PulseEQ：熱損傷のない、最も精密な材料加工

Coherent PulseEQ 기술이 섬세한 재료를 가공할 때 열 손상을 방지하는 방법을 알아봅니다.

2021年7月13日、 Coherent

今日、特にマイクロエレクトロニクスやディスプレイの製造において、多くの製品には薄型、機械的に繊細、あるいは熱に敏感な材料が使用されています。レーザーは、主に3つの理由から、こうした材料の加工（切断、マーキング、溶接など）に広く利用されています。第一に、他のどの技術よりも小さく精密な形状を作り出すことができるからです。第二に、被加工物に機械的な力を加えないため、応力や破損のリスクがありません。最後に、適切に使用すれば、レーザー加工中の部品の加熱を制限することができます。熱によって部品が損傷したり、物理的特性が変化したりする可能性があるため、この点は重要です。

注目のトピック

メーカーが処理能力の拡大に伴い、より複雑な部品の生産を進め、可能性の限界を超えようとしている中で、熱損傷の問題はますます重要になっています。この典型的な例が、携帯電話のディスプレイ生産で見られます。通常、これはフレキシブルOLEDモジュールを基盤としています。このようなモジュールを生産するには、大型パネル上に複数のディスプレイを製造し、最終工程で個々の携帯電話用ディスプレイを切り出す必要があります。

このような切り欠きの形状は、丸みを帯びたエッジ、ボタンの窪み、カメラやその他のセンサー用の穴などにより、かなり複雑になる場合があります。また、切断工程において部品を過度に加熱しないことが極めて重要であり、そうしないとディスプレイの外観に影響が出たり（例：変色）、機能が低下したりする可能性があります。

この問題は多くの用途に影響を及ぼすため、レーザーメーカーはかねてよりこの課題に対処するための技術開発を進めてきました。数年前、産業用超短パルス（USP）レーザー分野における進展は、重要な飛躍となりました。このレーザーは、熱の大部分が伝導される前に、材料が部品から蒸発するほど短い光のパルスを発射します。

曲線の問題

しかし、最も扱いが難しく繊細な用途の場合、USP技術であっても、部品の熱による損傷を完全に防ぐためには、ある程度の補助が必要です。その理由を理解するために、角が曲がったスマートフォンのディスプレイを切り取る例を見てみましょう。

そのためには、レーザービームが部品の表面上で所定の切断パターンに沿って進む必要があります。つまり、ビームが部品に対して移動し、所定の形状を切断しなければならないのです。これは、電動プラットフォームで部品を移動させるか、スキャナーミラー（あるいはその両方を組み合わせる）を使用してレーザービームを移動させることで実現できます。

いずれにせよ、ビームの動きを生み出す機械システムには質量があります。そのため、即座に停止したり始動したりすることはできません。方向を変えるには、加速または減速する必要があります。したがって、ビームが切断パターンの曲線部分に到達すると、その曲線部分に入る際に速度が低下し、曲線部分から出る際に再び速度が上昇することになります。これは、車がカーブを走行するときとまったく同じです。

では、それはどういうことでしょうか？レーザーは一連の光パルスを発生させます。そして、前述したような超短パルスであるか、あるいはより長いパルスであるかは重要ではありません。どちらの場合でも、一般的に、例えば100万分の1秒ごとに1パルスといったように、時間間隔は一定です（そうです。実際には、それよりもはるかに速いのです！）。

しかし、レーザーが一定の繰り返し速度でパルスを発生させている間、モーションシステムが曲線を通過する際に何が起こるのかを見てみましょう。ビームの動きが一旦遅くなり、曲線を通過するにつれて再び速くなるため、パルスは直線区間を切断するときよりも、部品上で互いに近い位置に配置されることになります。つまり、その地点でレーザーは部品により多くの熱を集中させていることになります。これは好ましいことではありません。

固定パルス速度で動作するパルスレーザーを使用する場合、曲線部分を切断するためにレーザービームの速度が低下すると、パルス間隔が狭くなります。これにより、望ましくない熱の蓄積が発生します。PulseEQは、切断経路の形状にかかわらず、一定のパルス間隔とパルスエネルギーを維持します。

PulseEQの動作温度はどれくらい低いですか？

概念的には、この解決策は非常に単純です。ビームが表面上を移動する速度に関係なく、切断工程中にレーザーパルスの速度を調整し、各パルスがワークピースに当たる位置間の物理的な間隔を常に一定に保てばよいのです。

もちろん、実際の現場ではそう単純な話ではありません。まず、USPレーザーのパルス繰り返し周波数を下げると、パルスエネルギーが指数関数的に増加します。また、レーザービームが部品表面上を移動する速度を正確に把握できる制御システムが必要です。そして、レーザーパルスの速度をシステムに合わせて調整しなければなりません。

5G携帯電話のアンテナに使用可能な材料である銅と液晶ポリマー（LCP）の積層板に対し、USPレーザーを用いて曲線カットを施したものです。PulseEQを使用しない場合、レーザービームの速度が低下し、曲線部分にわずかな炭化が生じます。PulseEQを使用すれば、この問題を完全に解消できます。

そして、その状態こそがPulseEQが達成された状態です。動作を開始し、正確かつ安定して動作させるための技術はいくつかあります。しかし、結論として言えるのは、レーザーの動作繰り返し周波数にかかわらず、PulseEQがパルスエネルギーを所望のレベルで一定に維持するということです。さらに、レーザーの繰り返し周波数を部品の動きに合わせます。そのため、スキャンパターンやスキャン速度がどうであれ、加工面のレーザー切断性能は常に一定に保たれます。これにより、レーザーが部品に熱損傷を与えることなく、最も精密で困難な加工作業を行うことが可能になります。

PulseEQは、Coherent さまざまな用途で最高の結果をもたらすよう支援し、Coherentの産業用USPおよびナノ秒レーザーの全機能を最大限に活用できるようにしました。