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对多层材料的选择性激光加工 |
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作者：Christopher Chow 来源：Industrial Laser Solutions |
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逛商场的时候，人们惊讶于各式各样的商品，它们的尺寸更小，但是却更加精致。笨重的显示器和背投式电视不再为人们所使用。取而代之的是越来越薄的液晶屏和等离子体显示器。另外，3G智能电话集成了各种功能，包括网络新闻、电子邮件、游戏、影片、歌曲、照相机，以及电话信息。事实是，工程创新使得许多不同的功能被集成到简洁的多层组件中。
iPhone公司制造的多点触控面板包括了至少10层材料，厚度小于1mm，屏幕上的手动将产生电容信号并被传递。在医疗产品中，血糖监视片包括了多层次的薄膜材料，这些片状材料被用于采血、传输流体、进行酶反应、显色、测血糖。即使是食物保鲜用的伸缩袋都带有0.075 mm厚的高性能的复合挤出薄膜，它带有图案层、氧气层、防潮层、结构层，以及密封层。随着结构的复杂化，使用激光来加工这些材料的过程也更加复杂。
当激光束聚焦于直径几十个微米或更小的目标物上时，材料上激光/材料相互作用很大程度上取决于材料对特定激光波长的吸收，激光的峰值功率密度和辐照的时间。光电或者光热作用引发一系列的化学键断裂，发生的时间顺序随着材料的不同而不同。吸收性能较小的材料需要更多的辐照时间，在这段时间内材料接受了所传导的热能，材料受压、熔化，之后，材料重新固化或者表面材料蒸发，或者在碳化之前燃烧。对于吸收性能较好的材料，材料的蒸发或者粒子的烧蚀会在很短的时间内发生。在极端的情形下，发生了爆炸性的相位改变和等离子体形成，形成了蒸发材料的冲击波。激光加工工艺，如切割、打标、打孔、焊接等过程，就是这些作用的体现。
对于多层材料的加工，最简单的方法就是选择一个激光波长，使该层在这个波长有最大的吸收率。一个典型的例子就是对用于柔性电路的薄层材料的微型过孔的盲打过程，该材料是由聚酰亚胺薄层结合铜箔制成的。因为聚酰亚胺薄层吸收9.4微米的CO2激光，而铜的反射系数很高，所以盲打的过程很容易实现，因为聚酰亚胺与铜的层与层之间的边界就成为了预定的接点。
在多层聚酰亚胺材料上进行合理的激光切割过程，也是利用类似的原则，但是必须仔细考虑每种多聚物的性质，并且很好地控制激光系统。很大程度上来说，大部分的有机材料在中红外线的光谱范围内吸收较强。这就是为什么CO2激光器运行在8 到11微米的范围内以及其它很广的功率范围内时，是加工多聚物材料最有用的激光器之一。从操作上来说，在多层次薄膜中，每一层都是非常薄的，通常是从小于5微米到75微米。根据每个薄层吸收效率的不同，激光能量可以部分地从一层透到另一层，导致整个结构被穿透。那么，我们如何有选择性地加工多层次的有机材料呢？解决方案包括：了解每个薄层的吸收系数，选择合适的激光系统以及对功率、脉冲情况和聚焦光学进行精确的控制，同时控制激光能量传输系统的运作。
应用
对多聚物薄膜进行激光加工的应用之一就是制造易开封的方便袋。最早所采用的是高性能的聚酯纤维/聚乙烯（PET/PE）柔性包装用的薄膜。 聚酯纤维在维度上非常稳定，可以打印图案，以及产生高质量的图像，而聚乙烯提供了包装袋所需的结构和密封性能上的需要。隔离氧气和防潮用的薄膜可以被添加在PET和PE之间，对包装袋内的物品进行保鲜。因为在激光波长为10.6微米处，PET的吸收系数（152 cm-1）比PE的吸收系数（13 cm-1）大得多，对PET层的激光切割很容易就达到了，而影响到PE层的延展性。事实上，由于PE对CO2激光相对透明，PET层可以通过激光从PE层的方向进行切割而仍然保存PE层结构的特点。
激光技术进一步为PET/PE薄膜提供了创新性的应用。最近，可用于微波炉的包装袋被开发出来，这样的包装袋有预先由激光定好的小孔，当加热的时候，这些小孔会爆破，使得蒸汽跑出来。这就要求对薄膜进行更精确的深度打孔。在生产过程中，激光加工薄膜的速度为300 米/分钟。该技术可以在高速和低速两种情况下都具有稳定的速度，并且能进行精确的功率控制。
