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红外激光加工氧化铝陶瓷基片

2020-02-20 我要评论(0 )   

一、陶瓷基片介绍陶瓷基片,又称陶瓷基板,是以电子陶瓷为基板的,对膜电路元件及外贴元件形成一个支撑底座的片状材料。陶瓷基片

一、陶瓷基片介绍

陶瓷基片,又称陶瓷基板,是以电子陶瓷为基板的,对膜电路元件及外贴元件形成一个支撑底座的片状材料。


陶瓷基片具有耐高温、电绝缘性能高、介电常数和介质损耗低、热导率大、化学稳定性好、与元件的热膨胀系数相近等主要优点,但陶瓷基片较脆,制成的基片面积较小,成本高。


陶瓷基片具有以下优点:

1、绝缘性能好,可靠性高。

2、介电系数较小,高频特性好。

3、热膨胀系数小,热失配率低。

4、热导率高。


二、传统陶瓷基片的加工难点

陶瓷基片传统加工方式主要分为两类,分别是模压法与机械加工(车、铣、钻、磨等)。


模压法:将陶瓷粉末与塑化剂混合后倒入磨具中,施加压力成行。只能制作简单的陶瓷基片,且生产效率不高,生产周期长。在制作陶瓷基片时,此方法基本淘汰,现在主要用作制取陶瓷基片的胚片。


机械加工:由于陶瓷材料具有高硬度,高脆性,容易碎裂的特性,传统加工难度很大。但传统机械加工仍可基本满足陶瓷基片的生产,只是加工效率低,成品率并不高,加工损耗大。


三、激光加工的优点与选择

激光加工的优点:1、激光加工属于非接触式加工,切割精度高、划线深度可控;2、加工图形任意编辑,CAD图纸导入即可,无需开模,生产周期短;3、加工质量高,无毛边,不崩边;4、加工速度快,加工成本低;5、可实现精密加工,可加工0.15mm直径的小孔,加工废料少。


激光加工主要采用CO2激光器与QCW脉冲激光器加工。


CO2激光器:氧化铝陶瓷片对CO2激光器所发射出来的激光吸收率高,但由于其光斑大,无法切割微小图形、划线宽度宽,且加工效率比QCW脉冲激光低,现在并不推荐使用。


QCW脉冲激光器:QCW脉冲激光器属于光纤型激光器,波长为1070nm,氧化铝陶瓷对于1070nm波长左右的光束吸收率为25%左右,但由于其光束质量高,光斑较CO2激光器小。所以相对于CO2激光器来比,其切割速度快,能切割微小图形,效率相对于CO2激光器要高。


在此我们做一份表格进行对比:


传统机械加工

CO2激光器

红外激光(QCW型)

加工效率

一般

加工损耗

微小图形加工能力

一般

耗材表现

刀具损耗大

加工处理

需涂抹吸收剂

加工单价


从表格中我们可以看出,激光在陶瓷基片的加工上具有极大的优势,尤其以QCW脉冲型红外激光表现突出。但QCW脉冲型激光器也有一个问题,就是氧化铝陶瓷片对红外激光的吸收率并不高,仅为25%,这就导致加工的不稳定性。


4、如何弥补吸收率低的问题

其实有很多种方法可以增强氧化铝陶瓷对红外激光的吸收率,基本都是在氧化铝陶瓷表面涂抹一层吸光剂,以增强吸光率。大多数吸光剂的主要成分基本都是胭脂红、诱惑红加溶剂。但此类吸光剂的制取较为复杂,制备时,先将诱惑红和胭脂红混合搅拌均匀;将混合粉体投入到器皿中,加入溶剂进行调配,混合均匀;将器皿加入磁子,放在磁力搅拌器上,通过加热和磁子旋转搅拌方式,使粉体均匀溶解,形成涂覆溶液。当然,在陶瓷基板表面涂抹灰尘之类的做法也可以增加吸光率。


现我们介绍一种简单的吸光剂,无论是购买还是制取都十分方便。这种吸收剂是由水性红墨水组成,将红墨水倒出后,将其风干一段时间至粘稠状即可,使用时使用布料沾取后均匀涂抹在陶瓷片上。


我们将没有进行涂抹吸光剂、涂抹灰尘以及涂抹了两种吸光剂进行对比:



无吸光剂

涂抹灰尘

涂抹吸光剂

涂抹红墨水吸光剂

主要材料


灰尘

胭脂红、诱惑红

红墨水

原材料购买难易


购买较为困难

极易购买

制取复杂程度


无需制取

制取复杂

制取简单

制取时设备需求


需要专业设备

使用复杂程度


涂抹均匀较为困难

涂抹均匀非常简单

涂抹均匀非常简单

使用后加工情况

加工不稳定,易出现断光

加工稳定,无断光现象

加工稳定,无断光现象

加工稳定,无断光现象

加工后清洗情况

无需清洗

清洗困难

简单冲洗即可

简单冲洗即可

是否具备大规模生产可能性

加工不稳定,无法大规模生产

很难做到大规模生产

可以做到大规模生产

可以做到大规模生产


在表格中,我们可以看出,在不涂抹任何东西时,加工不稳定,成品率低;涂抹灰尘时,仅适合对表面要求不高且小批量的加工;涂抹传统吸光剂时可进行大批量稳定加工,但制取吸光剂需要专业设备,购买原材料较为困难;涂抹红墨水时,也可以进行大批量稳定加工,在购买原材料与制取时都极为简单。


我们通过实验论证一下

实验人:

铭镭激光工程师

实验机型配置:

激光器:QCW150-1500激光器

切割头:

光纤切割头KC-15

工作平台:

铭镭陶瓷激光切割工作平台

控制软件:

铭镭运动控制系统

调试出最佳参数为:

切割速度:1.5米/分、切割高度:0.5mm、划线速度6米/分、划线高度0.8mmm、切割划线焦点均为-0.5。


下面我们将调试出的最佳效果展示一下,没有涂抹吸光剂与涂抹红墨水吸光剂的效果差距很大。



如图1、2所示,未使用任何吸光剂,激光划线时会出现断光,切割不断的情况发生。划线深度也不统一,划线深度不可控。


(3)

如图3所示,将由红墨水制取的吸光剂涂抹陶瓷片后,无断光现象发生,切割质量高且稳定,切割处无毛刺,无崩边。


(4)

如图4所示,由于吸光剂的原材料为水性红墨水,使用流动水冲洗后无残留,再经过超声波清洗后效果更佳。


(5)

如图5所示,在使用吸光剂后,划线深度稳定,无断光现象发生,划线深度均为0.3mm,符合生产要求。


从以上图片可以看出,红墨水吸光剂可显著提高氧化铝陶瓷对红外激光吸收率,可保证大批量稳定加工。在现在这个注重效率的时代,使用红外激光(QCW脉冲型激光)可显著提高生产效率,以前加工不稳定的问题也得到了解决。红外激光(QCW脉冲型激光)可为我国加工更多的精密氧化铝陶瓷基片,降低我国对进口的依赖,极大的带动了我国的电子产业。


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铭镭激光红外激光氧化铝
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