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雷射微加工:Renishaw VIONiC™ 光學尺大放異彩

雷射微加工包含雷射標示、雷射切割、雷射銑削或雷射材料燒蝕等製程,通常使用高品質雷射光束實現。

雷射輻射的優點包括:

  • 高度靈活
  • 非接觸式加工和零刀具磨損
  • 自動化潛力大
  • 易於整合,可應用於各式各樣的加工製程領域,適用於矽、陶瓷、金屬和聚合物等眾多材料

雷射加工生產分為微加工和粗加工,劃分依據不是工件尺寸,而是使用雷射刀具可實現的特徵尺寸精度。微加工所用的雷射系統使用平均功率遠低於 1 kW 的脈衝光束,而粗加工所用的雷射系統通常使用功率高達幾千瓦的連續波 (CW) 雷射光束。

雷射微加工的應用領域,包括製造用於電氣測試和半導體晶圓測試的 MEM(微機電系統)裝置、微型測頭或接觸測頭。雷射加工產品通常用於醫療應用,例如血管支架、可吸收支架和神經血管裝置。

VIONiC™ 系列光學尺是 Renishaw 超高精度的多合一數位增量式光學尺,適用於線性和旋轉應用,專門針對微加工製程和其他類型精密製造所設計。本文重點介紹選擇正確光學尺對雷射加工的重要性。

微加工中的運動控制

目前雷射微加工由兩項技術完成:(i) 雷射直寫 (DLW) 技術,使用固態雷射搭配 2D 電流計掃描頭;以及 (ii) 各種光罩技術(例如光罩投射),大部分使用準分子雷射和傳統固定光罩。

DLW 技術適合在光斑尺寸受通量(或單一雷射脈衝沉積能量)要求限制的情況下,在材料產生大切口特徵以及進行大量鑽孔作業。所需特徵可於 CAD 繪製,然後使用 CAD/CAM 編程介面直接轉換為運動控制代碼。射向工件的光束位置則由精密 X-Y 運動平台直接控制。這些系統的最大優點之一,便是可靈活應用於各式各樣的微加工作業。

接觸式光罩這項技術,是由簡易的光束整形光學元件控制目標雷射功率,特徵形狀則是由與工件接觸的阻擋器光罩決定。接觸式光罩曝光可在工件靜止時執行,或在工件接受光束掃描時進行。如果使用掃描方法,雷射發射速度必須按工作台進給率進行插補計算,以確保曝光一致性,而這需要整合高精度光學尺,以控制工件移動的速度和加速度。接觸式掃描的好處之一是可以處理大面積材料。雷射加工製程使用兩種基本的運動系統:步進馬達和伺服馬達。

步進馬達系統的缺點包括:

  • 定位精度有限
  • 作業噪音大
  • 電流消耗大

伺服馬達的優點包括:

  • 搭配使用光學尺時精度高
  • 馬達靜止時無電流消耗
  • 運動平穩,速度漣波極低 – 非常適合高速應用

在協調運動成像或光罩投射中,光罩和工件分別安裝在由電腦控制的不同 X-Y-Z 平台上。在加工過程中,光罩和平台沿相反方向插補移動,

其中光罩移動幅度的放大係數,等於成像系統的縮小係數。這樣的反向運動,可讓雷射影像精確追蹤移動工件的位置,在曝光光罩的不同區域時,始終保持在相對於工件的相同位置。每個平台均內建高精度光學尺以提供位置回饋,重現性可達 50 nm 以下,解析度達到奈米等級。防動交叉滾子軸承或空氣軸承也確保優異的速度穩定性,可在平台沿著工件上的預設軌跡移動雷射對焦時,盡量減少脈衝能量沉積的局部變化。微加工需要使用先進的運動控制器搭配演算法和硬體,盡可能減少干擾誤差、增強追蹤能力,確保卓越的定位穩定性。軸加速或減速期間的運動誤差最大。

