Femtosecond laser cleaving di vetro e polimeri
I laser ultraveloci trovano impiego nelle lavorazioni di precisione ed alta qualità di vetro e polimeri garantendo ottimi tempi di processo senza che la composizione chimica del materiale venga alterata. approfondiamo come Acal Bfi Italy e il Fluence Ultrafast Laser Application Laboratory (ULAL) abbiano indagato la possibilità di scindere vetri e polimeri utilizzando una sorgente laser a femtosecondi ad alta potenza e controllando le micro-fratture all’interno del materiale, generando linee di materiale indebolito tramite beam-shaping e variando la durata degli impulsi laser.
Micro-machining di materiali vetrosi e polimeri sensibili al calore, con bassa conducibilità termica, richiedono laser da impulsi ultracorti e repetition rate ridotte per minimizzare il trasferimento termico e limitare quanto possibile la zona affetta dal calore. Il taglio di campioni polimerici di un certo spessore è critico e complesso in quanto, molto frequentemente, viene richiesta una ridefi nizione del contorno che rallenta e allunga i tempi di processo e determina accumuli di calore, che imitano la qualità della lavorazione.
L’utilizzo di impulsi ultra-corti focalizzati in maniera adeguata permettono un nuovo approccio tecnologico per le lavorazioni di vetri e diff erenti polimeri, anche di spessori signifi cativi ottenendo ottimi tempi di processo. I fasci adeguatamente focalizzati determinano una trascurabile zona di eff etto termico (heat affected zone, HAZ), un kerf ridotto a pochi microns e una mancanza di conicità nella sezione, fattori di essenziale vantaggio nelle lavorazioni di campioni polimerici, per applicazioni ottiche e dispositivi medicali dove la composizione chimica del materiale non può essere alterata durante il processo.
I processi di microlavorazioni con fasci laser ultrafast hanno trovato svariate applicazioni e implementazioni negli ultimi anni. La principale applicazione e relativo mercato di riferimento è il taglio del vetro nella realizzazione di elettronica di consumo
Cos’è il laser cleaving e quando applicarlo
Il principio del laser cleaving si basa sulla generazione di microfratture controllate nel materiale, che ne causano la separazione tramite l’applicazione di una forza meccanica o dello stress termico. Paragonato al processo di ablazione, il processo di laser cleaving con laser ai femtosecondi accelera la velocità di processo, riduce il kerf e determina una separazione netta, senza conicità tra la zona aff etta termicamente e quella non aff etta termicamente ed è particolarmente vantaggioso per i polimeri di grado medico e i prodotti in cui è richiesta alta qualità di lavorazione.
Un’interessante applicazione del cleaving polimerico riguarda i dispositivi medicali, in cui il materiale entra in contatto diretto con il corpo del paziente: una lavorazione di alta qualità priva di HAZ garantisce migliori biocompatibilità e prestazioni complessive dell’impianto.
L’esperienza di ULAL nel laser cleaving
Il Fluence Ultrafast Laser Application Laboratory (ULAL) ha indagato la possibilità di scindere vetri e polimeri utilizzando una sorgente laser a femtosecondi ad alta potenza e controllando le micro-fratture all’interno del materiale, generando linee di materiale indebolito tramite beam-shaping e variando la durata degli impulsi laser. ULAL è un laboratorio equipaggiato con stazioni di micro-machining di altissima qualità con posizionatori, teste galvanometriche e ottiche per il beam shaping, per sviluppare e testare processi e tecnologie nell’ambito dell’elettronica di consumo e dei dispositivi medici. Il cuore del ULAL sono i laser Jasper, laser
prodotti da Fluence Technology, azienda polacca la cui attività di R&D è nata nel 2003 e che realizza laser a femtosecondi eccezionalmente stabili e immuni a shock e vibrazioni, avendo sviluppato una tecnologia truly all-fiber, che consiste nell’utilizzo di soli componenti in fibra, SESAM-free, nell’oscillatore.
I laser Jasper sono disponibili in diff erenti taglie, fino a 60W di potenza media @ 1060nm, impulsi da 250fs a 8ps, reprate fi no a 20MHz e disponibili nelle armoniche successive.
