對(duì)多層材料的選擇性激光加工

1、逛商場(chǎng)的時(shí)候，人們驚奇于各式各樣的商品，它們的尺寸更小，但是卻更加 精致。粗笨的顯示器和背投式電視不再為人們所使用。取而代之的是越來(lái)越 薄的液晶屏和等離子體顯示器。另外，3G智能電話集成了各種功能，包括網(wǎng) 絡(luò)新聞、電子郵件、游戲、影片、歌曲、照相機(jī)，以及電話信息。事實(shí)是， 工程創(chuàng)新使得很多不同的功能被集成到簡(jiǎn)潔的多層組件中。iPhone公司制造的多點(diǎn)觸控面板包括了至少10層材料，厚度小于1mm，屏 幕上的手動(dòng)將產(chǎn)生電容信號(hào)并被傳遞。在醫(yī)療產(chǎn)品中，血糖監(jiān)視片包括了多 層次的薄膜材料，這些片狀材料被用于采血、傳輸流體、進(jìn)行酶反應(yīng)、顯色、 測(cè)血糖。即使是食品保鮮用的伸縮袋都帶有0.075 mm厚的高

2、性能的復(fù)合擠 出薄膜，它帶有圖案層、氧氣層、防潮層、結(jié)構(gòu)層，以及密封層。隨著結(jié)構(gòu) 的復(fù)雜化，使用激光來(lái)加工這些材料的過(guò)程也更加復(fù)雜。當(dāng)激光束聚焦于直徑幾十個(gè)微米或更小的目標(biāo)物上時(shí)，材料上激光/材料相 互作用很大程度上取決于材料對(duì)特定激光波長(zhǎng)的吸收，激光的峰值功率密度 和輻照的時(shí)間。光電或者光熱作用引發(fā)一系列的化學(xué)鍵斷裂，發(fā)生的時(shí)間順 序隨著材料的不同而不同。吸收性能較小的材料需要更多的輻照時(shí)間，在這 段時(shí)間內(nèi)材料接受了所傳導(dǎo)的熱能，材料受壓、熔化，之后，材料重新固化 或者表面材料蒸發(fā)，或者在碳化之前燃燒。對(duì)于吸收性能較好的材料，材料 的蒸發(fā)或者粒子的燒蝕會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。在極真?zhèn)€情形下，發(fā)

3、生了爆 炸性的相位改變和等離子體形成，形成了蒸發(fā)材料的沖擊波。激光加工工藝， 如切割、打標(biāo)、打孔、焊接等過(guò)程，就是這些作用的體現(xiàn)。對(duì)于多層材料的加工，最簡(jiǎn)單的方法就是選擇一個(gè)激光波長(zhǎng)，使該層在這個(gè) 波長(zhǎng)有最大的吸收率。一個(gè)典型的例子就是對(duì)用于柔性電路的薄層材料的微 型過(guò)孔的盲打過(guò)程，該材料是由聚酰亞胺薄層結(jié)合銅箔制成的。由于聚酰亞 胺薄層吸收9.4微米的CO2激光，而銅的反射系數(shù)很高，所以盲打的過(guò)程很 輕易實(shí)現(xiàn)，由于聚酰亞胺與銅的層與層之間的邊界就成為了預(yù)定的接點(diǎn)。在多層聚酰亞胺材料上進(jìn)行公道的激光切割過(guò)程，也是利用類似的原則，但 是必須仔細(xì)考慮每種多聚物的性質(zhì)，并且很好地控制激光系統(tǒng)。很大程

4、度上 來(lái)說(shuō)，大部分的有機(jī)材料在中紅外線的光譜范圍內(nèi)吸收較強(qiáng)。這就是為什么 CO2激光器運(yùn)行在8到11微米的范圍內(nèi)以及其它很廣的功率范圍內(nèi)時(shí)，是 加工多聚物材料最有用的激光器之一。從操縱上來(lái)說(shuō)，在多層次薄膜中，每 一層都是非常薄的，通常是從小于5微米到75微米。根據(jù)每個(gè)薄層吸收效 率的不同，激光能量可以部分地從一層透到另一層，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)被穿透。 那么，我們?nèi)绾斡羞x擇性地加工多層次的有機(jī)材料呢？解決方案包括：了解 每個(gè)薄層的吸收系數(shù)，選擇合適的激光系統(tǒng)以及對(duì)功率、脈沖情況和聚焦光 學(xué)進(jìn)行精確的控制，同時(shí)控制激光能量傳輸系統(tǒng)的運(yùn)作。應(yīng)用對(duì)多聚物薄膜進(jìn)行激光加工的應(yīng)用之一就是制造易開(kāi)封的方便袋。最早

5、所采 用的是高性能的聚酯纖維/聚乙烯（PET/PE）柔性包裝用的薄膜。聚酯纖維 在維度上非常穩(wěn)定，可以打印圖案，以及產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像，而聚乙烯提供 了包裝袋所需的結(jié)構(gòu)和密封性能上的需要。隔離氧氣和防潮用的薄膜可以被 添加在PET和PE之間，對(duì)包裝袋內(nèi)的物品進(jìn)行保鮮。由于在激光波長(zhǎng)為10.6 微米處，PET的吸收系數(shù)（152cm-1）比PE的吸收系數(shù)（13 cm-1）大得多， 對(duì)PET層的激光切割很輕易就達(dá)到了，而影響到PE層的延展性。事實(shí)上， 由于PE對(duì)CO2激光相對(duì)透明，PET層可以通過(guò)激光從PE層的方向進(jìn)行切割 而仍然保存PE層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。激光技術(shù)進(jìn)一步為PET/PE薄膜提供了創(chuàng)新性的應(yīng)用