準分子雷射普遍用於類似光微影成像的光罩投射技術 (MP)。光罩投射技術可一次傳輸固定透射光罩中的所有資訊。例如這項技術可在單一雷射脈衝中產生英數字元或圖片的完整標示,持續時間通常為幾奈秒。因此加工速度是由準分子雷射的重複率所限制,而不是電流計掃描器光學鏡組的機械移動。

若要在執行雷射微加工時於特定材料實現所需結果,必須依據波長、脈衝重複率、平均功率和脈衝持續時間等特徵,選擇合適的雷射。超高速雷射可於堅硬材料有效加工極小、極精密的圖案,因為高峰值強度雷射可產生所謂的「冷」燒蝕。加工微型結構的同時不會破壞周圍結構,在某些情況下甚至不會改變材料特性。

鑑於受控及精密的微加工製程具備以上諸多優點,因此業界許多廠商都在最注重品質的應用中,探索使用最短的脈衝雷射。直寫製程的限制條件,是由循序資訊傳輸的固有特性和掃描頭的動態特性決定,因此必須考慮速度限制。

雷射加工設備通常置於其他製程的生產線中,例如在卷對卷生產線上,雷射微加工系統就位在加工連續金屬帶的衝床下游。

在這種情況下,雷射可用於雷射標示、切割或材料燒蝕。材料進給率保持恆定速度,雷射則由衝床滑塊位置觸發。衝床滑塊使用旋轉光學尺,用於判定(衝壓操作之間)振動最小的滑塊循環部分;光學尺也用於伺服控制的滾筒進料器,協助精確控制金屬帶通過雷射時的速度。因此光學尺精度直接影響雷射加工精度。

整合 VIONiC 光學尺系列

Renishaw VIONiC 系列這類高效能光學尺,可在雷射微加工作業中發揮重要作用。這些位置感測裝置向控制器提供回饋,在雷射脈衝之間協調,並可調整平台運動和電流計,以實現微米等級特徵的精密加工。

雷射微加工設備所用的特定光學尺具有高解析度、低延遲、優異精度、精巧的封裝尺寸和重量輕等特性。部分應用偏好使用數位輸出光學尺,與數位即時控制器進行通訊。VIONiC 光學尺系列是多合一的數位增量式光學尺解決方案,適用於線性和旋轉應用,其中將所有必要的插補和數位訊號處理功能,結合在 35 mm x 13.5 mm x 10 mm 的讀頭內,細分誤差 (SDE) 最低可達 <±10 nm,解析度最低則為 2.5 nm。這類讀頭提供多種配置,協助最佳化運動控制系統的速度和效能。

VIONiC 系列設計用於支援各種精密製程,例如以雷射微銑削及其他技術,在矽和塑膠等各種基材上加工細微特徵。部分 VIONiC 系列機型的精度,相當於昂貴的超細刻距 (<4 µm) 光學尺系統,並增添各項優點,例如偏擺角和安裝間隔高度公差更寬鬆、安裝更容易、系統尺寸更小、工作速度更快,以及更靈活的光學尺選項(例如長度更長、抗污能力更強及成本更低等)。

且可配合多種光學尺尺包括金屬鋼帶尺、殷鋼尺以及環型尺(包括超高精度 REXM)等使用。其中提供的各類光學尺可滿足熱補償和精度要求:ZeroMet™ RELM 光學尺在 20°C 的精度為 ±1 µm/m,熱膨脹係數 (CTE) 接近於零。

VIONiC RTLC 不鏽鋼線性光學尺還提供 FASTRACK™ 導軌安裝選項,可有效消除機器基材對光學尺精度的影響,簡化熱誤差補償。高速效能對高產能製程也十分重要,VIONiC 光學尺可於線性軸達到 12 m/s,在旋轉軸可達 4,400 RPM。選配的進階診斷工具 (ADT) 透過人性化的軟體介面提供全方位回饋。

微加工特徵影像由 Oxford Lasers Ltd 提供
This article was originally published in an international edition of German magazine 'Mikroproduktion'.