激光打標(biāo)系統(tǒng)及工藝研究

周永飛，趙海峰，黃子強(qiáng)

（電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，四川 成都 610054）

自20世紀(jì)60年代第一臺紅寶石激光器發(fā)明以來，隨著激光器的不斷發(fā)展和完善，激光的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。激光打標(biāo)[1]是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應(yīng)用技術(shù)之后發(fā)展起來的一門新型加工技術(shù)，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標(biāo)記工藝。近年來，隨著激光器的可靠性和實(shí)用性的提高，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和光學(xué)器件的改進(jìn)，促進(jìn)了激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展。因此利用激光打標(biāo)技術(shù)光刻液晶顯示領(lǐng)域中的ITO柵指電極，解決了傳統(tǒng)化學(xué)刻蝕方法的工藝復(fù)雜、繁瑣及成品率低等問題。創(chuàng)新點(diǎn)在于利用C8051F930單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)解決了激光在光刻時(shí)因高速而出現(xiàn)的斷線現(xiàn)象，使得ITO柵指電極基板能完全刻斷并達(dá)到要求，用于液晶顯示領(lǐng)域。

目前國內(nèi)的激光打標(biāo)按其工作方式可分為掩模式打標(biāo)、陣列式打標(biāo)和掃描式打標(biāo)[2]，它以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)正在取代傳統(tǒng)的標(biāo)記方法，如：沖壓、印刷、化學(xué)腐蝕等。在各種機(jī)械零部件、電子元器件、集成電路模塊、儀器、儀表、電機(jī)銘牌、工具甚至食品包裝等物體表面上，標(biāo)記出漢字、英文字符、數(shù)字、圖形等，從而在這些領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。國際上一些發(fā)達(dá)國家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的工藝標(biāo)準(zhǔn)，我國也非常重視這一技術(shù)，國家科委已將該技術(shù)列為“八五火炬計(jì)劃”進(jìn)行研制和推廣。

1 激光打標(biāo)原理及結(jié)構(gòu)

IPG YLP系列激光器激光打標(biāo)系統(tǒng)的工作原理[3]是：通過打標(biāo)軟件或其他輔助軟件在計(jì)算機(jī)中編輯好打標(biāo)所需的圖形、文字，并轉(zhuǎn)換為打標(biāo)軟件所能識別的文件格式，再通過振鏡系統(tǒng)伺服控制卡轉(zhuǎn)換成掃描振鏡所能識別的電信號。這些電信號按一定的頻率分別傳輸?shù)綊呙枵耒R頭和聲光電源的輸入端口。在一系列電信號的控制下，振鏡在X,Y二維進(jìn)行有序擺動，使激光輸出點(diǎn)掃描出相應(yīng)的圖形和文字；與此同時(shí)聲光電源在相應(yīng)電信號的控制下使聲光Q開關(guān)產(chǎn)生所需的頻率調(diào)制信號，從而將連續(xù)激光調(diào)制成一定頻率的激光脈沖，最后將激光輸出點(diǎn)掃描出的圖形和文字刻蝕在工件上。

激光打標(biāo)系統(tǒng)[4]由激光器部分、振鏡部分、電源控制部分和工控機(jī)（計(jì)算機(jī)）等4部分組成，其典型連接如圖1所示。

圖1 IPG YLP專用控制卡的連接示意圖Fig.1 Connection diagram of IPG YLP dedicated control card

計(jì)算機(jī)對激光打標(biāo)系統(tǒng)的控制是通過控制振鏡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。振鏡系統(tǒng)[5]是由伺服控制卡與擺動電機(jī)組成的高精度伺服控制系統(tǒng)，輸入一個(gè)驅(qū)動信號，擺動電機(jī)就會按一定電壓與角度的轉(zhuǎn)換比例擺動一個(gè)角度。控制卡除輸出兩路振鏡控制信號及一路激光控制脈沖信號外，還提供了腳踏開關(guān)接口。

2 激光打標(biāo)系統(tǒng)

2.1 機(jī)械裝置

機(jī)械裝置是激光打標(biāo)技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光掃描加工的有效載體，沒有機(jī)械裝置就談不上加工的實(shí)施。機(jī)械裝置必須滿足激光光刻的技術(shù)和實(shí)驗(yàn)要求，其主要包括激光器安置空間、光刻加工工件放置空間、控制系統(tǒng)安置空間以及與外部鏈接空間等。激光打標(biāo)加工系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 激光打標(biāo)的機(jī)械裝置圖Fig.2 Mechanical setup of laser lithography

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)激光打標(biāo)加工技術(shù)系統(tǒng)的心臟，是接受發(fā)布指令的“指揮中心”，是激光掃描加工技術(shù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。本裝置采用的是WNSC400系列電位移臺[6]，它具有高性能、低價(jià)格、超大行程控制，絕對位置、參考位置顯示模式，豐富的通訊協(xié)議指令集，可執(zhí)行正向、反向、回原點(diǎn)等動作，速度、長度和加速度可任意設(shè)定，4軸控制及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它與外界的接口和插座的分布圖如圖3所示。

圖3 WNSC400與外界接口的分布圖Fig.3 Distribution of WNSC400 interface with the outside world

3 打標(biāo)參數(shù)對標(biāo)記效果的影響

光斑大小直接影響激光束作用在工件上的功率密度[7]，光斑越小，則功率密度越高。因此功率大小對標(biāo)記效果的影響如表1所示，工件上的打點(diǎn)時(shí)間（見表2）、激光頻率（見表3）等都影響標(biāo)記效果。改變不同的參數(shù)，線條寬度隨之變化。

表1 功率對標(biāo)記線寬影響Tab.1 Impact of power on tag line width

表2 打點(diǎn)時(shí)間對標(biāo)記線寬影響Tab.2 Impact of time on the tag line width

表3 激光頻率對標(biāo)記線寬影響Tab.3 Impact of laser frequency on tag line width

由表1、表2、表3可分別得到如圖4，圖5，圖6的曲線。

圖4 功率對標(biāo)記線寬影響Fig.4 Impact of power on tag line width

圖5 打點(diǎn)時(shí)間對標(biāo)記線寬影響Fig.5 Impact of time on tag line width

圖6 激光頻率對標(biāo)記線寬影響Fig.6 Impact of laser frequency on tag line width

本激光打標(biāo)系統(tǒng)通過改變不同的參數(shù)對光刻時(shí)線條寬度產(chǎn)生影響。由圖4、圖6知，激光標(biāo)刻的線條寬度隨著功率、頻率的變大而變寬。由圖5知，線條寬度隨著打點(diǎn)時(shí)間的延長而變窄。線條的寬度已經(jīng)達(dá)到20 μm以下，用萬用表檢測電阻，得出ITO柵指電極基板已被刻斷。因此為激光在打標(biāo)時(shí)提供了參數(shù)的選擇，這使制作ITO柵指電極基板時(shí)工藝變得靈活簡便且產(chǎn)品的合格率也大大提升。

由于ITO薄膜為無色薄膜，吸光性不強(qiáng)，激光很容易穿透，且能量凝聚力不強(qiáng)，直接刻蝕效果不佳，因此可在ITO薄膜上蒸渡一層深色的吸光薄膜，該薄膜需要具有較好的吸光性，并且與其對應(yīng)的腐蝕液應(yīng)對ITO薄膜本身沒有影響，這樣才可以既有利于圖案的刻蝕也使之后去除吸光膜時(shí)不會對已有的電極圖案產(chǎn)生影響。通常選擇鋁、鉻等金屬物質(zhì)來蒸渡吸光膜。利用WNSC400控制器在手動情況下，在功率為30%，打點(diǎn)時(shí)間為100 ms，速度為100 P/S，頻率為20 kHz時(shí)激光所標(biāo)刻的圖形。讓激光光刻機(jī)在渡有鋁膜的ITO玻璃上雕刻一條直線，從圖7中可以看到，普通倍數(shù)顯微鏡下的線條形狀筆直，測出線條寬度最少可達(dá)到20 μm左右，線條寬度隨著激光的功率、打點(diǎn)時(shí)間、頻率等發(fā)生改變，且在顯微鏡下觀察其圖形發(fā)現(xiàn)有斷線的情況。

圖7 激光打標(biāo)圖形Fig.7 Graphics of laser lithography

但是，在利用激光進(jìn)行打標(biāo)ITO柵指電極基板時(shí)，絕對不允許該線條出現(xiàn)斷點(diǎn)、斷線的情況。因此，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、測試得出激光都是等線段的斷線，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出每激光出光0.86 s時(shí)，激光就不出光，且不出光的時(shí)間為0.722 s。因此對WNSC400進(jìn)行改進(jìn)，即把控制器里的步進(jìn)電機(jī)用繼位器分連出來，利用C8051F930單片機(jī)[8]控制步進(jìn)電機(jī)，仍然利用激光在渡一層鋁膜的ITO玻璃上光刻直線如圖8所示。 條件相同情況下，即功率為30%，打點(diǎn)時(shí)間為100 ms，速度為100 P/S，頻率為20 kHz時(shí)激光所標(biāo)刻的圖形。圖中可以看出已經(jīng)克服了激光出現(xiàn)斷線的現(xiàn)象，因此激光打標(biāo)技術(shù)完全可以用來刻蝕所需ITO柵指電極基板。

圖8 改進(jìn)后激光打標(biāo)圖形Fig.8 The improved graphics of laser lithography

4 軟件程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。由于激光打標(biāo)的時(shí)候會出現(xiàn)斷線的現(xiàn)象,因此在激光打標(biāo)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)x方向與激光器連接。在激光出光時(shí)啟動定時(shí)器定時(shí)，讓激光打標(biāo)一段時(shí)間，當(dāng)激光在下一時(shí)刻不出光時(shí)，啟動延時(shí)函數(shù)，步進(jìn)電機(jī)不運(yùn)動，等激光再次出光時(shí)，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)向x方向前進(jìn)，反復(fù)循環(huán)。直到激光在x方向刻出一條需要的直線后，步進(jìn)電機(jī)向y方向運(yùn)動，激光器此時(shí)不工作。如此循環(huán)，直至打標(biāo)完所需的ITO柵指電極基片。

圖9 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.9 Flow chart of software design

5 結(jié)束語

通過對整個(gè)激光打標(biāo)系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)的了解，分析了系統(tǒng)的性能，并利用C8051F930單片機(jī)控制WNSC400里的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，有效地克服了直接用WNSC400控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行激光打標(biāo)時(shí)出現(xiàn)的斷線現(xiàn)象。本文分析了激光打標(biāo)的工藝參數(shù)對打標(biāo)線條寬度的影響曲線，有利于激光在ITO柵指電極基板上打標(biāo)時(shí)參數(shù)的選擇。本系統(tǒng)利用激光打標(biāo)技術(shù)使制作液晶顯示領(lǐng)域的ITO柵指電極基板的工藝變得非常靈活簡便、產(chǎn)品的合格率明顯提高。但影響激光打標(biāo)的因素很多，只要克服了這些因素，激光打標(biāo)技術(shù)將會被廣泛的運(yùn)用到液晶顯示領(lǐng)域。

[1] 王進(jìn)華.激光加工技術(shù)使太陽能電池的效率提高到22%[J].光機(jī)電信息， 2007，24（7）:23-24.WANG Jin-hua.Laser processing technology enables solar cells with 22%coversion efficiency [J].OME Information，2007，24（7）:23-24.

[2] 袁根福.激光加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，12（1）:30-34.YUAN Gen-fu.Application and developmentoflaserprocessing technology [J].Journal of Anhui Institute of Architecture ＆ Industry:Natural science， 2004， 12（1）：30-34.

[3] 寧國勤，朱中煜，朱紹文，等.激光打標(biāo)中圖形、圖像的處理[J].激光技術(shù)，2002，26（4）:295-297.NING Guo-qin， ZHU Zhong-yu， ZHU Shao-wen.et al.Figure and image processing in laser marking [J].Laser Technology， 2002，26（4）:295-297.

[4] 王建平，李正佳，范曉紅.激光打標(biāo)系統(tǒng)及工藝參數(shù)的分析[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2005，3（3）:32-35.WANG Jian-ping， LI Zheng-jia， FAN Xiao-hong.Laser marking system and analysis of its technical parameters[J].Optics&Optoelectronic Technology， 2005，3（3）:32-35.

[5] 趙鵬.激光掃描控制系統(tǒng)與軟件的研究[D].河北:河北工業(yè)大學(xué)圖書館，2005.

[6] 北京微納光科儀器有限公司.WNSC400系列電移臺控制器使用說明書[M].2008：3-5.

[7] 吳云峰，陳潔.精密超精密加工技術(shù)綜述[J].新技術(shù)新工藝， 2007，6（15）:38-40.WU Yun-feng，CHEN Jie.The summarization of precision and ultraprecision machining technology[J].New Technology&New Process，2007， 6（15）:38-40.

[8] Silicon labs.C8051F930[EB/OL].（2008-11-11）Http://www.xhl.com.cn/xhl/downfile/C80511=930-short.pdf.