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超短脉冲激光器助力5G智能制造

星之球科技 来源:国际工业激光2020-08-02 我要评论(0 )   

第五代移动通信技术(英语:5thgenerationmobilenetworks简称5G)是最新一代蜂窝移动通信技术,其性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和...

第五代移动通信技术(英语:5thgenerationmobilenetworks简称5G)是最新一代蜂窝移动通信技术,其性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。


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由于5G手机在工作时使用的频率(如:微波和毫米波)相较传统频率更高,且需要满足可以同时利用来自不同发射机的信号的要求,所以5G手机需要体积更小、物理结构更复杂(平面和立体结合)、小型化的天线,并配合支持MIMO(MultiInputMultiOutput,多输入多输出)的多天线技术。截至目前,现在市面上的智能天线可以支持2x2或者4x4MIMO功能,然而5G手机天线对多路技术的则要求更高。


众所周知,天线是由层压基板制作而成,这种层压基板包括基于绝缘体(例如液晶聚合物LCP或改性聚酰亚胺mPI)的铜层,在多数情况下,还包括一个粘合层。在制造过程中,层压基板必须安装在特定基板或其他载体上。


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Coherent 相干公司 HyperRapid NXT 超短脉冲紫外激光器


显然,在进行必要的切割/划线(划线也称为吻切,这种工艺可在不破坏底层的情况进行有选择性的剥层)时,激光加工是十分合适的选择。虽然内置调Q纳秒激光器已经可以提供切割/划线所需的空间分辨率,但由于铜和聚合物的烧蚀阈值差别很大,纳秒激光器无法通过一气呵成的连贯过程完成整个加工工艺。通常情况下,较好的加工参数要求约7倍于烧蚀阈值的激光通量。而将通量提高到阈值的10倍及以上却并不会提高加工速度,而只会增大切面宽度和热影响区域(HAZ)范围。热影响区在热加工中,是指切面、划线或孔附近的材料由于热效应而降解的范围,例如:纸张和塑料的炭化区域、陶瓷的玻璃相形成区或半导体的熔化区。


对于手机天线之类的小型电磁设备而言,必须尽量减少热影响区从而避免功能受损,比如:烧融黏连可能导致短路、过大的热影响还可能会降低设备可靠性,同时还会缩短使用寿命。然而,如果仅根据铜的加工阈值优化纳秒激光参数,则难以有效降低聚合物的热影响区。因此,天线加工必须通过两个独立的制程和两种不同的激光设置进行加工。但这种方式要求整个加工过程需要在专业化监测之下,防止出现加工错误,从而保证加工过程平稳运行,优化加工成本。


在充分减少热影响区方面,更短(例如皮秒)的脉冲宽度或更短的波长通常被认为是两种行之有效的方法。超短脉冲(USP)激光器的优点在于,大部分激光脉冲能量在还没来得及扩散的时候就已被溅射出的材料带走。此外,虽然超短脉冲激光器通常情况下拥有的脉冲能量较低,但同时也能提供较高的脉冲重复频率,因此可支持快速多次加工,同时进一步减少热影响区问题。


众所周知,使用紫外(UV)等较短的波长可减少热影响区。这是因为高能光子可以直接破坏大多数材料中的原子键,所以某些材料可通过光解加工(一种冷加工方式)而不是热加工来去除。


皮秒紫外激光器集短脉冲宽度和短波长于一身,因此,是对天线进行微加工的理想选择。最近,工业用超短脉冲紫外激光器的平均功率有所提高,可满足5G天线切割等应用所需的高产能需求。例如,Coherent相干公司的HyperRapidNXT超短脉冲紫外激光器,在355nm波长下的输出功率可达30W,可以在每秒数米的扫描速度下,对样品进行10次左右的激光扫描,即意味着可以达到加工市场最新的天线的需求。


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当激光在材料表面扫描复杂图形进行加工时,直线和曲线部分的切换必然造成扫描速度的变化,使用固定的脉冲重复频率,会使激光在曲线部分逗留时间过长而造成切割拐角的热影响区域扩大。尽管超短脉冲紫外激光器产生的热负荷很小,但脉冲之间过多的重叠可能导致热量积聚和以及较大的热影响区,因此上述操作可能会带来问题。


HyperRapidNXT采用Coherent相干公司先进的PulseEQ脉冲控制技术,可以实时控制脉冲速率,并与扫描振镜信号同步,这样可以确保脉冲与脉冲的重叠率保持一致。同样重要的是,PulseEQ还可以对单个脉冲能量进行实时控制,从而解决在一些情况下,脉冲重复频率变化导致的单脉冲能量跟随变化问题。


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HyperRapid NXT 用于 5G LCP 天线切割和钻孔。左图所示的高切割质量必须通过 Hyper Rapid NXT 的 Pulse EQ 技术实现。


5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及,面向2020年及以后,移动数据流量将呈现爆炸式增长。Coherent相干公司新一代工业级高功率皮秒激光器HyperRapidNXT凭借更加强大的灵活性和稳定性获得市场青睐,并且最近成功斩获某国际知名手机品牌重要订单。



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