Лазерная абляция быстро становится предпочтительным методом обработки силикона. Это связано с его высокой точностью и гибкостью. В этой статье мы обсудим его принцип, ключевые параметры и его растущее использование в таких отраслях, как электроника, здравоохранение и производство.
Что такое лазерная абляция силикона?
Лазерная абляция силикона — это передовая технология, которая использует высокоэнергетический лазерный луч для точного удаления или изменения поверхности силикона. Регулируя энергию лазера, длину волны и импульс, можно создавать тонкие структуры, такие как отверстия, канавки и узоры в микронном или нанометровом масштабе.
Этот процесс вырезает детали гораздо тоньше человеческого волоса, не вызывая при этом плавления или деформации силикона. Он используется в высокотехнологичных продуктах, таких как умные часы, медицинские чипы и уплотнения аккумуляторов электромобилей.
В чем заключается принцип лазерной абляции силикона?
Когда высокоэнергетический лазерный луч попадает на поверхность силикона, материал поглощает энергию лазера и быстро преобразует ее в тепло. Если температура в локализованной области превышает порог испарения или разложения, силикон быстро превращается в газ или мелкие частицы, которые удаляются.
При определенных длинах волн лазера могут также происходить фотохимические реакции, которые напрямую разрушают молекулярные цепи силикона и способствуют его разложению.
Точно контролируя мощность лазера, импульс и траекторию сканирования, можно удалять материал с поверхности силикона с микронной или даже нанометровой точностью, создавая желаемые узоры, маркировку или микроструктуры.
Каковы основные параметры лазерной абляции силикона?
| Параметр | Типичный диапазон/опции | Значение и влияние |
| Длина волны лазера | 355 нм (УФ) / 10,6 мкм (CO₂) | Определяет поглощение материала и точность обработки. УФ подходит для тонких структур, тогда как CO₂ хорош для быстрой грубой обработки. |
| Мощность лазера | 10-200 Вт | Более высокая мощность увеличивает глубину абляции, но мощность >150 Вт может вызвать карбонизацию. |
| Частота импульса | 1-200 кГц | Высокая частота (>50 кГц) улучшает качество поверхности, а низкая частота (<20 кГц) увеличивает энергию одиночного импульса, что подходит для обработки глубоких отверстий. |
| Скорость сканирования | 100-2000мм/с | Более высокие скорости снижают тепловое воздействие, но должны соответствовать мощности (выше мощность → выше скорость). |
| Смещение фокуса | ±0,1 мм | Положительное смещение (расширенное пятно) снижает плотность энергии. Отрицательное смещение (сжатое пятно) увеличивает проникновение. |
| Газовая среда | Воздух / Азот / Аргон | Азот снижает окисление и карбонизацию, а аргон снижает эффект экранирования плазмы, повышая энергоэффективность на 20%. |
| Количество повторений | 1-10 раз | Глубину контролируют с помощью многократных сканирований (добавляя 20–50 мкм за сканирование), однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать плавления боковых стенок. |
| Метод охлаждения | Естественное охлаждение / Водоохлаждаемый субстрат / Распыление жидкого азота | Охлаждение жидким азотом (-196°C) может уменьшить зону термического воздействия (ЗТВ) с 50 мкм до 10 мкм, но увеличивает стоимость 30%. |
Выбор длины волны лазера
Силикон медицинского назначения: Рекомендуется использовать УФ-лазер 355 нм. Его высокая энергия фотонов (3,5 эВ) может напрямую разрывать связи Si-O, что позволяет производить обработку без термического повреждения (Ra < 1 мкм). Это особенно полезно для медицинского силикона, где точность имеет решающее значение.
Промышленный силикон: CO₂-лазер 10,6 мкм подходит для более быстрой абляции благодаря своему тепловому эффекту (эффективность до 5 см²/мин). Однако постобработка необходима для удаления карбонизированного слоя, образовавшегося в процессе абляции. Эта длина волны обычно используется в промышленных приложениях, где скорость имеет приоритет над точностью.
Координация мощности и скорости
Золотая Формула: Глубина абляции ≈ (Мощность × √Частота) / Скорость
Пример: Лазер мощностью 100 Вт при 50 кГц, 500 мм/с обеспечивает глубину абляции приблизительно 80 мкм.
