Kun valitset keraamisen laserleikkauskoneen, monet insinöörit olettavat, että suurempi laserabsorptio tarkoittaa automaattisesti helpompaa koneistusta. Todellisuudessa laserleikkauksen suorituskyky riippuu laserin absorption, lämmönjohtavuuden, lämpölaajenemisen ja halkeamiskestävyyden välisestä tasapainosta.
Vaikka piinitridi (Si3N4) imee laserenergiaa paremmin kuin alumiinioksidi (Al2O3), se on edelleen yksi vaikeimmin prosessoitavista teknisistä keramiioista, koska se on erittäin herkkä lämpörasitukselle.
Tässä artikkelissa verrataan teollisuustuotantoon tarkoitettuja QCW-kuitulasereita, 355 nm UV-nanosekuntilasereita ja pikosekundilasereita.
Laserleikkaukseen vaikuttavat materiaalin ominaisuudet
| Omaisuus | Alumiinioksidi (Al2O3) | piinitridi (Si3N4) | Vaikutus laserleikkaukseen |
| 1064 nm:n absorptio | 5–10% | 25–40% | Alumiinioksidi vaatii usein imukykyisen pinnoitteen; Si3N4 imeytyy paremmin, mutta kehittää paljon suuremman lämpörasituksen. |
| 355 nm:n absorptio | 40–50% | 50–65% | UV-käsittely on tehokas molemmille materiaaleille, ja Si3N4:n absorptio on hieman parempi. |
| Lämpölaajeneminen | 7-8 ppm/aste | 2,8–3,3 ppm/aste | Pienempi laajeneminen aiheuttaa suuremman jäännösjännityksen ja halkeamisriskin. |
| Lämmönjohtavuus | 22–32 W/m·K | 16–22 W/m·K | Si3N4 hajottaa lämpöä hitaammin, mikä lisää lämmön kertymistä. |
1. QCW 1064 nm kuitulaser
Alumiinioksidi
Kypsä tuotantoprosessi
Leveä käsittelyikkuna
Vakaa ääriviivojen leikkaus
Korkea tuottavuus
Päärajoitus on alhainen infrapuna-absorptio, joka yleensä ratkaistaan imukykyisellä pinnoitteella ennen leikkaamista.
Vaikeustaso: ★★☆☆☆
Piinitridi
Vaikka Si3N4 absorboi infrapunavaloa paremmin, se on paljon alttiimpi lämpöhalkeilulle.
Tyypillisiä ongelmia ovat:
Paksuisten{0}}mikrohalkeamien kautta
Reunojen halkeilu
Viivästynyt halkeilu
Pienempi leikkausnopeus matalan{0}}kerrosskannauksen ansiosta
Prosessiikkuna on huomattavasti kapeampi kuin alumiinioksidin.
Vaikeusaste: ★★★★★
2. 355 nm UV-nanosekunnin laser
Alumiinioksidi
UV-laserleikkaus on jo kypsä teollinen ratkaisu.
Tyypillisiä etuja ovat:
Pieni HAZ
Vakaa mikro{0}}reiän työstö
Matala haketus
Korkea tuotantosaanto
Vaikeustaso: ★★☆☆☆
Piinitridi
UV-laserit vähentävät lämpövaurioita suuresti, mutta eivät täysin poista lämpörasitusta.
Teollinen tuotanto vaatii yleensä:
Suurempi laserteho (20-30 W)
Moni-ajo matala leikkaus
Korkean{0}}puhtaus typen apukaasu
Optimoidut jäähdytysstrategiat
Alumiinioksidiin verrattuna käsittelyaika on tyypillisesti 50–100 % pidempi.
Vaikeustaso: ★★★★☆
3. Picosecond Laser
Alumiinioksidi
Picosecond laserit tarjoavat:
Lähes-nollaa HAZ:ia
Ei uudelleenlaadittua kerrosta
Erinomainen reunalaatu
Vakaa tarkkuustyöstö
Vaikeustaso: ★★☆☆☆
Piinitridi
Ultralyhyet pulssit vähentävät merkittävästi halkeamien muodostumista, mutta Si3N4 vaatii silti:
Pienempi pulssienergia
Lisää skannauspasseja
Pidempi työstöaika
Tuotantotehokkuus on yleensä 30 % alhaisempi kuin alumiinioksidi.
Vaikeustaso: ★★★☆☆
Vaikeustason vertailu
| Sovellus | Helpompi materiaali |
| QCW-muotoleikkaus | Al2O3 |
| UV-tarkkuusleikkaus | Al2O3 |
| Mikro{0}}reiän poraus | Al2O3 |
| Ultra{0}}ohuet alustat | Al2O3 |
| Picosekuntien tarkkuustyöstö | Al2O3 (hieman) |
Miksi piinitridi on vaikeampaa?
Suurin haaste ei ole laserin absorptio.
Sen sijaan piinitridi yhdistää useita epäsuotuisia ominaisuuksia:
Alempi lämmönjohtavuus
Erittäin alhainen lämpölaajeneminen
Suuri jäännöslämpöjännitys
Suurempi halkeamisherkkyys
Kapeampi prosessiikkuna
Tämän seurauksena valmistajat tarvitsevat yleensä myös UV- tai pikosekunditeillä lasereilla:
Lisää leikkauskulkuja
Pienempi energia kulkua kohti
Voimakkaampi jäähdytys
Pidempi käsittelyaika
Nämä tekijät tekevät Si3N4:stä huomattavasti vaikeamman käsitellä kuin alumiinioksidia massatuotannossa.
Suositellut laserratkaisut
| Sovellus | Suositeltu ratkaisu |
| Kustannustehokas{0}}ääriviivaleikkaus | 150 W QCW kuitulaser + alumiinioksidi |
| Tarkka mikro{0}}koneistus | 355 nm UV-nanosekunnin laser |
| Ohuet Si3N4-substraatit | 20–30 W UV-laser + moni-leikkaus + typpiapu |
| Korkein luotettavuus Si₃N4-komponentit | 355 nm Picosecond Laser + Advanced Cooling |
Johtopäätös
Vaikka piinitridi absorboi laserenergiaa tehokkaammin kuin alumiinioksidi, sen huono lämmönpoisto ja erittäin korkea lämpöjännitysherkkyys tekevät siitä yhden haastavimmista keramiikasta laserkäsittelyyn.
Korkean{0}}teollisen tuotannon kannalta 355 nm:n UV-laserit ovat edelleen suosituin ratkaisu tarkkuus Si₃N₄-työstöön, kun taas QCW-kuitulaserit soveltuvat paremmin tehokkaaseen alumiinioksidin käsittelyyn.
Tarvitsetko laserratkaisun edistykselliseen keramiikkaan?
YCLASERon erikoistunut Al2O3-, Si3N4-, AlN-, ZrO2-, SiC-, DBC- ja DPC-keraamisten substraattien tarkkuuslaserleikkaukseen. Tarjoamme ilmaista näytetestausta, prosessin optimointia ja räätälöityjä laserratkaisuja sekä prototyyppien että massatuotantoon.Ota yhteyttä keskustellaksesi hakemuksestasi.
