når en høyenergilaserstråle treffer silikonoverflaten, absorberer materialet laserenergien og omdanner den raskt til varme. Hvis temperaturen i et lokalisert område overstiger terskelen for fordampning eller nedbrytning, omdannes silikonet raskt til gass eller små partikler som fjernes.
For spesifikke laserbølgelengder kan det også forekomme fotokjemiske reaksjoner, som direkte bryter ned silikonens molekylkjeder og hjelper til med nedbrytningen.
Ved å kontrollere laserens effekt, puls og skannebane presist, er det mulig å fjerne materiale fra silikonoverflaten med mikron- eller til og med nanometerpresisjon, og dermed skape de ønskede mønstrene, markeringene eller mikrostrukturene.
Hva er nøkkelparametrene i silikonlaserablasjon?
| Parameter | Typisk rekkevidde/alternativer | Betydning og innvirkning |
| Laserbølgelengde | 355 nm (UV) / 10,6 μm (CO₂) | Bestemmer materialabsorpsjon og prosesseringspresisjon. UV er egnet for fine strukturer, mens CO₂ er bra for rask grovprosessering. |
| Laserkraft | 10–200 W | Høyere effekt øker ablasjonsdybden, men effekt >150 W kan forårsake karbonisering. |
| Pulsfrekvens | 1–200 kHz | Høy frekvens (>50 kHz) forbedrer overflatekvaliteten, mens lav frekvens (<20 kHz) øker energien fra enkeltpulser, egnet for dyphullsprosessering. |
| Skannehastighet | 100–2000 mm/s | Høyere hastigheter reduserer termisk påvirkning, men må samsvare med effekten (høyere effekt → høyere hastighet). |
| Fokusforskyvning | ±0,1 mm | Positiv forskyvning (utvidet punkt) reduserer energitettheten. Negativ forskyvning (komprimert punkt) forbedrer penetrasjonen. |
| Gassmiljø | Luft / nitrogen / argon | Nitrogen reduserer oksidasjon og karbonisering, mens argon reduserer plasmaskjermingseffekter, noe som forbedrer energieffektiviteten med 20%. |
| Antall repetisjoner | 1–10 ganger | Flere skanninger kontrollerer dybden (legger til 20–50 μm per skanning), men det må være forsiktighet for å unngå smelting av sideveggene. |
| Kjølemetode | Naturlig kjøling / Vannkjølt substrat / Flytende nitrogenspray | Flytende nitrogenkjøling (-196 °C) kan redusere termisk støtsone (HAZ) fra 50 μm til 10 μm, men legger til 30%-kostnader. |
Valg av laserbølgelengde
Medisinsk silikonDet anbefales å bruke en 355 nm UV-laser. Den høye fotonenergien (3,5 eV) kan bryte Si-O-bindinger direkte, noe som muliggjør behandling uten termisk skade (Ra < 1 μm). Dette er spesielt nyttig for medisinsk silikon der presisjon er avgjørende.
Silikon av industriell kvalitetEn 10,6 μm CO₂-laser er egnet for raskere ablasjon på grunn av dens termiske effekter (effektivitet opptil 5 cm²/min). Etterbehandling er imidlertid nødvendig for å fjerne det karboniserte laget som dannes under ablasjonsprosessen. Denne bølgelengden brukes vanligvis til industrielle applikasjoner der hastighet prioriteres fremfor presisjon.
Kraft-hastighetskoordinering
Gyllen formelAblasjonsdybde ≈ (Effekt × √Frekvens) / Hastighet
Eksempel100 W laser ved 50 kHz, 500 mm/s gir en ablasjonsdybde på omtrent 80 μm.
SikkerhetsterskelEffekttetthet >10⁷ W/cm² kan forårsake materialhavari.
Pulsfrekvens og kantkvalitet
Høyfrekvens (>100kHz)Pulsintervallet er mindre enn 10 μs. Dette reduserer varmeakkumulering og er ideelt for behandling av biomimetiske kanaler, der kantruheten holdes under Ra < 2 μm.