有机材料和多聚化合物的组合是各种各样的，因此，对激光能量进行创新性的控制，并结合对多层聚合材料加工中材料吸收过程的理解，将带来新的应用。例如，在聚酯纤维/乙烯-乙烯醇/聚乙烯塑料（PET/EVOH/PE）的组合中，EVOH层的微型孔可以在激光能量的辐照下产生，而另一层却不会受到影响。这是由于与PET和PE相比，EVOH有很高的吸收系数 (高于400 cm-1) 。基于这项观察以及其它类似的观察，技术人员正在进行不同的实验，以开发更多的工业应用。
聚丙烯/聚乙烯（PP/PE）塑料也是一种很普遍的包装用薄膜。尽管它们在CO2激光波长10.6微米处的吸收系数很接近，分别为32 cm-1和13 cm-1，聚丙烯层上的部分穿孔还是可能的，只要激光束在PP层表面聚焦得当，同时也精准控制激光能量。根据光束在与薄膜接触时的传输速度，在激光束附近的一部分熔化的PP材料可以在达到蒸发温度以前重新被固化，使得一小部分的材料留在打孔的线上。该现象使得人们在打孔的线上能以同一个方向撕开。
在加工多层次的多聚合物材料时，在任一个吸收层上对热消散的控制尤为重要，因为大部分的聚合物熔点较低。当激光光束被吸收的时候，它的能量作为热能被传送到吸收层。在材料内部，如果热量在热传导以前没有被很好地使用，它会传播到附近的薄层，导致该层被熔化。根据具体应用情况的不同，这可以是优点，也可以是缺点。当所需要的是部分切割，材料表面熔融材料的蒸发通常发生在热传导之前。若激光功率比较高，加工速度比较大，那么加工结果就比较好。与此相比，高度吸收的层可以有计划地与多层次结构结合到一起，使得原本不会起反应的材料更好地被切割。以一些金属化的PET/PE结构为例。CO2激光在切割金属层时，通常是无效的，因为金属层对于该波长来说是高度反射性的。然而，如果激光穿过聚乙烯层，被PET层吸收，PET层和金属化层都能以干净而有效的方式被吸收。
图1、在给透明的传导电极（如铟锡氧化物）进行激光制图的过程中，
可以采用355nm波长的激光以减小热效应，不过当切割的边缘重叠时，
热效应仍有可能产生。
选择合适的激光、脉冲能量和脉冲宽度，对一项应用来说是极为重要的。最明显的例子就是在透明传导电极（比如聚酯纤维基底上的ITO）上进行激光制图。需要考虑的是，在激光加工过程中因热效应而带来的产品缺陷，尤其是采用如1.06微米波长的激光时，对基底和粗糙的 ITO层边缘产生的破坏。当切换到355 nm波长的激光时，这些破坏就达到最小，但是当蚀刻线重合的时候仍会发生（如图１）。 
图2、重复频率很高的脉冲光纤激光对ITO的加工速度很快，线性速度达每秒几百厘米。
该过程速度很快，因此可以避免烧蚀面积附近的热破坏。
当以显微镜对基底沿着切割的边缘观察时，可以看到热破坏造成基底的突出，ITO层比PET表面明显高出来一段距离。这些效应的出现是由于峰值功率和激光脉冲重复频率都无法以足够快的速度烧蚀ITO层，所以无法避免热累积。高脉冲、高重复频率（大于150 kHz）的光纤激光器使ITO的快速加工成为可能，线性加工速度达每秒几百厘米。该过程的速度足够快，以至于可以避免在烧蚀区域内的热破坏（如图２）。现在ITO层的烧蚀利用1.06微米的激光，或者533nm的倍频激光可以达到很好的加工效果。随着这些技术改进，激光对PET层上ITO材料的加工能够在许多方面找到快速应用，例如，触摸屏的电极形成，或者薄膜太阳能电池制造业中的电极分离。
本文作者Christopher Chow博士是美国Preco Incorporated公司的副总裁，Jim Bucklew、Dan Miller和Todd Cleavenger是该公司的应用开发工程师。公司网址：www.precoinc.com。 (end)
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(投稿)
(4/19/2010) |
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