2017年皮秒激光技术发展前景展望报告

1 2017年皮秒激光技术发展前景展望报告

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正文目录 一、激光加工行业与皮秒激光...................................... 4 激光加工技术与设备.............................................. 5 二、新一代激光技术——皮秒激光.................................. 7 皮秒激光加工特点................................................ 8 三、皮秒激光应用领域........................................... 11 指纹识别模组加工............................................... 12 PCB高速钻孔加工 ............................................... 16 面板切割与电路蚀刻............................................. 16 脆性材料加工制造............................................... 17 晶圆切割加工................................................... 18 未来其他应用领域——OLED....................................... 19 投资建议和风险提示............................................. 20

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图表目录 图1：激光加工设备组成........................................... 5 图2：全球激光加工设备销售收入（亿美元）......................... 5 图3：工业激光设备的分类一览..................................... 6 图4：普通激光（左）VS超短脉冲激光（右） ........................ 9 图5：皮秒、纳秒以及飞秒激光加工性能参数的比较.................. 10 图6：皮秒激光加工实例.......................................... 11 图7：皮秒激光加工下游领域应用.................................. 12 图8：全球指纹芯片出货量........................................ 13 图9：皮秒激光加工：蓝宝石/玻璃盖板和IC芯片.................... 14 图10：指纹识别领域皮秒激光切割设备市场占有率................... 14 图11：中国LED产值及其增速..................................... 15 图12：脆性材料大量应用于智能手机制造........................... 18 图13：有机发光二极管(OLED)加工................................. 20 4

一、激光加工行业与皮秒激光 激光加工技术与设备 激光自 20 世纪 60 年代诞生以来就一直是国内外广泛重视的一门技术和研究方向，关于激光的应用也是逐步从光学延伸到了光电、机械加工、3C电子等领域。由于激光的特殊物理属性激光加工已经成为3C产业零部件加工的重要手段。 激光加工属于无接触加工,并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料，适用于高端部件加工。 激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工，激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。激光加工设备主要分为光学系统、机械系统、电控系统和软件系统，其中以光学系统中的激光器最为核心。 5

图1：激光加工设备组成 激光加工属于无接触加工,并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料，适用于高端部件加工。

图2：全球激光加工设备销售收入（亿美元）

激光的分类有多种方式，可以按工作物质分类，也可以按激励方 6

式分类。还可以按照运转方式分分类，其余还可以按照功率大小、显示波段范围等方式分类。其中按脉冲宽度可以划分为纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光，其中皮秒和飞秒属于超短脉冲激光。

图3：工业激光设备的分类一览

二、新一代激光技术——皮秒激光 皮秒激光器是脉宽为皮秒（10-12秒）的激光器，作为超短脉冲激光的典型代表，皮秒激光具有超短脉宽、超高峰值功率的特点，其加工对象广泛，尤其适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料和热敏性材料，因此适合于电子产业微细加工行业应用。 皮秒激光技术是工业微细加工的可靠工具，这些加工在此前是用 7

其它方法无法完成的。皮秒脉冲宽度可以和电光弛豫的时间相比较，短到足以对材料进行“冷”烧蚀，即几乎没有热效应。皮秒激光相比脉冲宽度更短的飞秒激光也有不少优势，由于不需要为了放大而展宽和压缩脉冲，皮秒激光器的设计没有那么复杂，因此成本效益更高，性能更可靠。同时，皮秒脉冲仍短到足以应付非常精确和无应力的微细加工。 皮秒激光几乎可对所有材料进行微米尺度的加工，这些材料包括但不限于：金属、半导体、钻石、蓝宝石、陶瓷、聚合物、复合材料和树脂、光阻材料、薄膜、ITO膜、玻璃。 传统的激光加工热输入大，在加工过程中会产生热应力使得金属等薄板材料发生变形，影响了微纳加工的效果。 皮秒激光介于纳秒激光和飞秒激光之间，既有着类似于飞秒激光的典型的超短脉宽、超高峰值功率特性，也具备飞秒激光所不具备而又有别于长脉冲激光的加工效率。 因此，皮秒激光在微纳加工领域具有独一无二的特点，目前也被广泛应用于这一领域，在许多方面取得了实质性进展。 皮秒激光加工的原理在于：当激光照射到材料表面时，除一部分光被反射外，其余光能基本都进入材料内部，这其中的一部分被材料本身吸收，另一部分则透过材料。 普通的长脉冲激光在与材料的相互作用过程中，随作用时间的推移，通常经历以下几个阶段：1）固态加热及表层熔化阶段；2）形成增强吸收等离子体云阶段；3）形成小孔和阻隔激光的等离子体云阶段。而对于金属材料，皮秒激光的能量被材料内的自由电子线性吸收， 8

激发之后产生等离子体，在等离子体与皮秒激光共同作用下，材料内部膨胀、爆炸产生冲击波，使得受作用区域材料脱离母材，完成材料加工过程。皮秒激光的热损伤极小，在适当工艺条件下可实现无损伤加工。

皮秒激光加工特点 皮秒激光作为超短脉冲激光的典型代表，具有超短脉宽、超高峰值功率的特点，其加工对象广泛，尤其适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料和热敏性材料。 其适合高精度加工的原因在于，皮秒激光作为一种新型的能量源，具有皮秒级超短脉宽、重复频率可调范围宽和高脉冲能量等特点，可实现包括硬脆性难加工材料在内的高精与高效兼顾的材料加工效果，皮秒激光加工作为新型激光智能化制造手段之一将在高精高效机械制造领域具有广阔的应用前景。 目前，CO2 激光、光纤激光、半导体激光以及准分子激光等面向工业应用的主流激光器脉宽多在微秒、纳秒级水平。长脉宽激光作用于材料时，通过焦耳加热吸收激光能量，经晶格/电子热传导使材料辐照区域升温，熔化至汽化完成材料的去除。 “热加工”效应所引起的热影响区、熔凝残渣及应变裂纹是限制工件加工精度、效率和工艺重复性提高的主要原因。纳秒级脉宽准分子激光具有“近似冷消融”的加工效果，但其对材料去除加工的主要机制仍为热烧蚀，加工路径周缘的热影响区清晰可见。 9

图4：普通激光（左）VS超短脉冲激光（右） 纳秒激光技术虽然具有完善的技术基础，来源高度可靠，运营成本也很有吸引力。不过，对那些要求最苛刻的加工任务来说，在热影响区的大小、频繁产生的重铸材料或者是表面涂层的分层开裂等方面仍然存在一些限制。 10

图5：皮秒、纳秒以及飞秒激光加工性能参数的比较 皮秒激光器除了加工过程中基本没有热影响区，另一个主要优点是它适用的材料范围非常广泛，包括几种宽禁带材料（例如玻璃和某些聚合物），这类材料线性吸收和光吸收很低，因此很难用现有的商业化激光器来处理。具体来说，即使这些材料在激光波长范围通常是透射的，这一“波长不可知”技术也可以诱发非线性吸收。 目前市面上的皮秒激光器的范围通常从红外到紫外，紫外皮秒激光器在高精度和最小热影响区方面有着最佳的表现，并且红外和可见光皮秒激光器通常会提供更大的输出功率，从而带来更高的处理速度。 11

图6：皮秒激光加工实例 三、皮秒激光应用领域 皮秒激光加工作为高精度加工中兴起的一类加工方式，其主要服务于半导体加工领域、PCB加工领域、微型电路蚀刻、液晶面板切割等等电子工业加工业务领域。值得一提的是，在手机制造工业中皮秒激光加工也正在扮演越来越重要的角色。