Lavfrekvens (<20 kHz)Den enkle pulsenergien er større enn 1 mJ, noe som gjør den egnet for behandling av batteriforseglingsspor. Denne frekvensen sikrer jevn dybde, med en toleranse på ±5 μm, noe som gir pålitelige resultater for dypere og mer intrikate kutt.
Optimalisering av gassmiljø
NitrogenrensingMed en strømningshastighet på 15–20 l/min reduseres karbonrester med 60%, noe som gjør den egnet for behandling av silikon i næringsmiddelkvalitet.
ArgonbeskyttelseVed bearbeiding av ledende silikon forhindrer argon oksidasjon av metallfyllstoff (motstandsvariasjonsrate < 3%).
Sammenligning av kjølestrategi
| Kjølemetode | Termisk påvirkningssone (HAZ) | Kostnadsøkning | applikasjon |
| Naturlig avkjøling | 50–100 μm | 0% | Lavpresisjons dekorative mønstre |
| Vannkjølt substrat | 30–50 μm | 15% | Industrielle komponenter med middels presisjon |
| Flytende nitrogenspray | 10–20 μm | 30% | Mikrostrukturer av medisinsk utstyr |
Typiske tilfeller av parameterkombinasjoner
Medisinsk mikrofluidisk chip
- Parametere355 nm, 80 W, 150 kHz, 800 mm/s, nitrogen, 3 skanninger, kjøling med flytende nitrogen
- ResultatEn kanal på 50 μm bred x 150 μm dyp er produsert med en sideveggvertikalitet på over 89°, og det er ingen karbonrester igjen.
Ny energi forseglingspute for kjøretøy
- Parametere10,6 μm, 150 W, 20 kHz, 300 mm/s, luft, 1 skanning, naturlig kjøling
- ResultatEt trapesformet spor på 200 μm bredt x 500 μm dypt etses med en prosesseringshastighet på 12 deler per minutt.
Fleksible isolasjonsspor for elektronikk
- Parametere355 nm, 50 W, 100 kHz, 1200 mm/s, Argon, 5 skanninger, vannkjølt substrat
- ResultatEt 80 μm bredt spor er etset på ledende silikon med en dielektrisk styrke større enn 20 kV/mm.
Hvilke andre faktorer påvirker laserablasjonsprosessen av silikon?
I tillegg til laserbehandlingsparametrene spiller silikonets iboende egenskaper en avgjørende rolle i å påvirke sluttresultatet av laserablasjon.
| Faktor | Innvirkning på laserablasjon |
| Silikontype og formel | Laserabsorpsjon, varmeledningsevne og nedbrytningsegenskaper |
| Hardhet | Sprekk, skall av, smelte eller deformer |
| Overflatetilstand | Ujevn ablasjon og ujevn energifordeling |
For det første er typen silikon og dens formulering de primære faktorene. Ulike typer silikon har forskjeller i molekylær struktur og tverrbindingstetthet. Disse forskjellene påvirker direkte deres evne til å absorbere spesifikke laserbølgelengder, termisk ledningsevne og nedbrytningsegenskaper ved høye temperaturer. Dessuten kan fyllstoffer og pigmenter endre materialets optiske absorpsjon, varmekapasitet og termisk ledningsevne betydelig. Dette påvirker igjen laserens energiabsorpsjonseffektivitet, ablasjonsterskelen og materialfjerningshastigheten.
Deretter påvirker silikonens hardhet også laserablasjonsprosessen. Hardere silikon kan være mer utsatt for sprøbrudd eller avskalling under lasereksponering, mens mykere silikon har større sannsynlighet for å smelte eller deformeres. Hardhet påvirker også effektiviteten av fjerning av ablasjonsprodukter og den endelige overflatefinishen.
Til slutt bør man ikke overse overflatens tilstand, som renhet og initial ruhet. Forurensninger som olje eller støv på overflaten kan absorbere eller spre laserenergi, noe som reduserer effektiviteten av energioverføringen til silikonoverflaten og potensielt fører til ujevn ablasjon. En ru overflate kan også forårsake ujevn fordeling av laserenergi, noe som påvirker ablasjonens ensartethet og presisjon.
Derfor er det viktig å forstå og evaluere silikonets iboende egenskaper før man utfører silikonlaserablasjon. Optimalisering av laserprosessparametrene basert på disse egenskapene er et viktig trinn for å oppnå de ønskede ablasjonsresultatene.
