ซิลิคอนไนไตรด์กับอลูมินา: เซรามิกชนิดใดที่ตัดด้วยเลเซอร์ได้ยากกว่า

เมื่อเลือกเครื่องตัดเลเซอร์เซรามิก วิศวกรหลายคนคิดว่าการดูดซับด้วยเลเซอร์ที่สูงขึ้นโดยอัตโนมัติจะทำให้การตัดเฉือนง่ายขึ้น ในความเป็นจริง ประสิทธิภาพการตัดด้วยเลเซอร์ขึ้นอยู่กับความสมดุลระหว่างการดูดซับด้วยเลเซอร์ การนำความร้อน การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และความต้านทานการแตกร้าว
แม้ว่าซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) ดูดซับพลังงานเลเซอร์ได้ดีกว่าอลูมินา (Al₂O₃) แต่ก็ยังคงเป็นหนึ่งในเซรามิกวิศวกรรมที่ยากที่สุดในการประมวลผลเนื่องจากมีความไวต่อความเครียดจากความร้อนอย่างมาก

บทความนี้เปรียบเทียบเลเซอร์ไฟเบอร์ QCW, เลเซอร์ยูวีนาโนวินาที 355 นาโนเมตร และเลเซอร์พิโควินาทีสำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรม

คุณสมบัติของวัสดุที่ส่งผลต่อการตัดด้วยเลเซอร์

1. ไฟเบอร์เลเซอร์ QCW 1064 นาโนเมตร
อลูมินา
กระบวนการผลิตที่ครบกำหนด
หน้าต่างการประมวลผลกว้าง
การตัดรูปร่างที่มั่นคง
ผลผลิตสูง
ข้อจำกัดหลักคือการดูดกลืนแสงอินฟราเรดต่ำ ซึ่งโดยทั่วไปจะได้รับการแก้ไขด้วยการเคลือบแบบดูดซับก่อนการตัด
ความยาก: ★★☆☆☆
ซิลิคอนไนไตรด์
แม้ว่า Si₃N₄ จะดูดซับแสงอินฟราเรดได้ดีกว่า แต่ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวจากความร้อนได้ง่ายกว่ามาก
ปัญหาทั่วไปได้แก่:
มีรอยแตกขนาดเล็กถึง-
การบิ่นขอบ
การแคร็กล่าช้า
ความเร็วตัดลดลงเนื่องจากการสแกนเลเยอร์ตื้น-
หน้าต่างกระบวนการแคบกว่าอลูมินาอย่างมาก
ความยาก: ★★★★★

เลเซอร์ยูวีนาโนวินาที 2. 355 นาโนเมตร
อลูมินา
การตัดด้วยเลเซอร์ UV เป็นโซลูชันทางอุตสาหกรรมที่สมบูรณ์อยู่แล้ว
ข้อดีทั่วไป ได้แก่:
HAZ ตัวเล็ก
การเจาะรูขนาดเล็ก-ที่มีความเสถียร
การบิ่นต่ำ
ผลผลิตสูง
ความยาก: ★★☆☆☆
ซิลิคอนไนไตรด์
เลเซอร์ยูวีช่วยลดความเสียหายจากความร้อนได้อย่างมาก แต่ไม่สามารถขจัดความเครียดจากความร้อนได้อย่างสมบูรณ์
การผลิตภาคอุตสาหกรรมมักต้องการ:
กำลังเลเซอร์ที่สูงขึ้น (20–30 W)
การตัดตื้นหลาย-ผ่าน
ก๊าซช่วยไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง-
กลยุทธ์การระบายความร้อนที่ปรับให้เหมาะสม
เมื่อเทียบกับอลูมินา โดยทั่วไปเวลาในการประมวลผลจะนานกว่า 50–100%
ความยาก: ★★★★☆

3. เลเซอร์พิโควินาที
อลูมินา
เลเซอร์ Picosecond ให้:
ใกล้-ศูนย์ HAZ
ไม่มีการหล่อเลเยอร์ใหม่
คุณภาพขอบที่ดีเยี่ยม
การตัดเฉือนที่แม่นยำและมีเสถียรภาพ

ความยาก: ★★☆☆☆
ซิลิคอนไนไตรด์
พัลส์ที่สั้นเกินจะช่วยลดการเกิดรอยแตกร้าวได้อย่างมาก แต่ Si₃N₄ ยังคงต้องการ:
พลังงานชีพจรลดลง
สแกนผ่านได้มากขึ้น
ใช้เวลาในการตัดนานขึ้น
ประสิทธิภาพการผลิตโดยทั่วไปยังคงต่ำกว่าอลูมินาถึง 30%
ความยาก: ★★★☆☆

การเปรียบเทียบความยากลำบาก

เหตุใดซิลิคอนไนไตรด์จึงยากกว่า?
ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดไม่ใช่การดูดซับด้วยเลเซอร์
ซิลิคอนไนไตรด์กลับรวมลักษณะที่ไม่เอื้ออำนวยหลายประการเข้าด้วยกัน:
ค่าการนำความร้อนต่ำกว่า
การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก
ความเครียดจากความร้อนตกค้างสูง
ความไวของรอยแตกร้าวมากขึ้น
หน้าต่างกระบวนการที่แคบลง

ด้วยเหตุนี้ แม้ว่าจะใช้เลเซอร์ UV หรือเลเซอร์พิโควินาที แต่ผู้ผลิตก็ยังต้องการ:
ผ่านการตัดมากขึ้น
พลังงานต่ำต่อการผ่าน
ความเย็นที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น
ใช้เวลาในการประมวลผลนานขึ้น
ปัจจัยเหล่านี้ทำให้ Si₃N₄ ประมวลผลยากกว่าอลูมินาในการผลิตจำนวนมากอย่างมาก

โซลูชั่นเลเซอร์ที่แนะนำ

บทสรุป
แม้ว่าซิลิคอนไนไตรด์จะดูดซับพลังงานเลเซอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าอลูมินา แต่การกระจายความร้อนได้ไม่ดีและความไวต่อความเครียดจากความร้อนที่สูงมาก ทำให้ซิลิคอนไนไตรด์เป็นหนึ่งในเซรามิกที่ท้าทายที่สุดสำหรับการแปรรูปด้วยเลเซอร์

สำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรม-ที่ให้ผลผลิตสูง เลเซอร์ UV 355 นาโนเมตรยังคงเป็นโซลูชันที่ต้องการสำหรับการตัดเฉือน Si₃N₄ ที่มีความแม่นยำ ในขณะที่เลเซอร์ไฟเบอร์ QCW เหมาะสมกับการประมวลผลอลูมินาที่มีประสิทธิภาพสูง-มากกว่า

ต้องการโซลูชันเลเซอร์สำหรับเซรามิกขั้นสูงหรือไม่?
ยคลาเซอร์เชี่ยวชาญด้านการตัดด้วยเลเซอร์อย่างแม่นยำสำหรับซับสเตรตเซรามิก Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, ZrO₂, SiC, DBC และ DPC เราให้บริการการทดสอบตัวอย่างฟรี การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ และโซลูชันเลเซอร์ที่ปรับแต่งตามความต้องการสำหรับทั้งการสร้างต้นแบบและการผลิตจำนวนมากติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการสมัครของคุณ