Вибираючи верстат для лазерного різання кераміки, багато інженерів припускають, що вище лазерне поглинання автоматично означає легшу обробку. Насправді ефективність лазерного різання залежить від балансу між поглинанням лазера, теплопровідністю, тепловим розширенням і стійкістю до розтріскування.
Незважаючи на те, що нітрид кремнію (Si₃N₄) поглинає лазерну енергію краще, ніж оксид алюмінію (Al₂O₃), він залишається однією з найскладніших для обробки інженерної кераміки через її надзвичайну чутливість до термічного навантаження.
У цій статті порівнюються волоконні лазери QCW, наносекундні УФ-лазери 355 нм і пікосекундні лазери для промислового виробництва.
Властивості матеріалу, які впливають на лазерне різання
| Власність | Глинозем (Al₂O₃) | Нітрид кремнію (Si₃N₄) | Вплив на лазерне різання |
| поглинання 1064 нм | 5–10% | 25–40% | Глинозем часто вимагає абсорбуючого покриття; Si₃N₄ поглинає краще, але створює набагато більший термічний стрес. |
| поглинання 355 нм | 40–50% | 50–65% | УФ-обробка ефективна для обох матеріалів, з трохи кращим поглинанням для Si₃N₄. |
| Теплове розширення | 7–8 ppm/градус | 2,8–3,3 ppm/градус | Менше розширення спричиняє більшу залишкову напругу та ризик утворення тріщин. |
| Теплопровідність | 22–32 W/m·K | 16–22 W/m·K | Si₃N₄ повільніше розсіює тепло, збільшуючи накопичення тепла. |
1. Волоконний лазер QCW 1064 нм
Глинозем
Зрілий виробничий процес
Широке вікно обробки
Стабільна контурна різка
Висока продуктивність
Основним обмеженням є низьке поглинання інфрачервоного випромінювання, яке зазвичай усувається за допомогою поглинаючого покриття перед різанням.
Складність: ★★☆☆☆
Нітрид кремнію
Хоча Si₃N₄ краще поглинає інфрачервоне світло, він набагато більш схильний до термічного розтріскування.
Серед типових проблем:
Через-мікротріщини товщини
Відколювання краю
Уповільнене розтріскування
Знижена швидкість різання через неглибокий{0}}сканування шарів
Вікно процесу значно вужче, ніж для глинозему.
Складність: ★★★★★
2. 355 нм УФ наносекундний лазер
Глинозем
УФ-лазерне різання вже є зрілим промисловим рішенням.
Серед типових переваг:
Мала ЗТВ
Стабільна обробка мікро{0}}отворів
Низьке сколювання
Висока продуктивність
Складність: ★★☆☆☆
Нітрид кремнію
УФ-лазери значно зменшують термічне пошкодження, але не можуть повністю усунути термічний стрес.
Для промислового виробництва зазвичай потрібні:
Вища потужність лазера (20–30 Вт)
Багатопрохідне дрібне різання
Допоміжний азот-високої чистоти
Оптимізовані стратегії охолодження
Порівняно з глиноземом час обробки зазвичай на 50–100% довший.
Складність: ★★★★☆
3. Пікосекундний лазер
Глинозем
Пікосекундні лазери забезпечують:
Майже{0}}нульовий ЗТВ
Без переробленого шару
Відмінна якість краю
Стабільна точна обробка
Складність: ★★☆☆☆
Нітрид кремнію
Ультракороткі імпульси значно зменшують утворення тріщин, але Si₃N₄ все ще вимагає:
Менша енергія імпульсу
Більше проходів сканування
Довший час обробки
Ефективність виробництва зазвичай залишається на 30% нижчою, ніж глинозем.
Складність: ★★★☆☆
Порівняння складності
| застосування | Більш легкий матеріал |
| Контурне різання QCW | Al₂O₃ |
| УФ точне різання | Al₂O₃ |
| Свердління мікро{0}}отворів | Al₂O₃ |
| Над-тонкі підкладки | Al₂O₃ |
| Пікосекундна точна обробка | Al₂O₃ (трохи) |
Чому нітрид кремнію складніше?
Найбільшою проблемою є не лазерне поглинання.
Натомість нітрид кремнію поєднує в собі кілька несприятливих характеристик:
Нижча теплопровідність
Надзвичайно низьке теплове розширення
Висока залишкова термічна напруга
Підвищена чутливість до тріщин
Вужче вікно процесу
Як наслідок, навіть з УФ- або пікосекундними лазерами виробникам зазвичай потрібно:
Більше проходів для різання
Менша енергія за прохід
Більш сильне охолодження
Триваліший час обробки
Ці фактори роблять Si₃N₄ значно складнішим для обробки, ніж глинозем у масовому виробництві.
Рекомендовані лазерні рішення
| застосування | Рекомендоване рішення |
| Економічне-різання по контуру | 150 Вт QCW волоконний лазер + оксид алюмінію |
| Точна мікро{0}}обробка | 355 нм УФ наносекундний лазер |
| Тонкі підкладки Si₃N₄ | УФ-лазер 20–30 Вт + багатопрохідне різання + допоміжний азот |
| Найвища надійність Si₃N₄ компонентів | Пікосекундний лазер 355 нм + вдосконалене охолодження |
Висновок
Хоча нітрид кремнію поглинає лазерну енергію ефективніше, ніж оксид алюмінію, його слабке розсіювання тепла та надзвичайно висока чутливість до термічної напруги роблять його однією з найскладніших керамічних виробів для лазерної обробки.
Для високопродуктивного промислового виробництва УФ-лазери 355 нм залишаються кращим рішенням для точної обробки Si₃N₄, тоді як волоконні лазери QCW краще підходять для високо{2}}ефективної обробки глинозему.
Потрібне лазерне рішення для вдосконаленої кераміки?
YCLASERспеціалізується на точному лазерному різанні керамічних підкладок Al₂O₃, Si3N₄, AlN, ZrO₂, SiC, DBC і DPC. Ми надаємо безкоштовне тестування зразків, оптимізацію процесу та індивідуальні лазерні рішення як для створення прототипів, так і для масового виробництва.Зв'яжіться з нами, щоб обговорити вашу заявку.