Hva er bruksområdene for silikonlaserablasjon?
Silikonlaserablasjon har vist stort potensial på flere felt.
| Felt | applikasjoner |
| Mikroprosessering og mikrostrukturproduksjon | 3D-væskekretser, cellekulturbrikker, mikrolinser, fleksibel elektronikk, sensorer, sklisikre overflater |
| Overflatemodifisering | Optiske enheter, SiO2-film |
| Biomedisinske anvendelser | Fotosensibilisatorer, antibakterielle midler, medisinsk utstyr, katetre |
| Industrielle applikasjoner | Silikonformer, karbonfiberforsterkede silikonkompositter |
Mikroprosessering og mikrostrukturproduksjon
Laserablasjon brukes til å lage små hull, som gjennomgående hull med en diameter på 1 µm. Det er ideelt for applikasjoner som 3D-væskekretser eller cellekulturbrikker. Dessuten kan 157 nm F2-laserablasjon danne SiO2-mikroutstikkere på silikonoverflater, som deretter bearbeides til mikrolinser med brennvidder mellom 10–170 µm. Laserablasjon er også mye brukt til overflatemønstring i fleksibel elektronikk, sensorer eller sklisikre overflater.
Overflatemodifisering
En 193 nm ArF-laser kan modifisere silikonoverflaten for å lage en silikalignende struktur, som produserer hvitt lysluminescens. Dette er nyttig i optiske enheter. Videre tillater høyenergiablasjon kombinert med en oksygenatmosfære avsetning av en transparent SiO2-film på et substrat, noe som oppnår en transmittansrate på 95%.
Biomedisinske anvendelser
Femtosekundlasere kan brukes i vann for å ablatere silikon og produsere uforurensede silikon-nanopartikler. Disse nanopartiklene kan brukes som fotosensibilisatorer eller antibakterielle midler. I produksjon av medisinsk utstyr kan laserablasjon mikrostrukturere kateteroverflater, noe som forbedrer biokompatibilitet eller legemiddelfrigjøringsytelse.
Industrielle applikasjoner
Laserablasjon brukes til å rense rester fra silikonformer på en kontaktfri og kjemikaliefri måte. Det brukes også i bearbeiding av komposittmaterialer, for eksempel presis kutting eller overflatebehandling av karbonfiberforsterkede silikonkompositter.
Hvorfor er silikonlaserablasjon bedre enn tradisjonelle graveringsmetoder?
Silikonlaserablasjon tilbyr flere fordeler i forhold til tradisjonelle graveringsmetoder. Den berøringsfrie naturen forhindrer materialdeformasjon og skade, noe som gjør den spesielt egnet for myk silikon. Laserens høye presisjon muliggjør prosessering på mikronnivå, noe som overgår tradisjonell mekanisk gravering. Dessuten gir laserablasjon stor fleksibilitet, ettersom komplekse mønstre enkelt kan tilpasses gjennom programvare uten behov for å bytte former. Den kan også oppnå overflatemodifikasjoner, og legge til nye egenskaper til silikonet. Dessuten er den enkel å automatisere, noe som kan redusere vedlikeholdskostnadene på lang sikt. Disse fordelene gjør laserablasjon til en kraftigere og mer lovende metode for silikonprosessering.
Konklusjon
Silikonlaserablasjon gir en rekke fordeler i forhold til tradisjonelle metoder, og tilbyr presisjon, fleksibilitet og muligheten til å modifisere silikonoverflater uten å forårsake skade. Etter hvert som teknologien utvikler seg, er potensialet for enda flere bransjer enormt. Omfavn denne innovasjonen for å låse opp nye muligheter innen silikonbehandling.
Med årelang ekspertise innen silikonproduksjon spesialiserer vi oss på å levere silikonprodukter av høy kvalitet ved hjelp av avanserte produksjonsteknikker. Enten du trenger tilpassede design eller spesifikke funksjoner, er teamet vårt her for å realisere visjonen din. Ta kontakt med oss i dag for å lage den perfekte silikonløsningen skreddersydd for dine behov.