6、。最近，可用于微波爐 的包裝袋被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這樣的包裝袋有預(yù)先由激光定好的小孔，當(dāng)加熱的時(shí) 候，這些小孔會(huì)爆破，使得蒸汽跑出來(lái)。這就要求對(duì)薄膜進(jìn)行更精確的深度 打孔。在生產(chǎn)過(guò)程中，激光加工薄膜的速度為300米/分鐘。該技術(shù)可以在 高速和低速兩種情況下都具有穩(wěn)定的速度，并且能進(jìn)行精確的功率控制。有機(jī)材料和多聚化合物的組合是各種各樣的，因此，對(duì)激光能量進(jìn)行創(chuàng)新性 的控制，并結(jié)合對(duì)多層聚合材料加工中材料吸收過(guò)程的理解，將帶來(lái)新的應(yīng) 用。例如，在聚酯纖維/乙烯-乙烯醇/聚乙烯塑料（PET/EVOH/PE）的組合中， EVOH層的微型孔可以在激光能量的輻照下產(chǎn)生，而另一層卻不會(huì)受到影響。 這是由于與PET

7、和PE相比，EVOH有很高的吸收系數(shù)（高于400 cm-1）?；?于這項(xiàng)觀察以及其它類似的觀察，技術(shù)職員正在進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，以開(kāi)發(fā)更 多的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。聚丙烯/聚乙烯（PP/PE）塑料也是一種很普遍的包裝用薄膜。盡管它們?cè)贑O2 激光波長(zhǎng)10.6微米處的吸收系數(shù)很接近，分別為32 cm-1和13 cm-1，聚丙 烯層上的部分穿孔還是可能的，只要激光束在PP層表面聚焦得當(dāng)，同時(shí)也 精準(zhǔn)控制激光能量。根據(jù)光束在與薄膜接觸時(shí)的傳輸速度，在激光束四周的 一部分熔化的PP材料可以在達(dá)到蒸發(fā)溫度以前重新被固化，使得一小部分 的材料留在打孔的線上。該現(xiàn)象使得人們?cè)诖蚩椎木€上能以同一個(gè)方向撕 開(kāi)。在加工多層次的多

8、聚合物材料時(shí)，在任一個(gè)吸收層上對(duì)熱消散的控制尤為重 要，由于大部分的聚合物熔點(diǎn)較低。當(dāng)激光光束被吸收的時(shí)候，它的能量作 為熱能被傳送到吸收層。在材料內(nèi)部，假如熱量在熱傳導(dǎo)以前沒(méi)有被很好地 使用，它會(huì)傳播到四周的薄層，導(dǎo)致該層被熔化。根據(jù)具體應(yīng)用情況的不同， 這可以是優(yōu)點(diǎn)，也可以是缺點(diǎn)。當(dāng)所需要的是部分切割，材料表面熔融材料 的蒸發(fā)通常發(fā)生在熱傳導(dǎo)之前。若激光功率比較高，加工速度比較大，那么 加工結(jié)果就比較好。與此相比，高度吸收的層可以有計(jì)劃地與多層次結(jié)構(gòu)結(jié) 合到一起，使得原本不會(huì)起反應(yīng)的材料更好地被切割。以一些金屬化的 PET/PE結(jié)構(gòu)為例。CO2激光在切割金屬層時(shí)，通常是無(wú)效的，由于金屬層對(duì)

9、 于該波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是高度反射性的。然而，假如激光穿過(guò)聚乙烯層，被PET層吸 收，PET層和金屬化層都能以干凈而有效的方式被吸收。圖1、在給透明的傳導(dǎo)電極（如鋼錫氧化物）進(jìn)行激光制圖的過(guò)程中，可以采用355nm波長(zhǎng)的激光以減小熱效應(yīng)，不過(guò)當(dāng)切割的邊沿重疊時(shí)，熱效應(yīng)仍有可能產(chǎn)生。選擇合適的激光、脈沖能量和脈沖寬度，對(duì)一項(xiàng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是極為重要的。最 明顯的例子就是在透明傳導(dǎo)電極（比如聚酯纖維基底上的ITO）上進(jìn)行激光 制圖。需要考慮的是，在激光加工過(guò)程中因熱效應(yīng)而帶來(lái)的產(chǎn)品缺陷，尤其 是采用如1.06微米波長(zhǎng)的激光時(shí)，對(duì)基底和粗糙的ITO層邊沿產(chǎn)生的破壞。 當(dāng)切換到355 nm波長(zhǎng)的激光時(shí)，這些破壞就達(dá)到最小，但是當(dāng)蝕刻線重合 的時(shí)候仍會(huì)發(fā)生（如圖1）。圖2、重復(fù)頻率很高的脈沖光纖激光對(duì)ITO的加工速度很快，線性速度達(dá)每秒幾百厘米。該過(guò)程速度很快，因此可以避免燒蝕面積四周的熱破壞。當(dāng)以顯微鏡對(duì)基底沿著切割的邊沿觀察時(shí)，可以看到熱破壞造成基底的突 出，ITO層比PET表面明顯高出來(lái)一段間隔。這些效應(yīng)的出現(xiàn)是由于峰值功 率和激光脈沖重復(fù)頻率都無(wú)法以足夠快的速度燒蝕ITO層，所以無(wú)法避免熱 累積。高脈沖、高重復(fù)頻率（大于150 kHz）的光纖激光器使ITO的快速加 工成為可能，線性加工速度達(dá)每秒幾百