Bei der Auswahl einer Laserschneidmaschine für Keramik gehen viele Ingenieure davon aus, dass eine höhere Laserabsorption automatisch eine einfachere Bearbeitung bedeutet. Tatsächlich hängt die Laserschneidleistung vom Gleichgewicht zwischen Laserabsorption, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung und Rissbeständigkeit ab.
Obwohl Siliziumnitrid (Si₃N₄) Laserenergie besser absorbiert als Aluminiumoxid (Al₂O₃), bleibt es aufgrund seiner extremen Empfindlichkeit gegenüber thermischer Belastung eine der am schwierigsten zu verarbeitenden technischen Keramiken.
In diesem Artikel werden QCW-Faserlaser, 355-nm-UV-Nanosekundenlaser und Pikosekundenlaser für die industrielle Produktion verglichen.
Materialeigenschaften, die das Laserschneiden beeinflussen
| Eigentum | Aluminiumoxid (Al₂O₃) | Siliziumnitrid (Si₃N₄) | Auswirkungen auf das Laserschneiden |
| Absorption bei 1064 nm | 5–10% | 25–40% | Aluminiumoxid erfordert oft eine absorbierende Beschichtung; Si₃N₄ absorbiert besser, entwickelt aber eine viel höhere thermische Spannung. |
| Absorption bei 355 nm | 40–50% | 50–65% | Die UV-Behandlung ist für beide Materialien wirksam, wobei die Absorption für Si₃N₄ etwas besser ist. |
| Wärmeausdehnung | 7–8 ppm/Grad | 2,8–3,3 ppm/Grad | Eine geringere Ausdehnung führt zu einer höheren Eigenspannung und einem höheren Rissrisiko. |
| Wärmeleitfähigkeit | 22–32 W/m·K | 16–22 W/m·K | Si₃N₄ leitet Wärme langsamer ab, wodurch die Wärmespeicherung zunimmt. |
1. QCW 1064 nm Faserlaser
Aluminiumoxid
Ausgereifter Produktionsprozess
Großes Verarbeitungsfenster
Stabiler Konturschnitt
Hohe Produktivität
Die Haupteinschränkung ist die geringe Infrarotabsorption, die üblicherweise durch eine absorbierende Beschichtung vor dem Schneiden behoben wird.
Schwierigkeit: ★★☆☆☆
Siliziumnitrid
Obwohl Si₃N₄ Infrarotlicht besser absorbiert, ist es viel anfälliger für thermische Risse.
Typische Probleme sind:
Durch-dicke Mikrorisse
Kantenabplatzer
Verzögertes Knacken
Reduzierte Schnittgeschwindigkeit aufgrund des Scannens flacher{0}}Schichten
Das Prozessfenster ist deutlich enger als bei Aluminiumoxid.
Schwierigkeit: ★★★★★
2. 355 nm UV-Nanosekundenlaser
Aluminiumoxid
UV-Laserschneiden ist bereits eine ausgereifte industrielle Lösung.
Typische Vorteile sind:
Kleine HAZ
Stabile Mikro-Lochbearbeitung
Geringe Absplitterung
Hohe Produktionsausbeute
Schwierigkeit: ★★☆☆☆
Siliziumnitrid
UV-Laser reduzieren thermische Schäden erheblich, können thermische Belastungen jedoch nicht vollständig beseitigen.
Die industrielle Produktion erfordert in der Regel:
Höhere Laserleistung (20–30 W)
Flaches Schneiden in mehreren-Durchgängen
Hoch-Stickstoff-Hilfsgas
Optimierte Kühlstrategien
Im Vergleich zu Aluminiumoxid ist die Verarbeitungszeit typischerweise 50–100 % länger.
Schwierigkeit: ★★★★☆
3. Pikosekundenlaser
Aluminiumoxid
Pikosekundenlaser bieten:
Nahe -Null HAZ
Keine Neufassungsschicht
Hervorragende Kantenqualität
Stabile Präzisionsbearbeitung
Schwierigkeit: ★★☆☆☆
Siliziumnitrid
Ultrakurze Pulse reduzieren die Rissbildung erheblich, Si₃N₄ erfordert jedoch weiterhin:
Niedrigere Pulsenergie
Weitere Scandurchgänge
Längere Bearbeitungszeit
Die Produktionseffizienz bleibt im Allgemeinen 30 % niedriger als bei Aluminiumoxid.
Schwierigkeit: ★★★☆☆
Schwierigkeitsvergleich
| Anwendung | Einfacheres Material |
| QCW-Konturschneiden | Al₂O₃ |
| UV-Präzisionsschneiden | Al₂O₃ |
| Mikro-Lochbohren | Al₂O₃ |
| Ultra-dünne Substrate | Al₂O₃ |
| Präzisionsbearbeitung im Pikosekundenbereich | Al₂O₃ (leicht) |
Warum ist Siliziumnitrid schwieriger?
Die größte Herausforderung ist nicht die Laserabsorption.
Stattdessen vereint Siliziumnitrid mehrere ungünstige Eigenschaften:
Geringere Wärmeleitfähigkeit
Extrem geringe Wärmeausdehnung
Hohe thermische Restspannung
Höhere Rissempfindlichkeit
Engeres Prozessfenster
Selbst bei UV- oder Pikosekundenlasern benötigen Hersteller daher in der Regel Folgendes:
Mehr Schnittdurchgänge
Geringere Energie pro Durchgang
Stärkere Kühlung
Längere Bearbeitungszeit
Diese Faktoren machen die Verarbeitung von Si₃N₄ in der Massenproduktion deutlich schwieriger als die von Aluminiumoxid.
Empfohlene Laserlösungen
| Anwendung | Empfohlene Lösung |
| Kostengünstiges-Konturschneiden | 150 W QCW-Faserlaser + Aluminiumoxid |
| Präzise Mikro-bearbeitung | 355 nm UV-Nanosekundenlaser |
| Dünne Si₃N₄-Substrate | 20–30 W UV-Laser + Schneiden in mehreren Durchgängen + Stickstoffunterstützung |
| Höchste Zuverlässigkeit von Si₃N₄-Komponenten | 355-nm-Pikosekundenlaser + fortschrittliche Kühlung |
Abschluss
Während Siliziumnitrid Laserenergie effizienter absorbiert als Aluminiumoxid, ist es aufgrund seiner schlechten Wärmeableitung und seiner extrem hohen Empfindlichkeit gegenüber thermischen Spannungen eine der anspruchsvollsten Keramiken für die Laserbearbeitung.
Für die industrielle Produktion mit hoher Ausbeute bleiben 355-nm-UV-Laser die bevorzugte Lösung für die Präzisionsbearbeitung von Si₃N₄, während QCW-Faserlaser besser für die hocheffiziente Aluminiumoxidbearbeitung geeignet sind.
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