ULAL ha identifi cato come sorgente adatta per il laser cleaving di vetro e polimeri la sorgente Jasper X0 di FLUENCE Technology, laser che emette 20W di potenza media @ 1060nm, con un impulso da 100uJ in regime di single pulse, durata dell’impulso tunabile da 250fs a 8ps e identifi cando come repetition rate ottimale il valore di 200kHz. È stato impiegato un modulo ottico per la generazione di un fuoco allungato di qualche mm, con un esteso DoF che insieme all’utilizzo di stage lineari con una accuratezza di posizionamento di +/- 1 μm ha permesso di ottenere l’alta precisione di processo necessaria per la lavorazione di materiali delicati, come il vetro e i polimeri termicamente sensibili. Sono state effettuate differenti prove, conducendo prove su diff erenti materiali e spessori e variando la durata degli impulsi. È stata analizzata la relazione tra le micro-fratture e la durata degli impulsi della sorgente laser. In tutti i campioni, la frattura meccanica più semplice è stata ottenuta con impulsi più brevi, attorno ai 250 fs; con impulsi dell’ordine dei picosecondi la rottura dei campioni era quasi impossibile. Per indagare il motivo di questa relazione, sono state eseguite delle dettagliate analisi al SEM. Impulsi da 250fs inducono delle modifi che più signifi cative nel materiale: si notano infatti zone che indicano una forte compressione del materiale, come risultato dell’espansione del materiale ionizzato. Le nanostrutture periodiche visibili perpendicolari alla direzione di propagazione del fascio laser indicano gli effetti ottici non lineari, che possono causare ulteriori difetti del materiale. Le modifi che indotte da impulsi ai fs sono più ampie rispetto a quelle generate dagli impulsi ai ps. Queste analisi suggeriscono che impulsi più brevi causano maggiori danni al materiale, lasciando stress in queste regioni che permettono la generazione delle micro-fratture.
Il vantaggio dell’utilizzo di impulsi laser dell’ordine del femtosecondo può essere evidenziato anche nel caso del taglio del vetro ultrasottile (UTG), dove ULAL ha dimostrato un’eccezionale qualità dei bordi con rugosità inferiore a 100 nm, è possibile piegare lastre di vetro spesse 30 o 50 μm, direttamente dopo il processo laser. Anche campioni di vetro più spessi possono essere lavorati con un singolo passaggio laser, raggiungendo ottime velocità di processo. Ad esempio, ULAL ha tagliato vetro borosilicato BK7 di 1,1 mm di spessore alla velocità di 1 m/s con solo un sistema laser da 20 W, lasciando la qualità del bordo ben oltre le aspettative; la rugosità tipica ottenuta è inferiore a 0,5 μm e non è presente alcuna scheggiatura dei bordi.
La velocità di scansione tipica per la scissione a passaggio singolo di materiali fino a 1,1 mm di spessore varia tra 400 mm/s, per polimeri amorfi più elastici e 2 m/s per polimeri semicristallini con maggiore fragilità. La velocità massima del processo dipende quindi dalla durata dell’impulso e dalla fragilità del materiale, per il vetro con spessore superiore a 1,0 mm la velocità è generalmente di 1 m/s. Sono stati analizzati i bordi dei campioni lavorati che risultano essere
privi di zone alterate dal calore (HAZ). Questa caratteristica è stata osservata sia su lavorazioni di linee rette sia su lavorazioni di varie geometrie e sia in passaggi singoli che multipli.
Il laser a femtosecondi, una soluzione ideale per vetri e polimeri
ULAL ha quindi dimostrato come il taglio laser a femtosecondi sia un processo non invasivo che consente di ottenere risultati qualitativamente eccellenti e buone velocità di processo, in materiali critici come vetro e polimeri. Queste caratteristiche di processo sono fondamentali in applicazioni come gli schermi dei prodotti elettronici di consumo, dove anche le più piccole crepe possono comprometterne la durabilità o nel campo dei polimeri medici, utilizzati, ad esempio, per la realizzazione degli stents cardiovascolari, dove anche lievi alterazioni nella composizione chimica possono produrre effetti negativi significativi sul corpo umano. Grazie all’ampia gamma di spessori coperti, alla qualità eccezionale raggiunta senza post-processing e all’alta velocità, questa tecnica basata sul laser a femtosecondi può essere applicata in molti settori di mercato dalla produzione di display ed elettronica di consumo, fi no ai produttori di vetro per apparecchiature edili o di refrigerazione.