Порог безопасности: Плотность мощности >10⁷ Вт/см² может привести к разрушению материала.
Частота импульсов и качество фронта
Высокая частота (>100 кГц): Интервал импульсов составляет менее 10 мкс. Это снижает накопление тепла и идеально подходит для обработки биомиметических каналов, где шероховатость кромок поддерживается ниже Ra < 2 мкм.
Низкая частота (<20 кГц): Энергия одиночного импульса превышает 1 мДж, что делает его пригодным для обработки гнезд уплотнений аккумуляторов. Эта частота обеспечивает постоянную глубину с допуском ±5 мкм, обеспечивая надежные результаты для более глубоких и сложных разрезов.
Оптимизация газовой среды
Продувка азотом: При скорости потока 15–20 л/мин углеродистый остаток снижается на 60%, что делает его пригодным для переработки пищевого силикона.
Защита аргоном: При обработке токопроводящего силикона аргон предотвращает окисление металлического наполнителя (скорость изменения сопротивления < 3%).
Сравнение стратегий охлаждения
| Метод охлаждения | Зона термического воздействия (ЗТВ) | Увеличение стоимости | Приложение |
| Естественное охлаждение | 50-100мкм | 0% | Декоративные узоры низкой точности |
| Подложка с водяным охлаждением | 30-50мкм | 15% | Промышленные компоненты средней точности |
| Распыление жидкого азота | 10-20мкм | 30% | Микроструктуры медицинских устройств |
Типичные случаи сочетания параметров
Медицинский микрофлюидный чип
- Параметры: 355 нм, 80 Вт, 150 кГц, 800 мм/с, азот, 3 сканирования, охлаждение жидким азотом
- Результат: Изготавливается канал шириной 50 мкм и глубиной 150 мкм с вертикальностью боковой стенки более 89°, при этом не остается никаких остатков углерода.
Уплотнительная прокладка для нового энергетического транспортного средства
- Параметры: 10,6 мкм, 150 Вт, 20 кГц, 300 мм/с, воздух, 1 сканирование, естественное охлаждение
- Результат: Трапециевидная канавка шириной 200 мкм и глубиной 500 мкм протравливается со скоростью обработки 12 деталей в минуту.
Гибкие электронные изолирующие канавки
- Параметры: 355 нм, 50 Вт, 100 кГц, 1200 мм/с, аргон, 5 сканирований, подложка с водяным охлаждением
- Результат: На проводящем силиконе с диэлектрической прочностью более 20 кВ/мм протравлена канавка шириной 80 мкм.
Какие еще факторы влияют на процесс лазерной абляции силикона?
Помимо параметров лазерной обработки, решающую роль в определении конечных результатов лазерной абляции играют собственные свойства силикона.
| Фактор | Влияние на лазерную абляцию |
| Тип и формула силикона | Лазерное поглощение, теплопроводность и свойства разложения |
| Твердость | Трещина, отслоение, плавление или деформация |
| Состояние поверхности | Неравномерная абляция и неравномерное распределение энергии |
Во-первых, тип силикона и его формула являются основными факторами. Различные типы силикона имеют различия в молекулярной структуре и плотности сшивки. Эти различия напрямую влияют на их способность поглощать определенные длины волн лазера, теплопроводность и характеристики разложения при высоких температурах. Кроме того, наполнители и пигменты могут значительно изменять оптическое поглощение, теплоемкость и теплопроводность материала. Это, в свою очередь, влияет на эффективность поглощения энергии лазера, порог абляции и скорость удаления материала.
Далее, твердость силикона также влияет на процесс лазерной абляции. Более твердый силикон может быть более склонен к хрупкому разрушению или отслаиванию под воздействием лазера, в то время как более мягкий силикон с большей вероятностью расплавится или деформируется. Твердость также влияет на эффективность удаления продуктов абляции и конечную отделку поверхности.
Наконец, нельзя упускать из виду состояние поверхности силикона, например, его чистоту и начальную шероховатость. Загрязнения, такие как масло или пыль на поверхности, могут поглощать или рассеивать лазерную энергию, снижая эффективность передачи энергии на поверхность силикона и потенциально приводя к неравномерной абляции. Шероховатая поверхность также может стать причиной неравномерного распределения лазерной энергии, влияя на однородность и точность абляции.
Поэтому перед выполнением лазерной абляции силикона необходимо полностью понять и оценить присущие силикону свойства. Оптимизация параметров лазерного процесса на основе этих характеристик является ключевым шагом для достижения желаемых результатов абляции.
Каковы области применения лазерной абляции силикона?
Лазерная абляция силикона продемонстрировала большой потенциал во многих областях.
| Поле | Приложения |
| Микрообработка и производство микроструктур | 3D-схемы жидкостей, чипы для культивирования клеток, микролинзы, гибкая электроника, датчики, нескользящие поверхности |
| Модификация поверхности | Оптические приборы, пленка SiO2 |
| Биомедицинские приложения | Фотосенсибилизаторы, антибактериальные средства, медицинские приборы, катетеры |
| Промышленное применение | Силиконовые формы, силиконовые композиты, армированные углеродным волокном |
Микрообработка и производство микроструктур
Лазерная абляция используется для создания крошечных отверстий, таких как сквозные отверстия диаметром 1 мкм. Она идеально подходит для таких приложений, как 3D-схемы жидкостей или чипы клеточных культур. Кроме того, абляция лазером F2 157 нм может образовывать микровыступы SiO2 на силиконовых поверхностях, которые затем обрабатываются в микролинзы с фокусным расстоянием от 10 до 170 мкм. Лазерная абляция также широко используется для поверхностного рисунка в гибкой электронике, датчиках или нескользящих поверхностях.
Модификация поверхности
ArF-лазер 193 нм может модифицировать поверхность силикона, создавая структуру, похожую на кремний, производя люминесценцию белого света. Это полезно в оптических устройствах. Кроме того, высокоэнергетическая абляция в сочетании с кислородной атмосферой позволяет наносить прозрачную пленку SiO2 на подложку, достигая коэффициента пропускания 95%.
Биомедицинские приложения
Фемтосекундные лазеры можно использовать в воде для абляции силикона и получения незагрязненных силиконовых наночастиц. Эти наночастицы можно использовать в качестве фотосенсибилизаторов или антибактериальных агентов. В производстве медицинских устройств лазерная абляция может микроструктурировать поверхности катетеров, улучшая биосовместимость или эффективность высвобождения лекарств.
Промышленное применение
Лазерная абляция используется для очистки остатков силиконовых форм бесконтактным и безхимическим способом. Она также используется в обработке композитных материалов, например, для точной резки или обработки поверхности армированных углеродным волокном силиконовых композитов.
Почему лазерная абляция силикона лучше традиционных методов гравировки?
Лазерная абляция силикона имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами гравировки. Ее бесконтактная природа предотвращает деформацию и повреждение материала, что делает ее особенно подходящей для мягкого силикона. Высокая точность лазера позволяет выполнять обработку на микронном уровне, что превосходит традиционную механическую гравировку. Кроме того, лазерная абляция обеспечивает большую гибкость, поскольку сложные узоры можно легко настраивать с помощью программного обеспечения без необходимости менять формы. Она также может достигать изменений поверхности, добавляя силикону новые свойства. Более того, ее легко автоматизировать, что может снизить затраты на техническое обслуживание в долгосрочной перспективе. Эти преимущества делают лазерную абляцию более мощным и перспективным методом обработки силикона.
Заключение
Лазерная абляция силикона имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами, предлагая точность, гибкость и возможность изменять силиконовые поверхности без повреждения. По мере развития технологий ее потенциал для еще большего количества отраслей становится все более обширным. Воспользуйтесь этой инновацией, чтобы открыть новые возможности в обработке силикона.
Имея многолетний опыт в производстве силикона, мы специализируемся на поставке высококачественных силиконовых продуктов с использованием передовых производственных технологий. Если вам нужны индивидуальные проекты или особые характеристики, наша команда здесь, чтобы воплотить ваше видение в жизнь. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы создать идеальное силиконовое решение, адаптированное под ваши потребности.
