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激光技术在陶瓷加工中的应用

陶瓷是一种高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化的功能材料,同时也是良好的绝缘体,常常用于军工、航空航天、高端PCB等领域中。

在军工、航空航天、3C行业中应用的陶瓷主要为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷、氮化物陶瓷等,具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等特性。

激光技术的突破迎合陶瓷加工需求

由于陶瓷材料的功能特点和性能特点,导致其在加工过程中的要求精度高、加工效果好、速度快,使得加工难度提升。

传统的加工方式主要是通过CNC机械加工,速度较慢,精度低,这种方式已经越来越不适合在精密度要求更高的条件下使用。在这样的前提条件下,激光技术的不断突破,在陶瓷切割、打标中的应用逐渐取得话语权。

陶瓷电路板

陶瓷电路板是一种”利用导热陶瓷粉末和有机粘合剂,在低于250℃条件下制备了导热系数为9-20W/m.k的导热有机陶瓷线路板。

随着电子技术在各应用领域的逐步加深,线路板高度集成化成为必然趋势,高度的集成化封装模块要求良好的散热承载系统,而传统线路板FR-4和CEM-3在TC(导热系数)上的劣势已经成为制约电子技术发展的一个瓶颈。近些年来发展迅猛的LED产业,也对其承载线路板的TC指标提出了更高的要求。在大功率LED照明领域,往往采用金属和陶瓷等具备良好散热性能的材料制备线路基板,高导热铝基板的导热系数一般为1-4W/M. K,而陶瓷基板的导热系数根据其制备方式和材料配方的不同,可达220W/M. K左右。

在陶瓷电路板加工生产工艺中激光加工主要有激光打孔激光切割

陶瓷电路板激光打孔

陶瓷激光打孔

氧化铝和氮化铝等陶瓷材料具有高导热、高绝缘和耐高温等优点,在电子及半导体领域具有广泛的应用。但是陶瓷材料具有很高的硬度和脆性,其成型加工非常困难,特别是微孔的加工尤其困难。由于激光具有高功率密度及良好的方向性,目前陶瓷板材普遍采用激光器对陶瓷板材进行打孔加工,激光陶瓷打孔一般采用脉冲激光器或准连续激光器(光纤激光器),激光束通过光学系统聚焦在与激光轴垂直放置的工件上,发出高能量密度(10*5-10*9w/cm2)的激光束使材料熔化、气化,一股与光束同轴气流由激光切割头喷出,将熔化了的材料由切口的底部吹出而逐步形成通孔。
由于电子器件和半导体元器件具有尺寸小,密度高等特点,故要求激光打孔加工的精度和速度有较高要求,根据元器件应用的不同要求由于电子器件和半导体元器件具有尺寸小,密度高等特点,故要求激光打孔加工的精度和速度有较高要求,根据元器件应用的不同要求,微孔直径范围为0.05~0.2mm。用于陶瓷精密加工的激光器,一般激光焦斑直径≤0.05mm,根据陶瓷板材厚度尺寸不同,一般可通过控制离焦量来实现不同孔径的通孔打孔,对于直径小于0.15mm的通孔,可通过控制离焦量实现打孔。
陶瓷电路板激光切割

陶瓷激光切割打孔

陶瓷电路板激光切割多选择光纤激光器。光纤激光器切割陶瓷电路板具有以下优势:

精度高,速度快,切缝窄,热影响区小,切割面光滑无毛刺。

激光切割头不会与材料表面相接触,不划伤工件。

切缝窄,热影响区小,工件局部变形极小,无机械变形。

激光加工陶瓷基板应用前景

随着5G建设的持续推进, 精密微电子以及航空船舶等工业领域得到了进一步的发展,而这些领域都涵盖了陶瓷基板 的应用。其中,陶瓷基板PCB 因其优越的性能逐渐得到了越来越多的应用。

陶瓷基板是大功率电子电路结构技术和互连技术的基础材料,结构致密,且具有一定的脆性。传统加工方式,在加工过程中存在应力,针对厚度很薄的陶瓷片,很容易产生碎裂。
在轻薄化、微型化等发展趋势下,传统的切割加工方式因精度不够高,已无法满足需求。激光是一种非接触式的加工工具,在切割工艺上较传统加工方式有着明显的优势,在陶瓷基板PCB加工中发挥了非常重要的作用。
随着微电子行业的不断发展,电子元器件逐渐朝着微型化、轻薄化的方向发展,对精度的要求也越来越高,这势必对陶瓷基板的加工程度提出越来越高的要求。从发展趋势来看,激光加工陶瓷基板PCB的应用有着广阔的发展前景 !

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