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创新助力推进超短脉冲激光器的需求

超短脉冲激光系统加快产品上市速度。

图1. 从数百微米到亚微米级微加工样品

超短脉冲(USP)激光微加工曾经是少数研究实验室的研究对象,在过去20年中,它已成为一个蓬勃发展的工业领域。随着越来越多的终端用户意识到这种材料加工方法的积极影响,业界一度急切地希望将USP激光器用于日常工作。 随着组件变得越来越小,并且要融合物理、电气、化学、生物和光学功能,以满足医疗、消费电子、工业仪器和汽车市场的要求。

由于5G技术促进了物联网(IoT)世界对微观IoT工具的需求,超短脉冲激光微加工将获得更广泛的应用。这些IoT工具的设计趋势要求以利基集成,多功能解决方案的形式出现,包括连接性在内的不同传感器的形式。 此外,自动化功能的创新将提供精简、低成本的微加工工作平台,这些工作平台可以增强操作流程,从而根据市场考虑优化终端用户的速度。

趋势,增长机会

通过优化的机械和激光微加工工艺,以支持在无线通信、智能服装、智能手表、健身追踪器和汽车中的传感器应用,并实现机械和电气工程向单组件发展的设计趋势。由于汽车行业巨头、软件开发商、网络安全提供商、芯片制造商和系统集成商之间的最新业务合作和合资关系,汽车和运输领域的应用将推动物联网传感器市场的发展,因为该领域正在稳步过渡到自动化时代。

总体而言,物联网传感器市场预计将从2018年的96亿美元增长到2024年所预测的344亿美元,在2019-2024年的预测期内复合年增长率为24.05%。物联网传感器需求的这种增长将使得USP激光微加工在3D结构化、钻孔、切割、铣削和表面结构化等更先进加工中得以解决,其特征尺寸将包括纳米(<1 µm)、较小的微孔(<5 µm)、间距更小、纵横比更高(> 10:1)、锥形壁更低(<2%)、最小通道宽度(<50 µm),例如HD多层刚性印刷电路板(PCBs)、柔性PCBs、集成电路(IC)基板、晶圆通孔、校准流量孔和孔隙(图1)。

USP激光器供应商领域整合了激光器OEMs、自动化系统OEMs、非OEM系统集成商、技术顾问和生产合同服务公司日益增加。创新所引领的参与者之间产品和工艺差异化将是建立供应商长期参与其利基市场的关键。供应商在某一项关键价值项目上取得成功后,并将围绕这一项目发展战略合作伙伴,并在保健设备、芯片实验室、探针卡、柔性电子产品、晶圆钻孔和消费电子产品的应用领域中继续增长客户。随着组件特性趋向于纳米尺寸,在光束脉冲能量方面的突破以及速度/运动、光斑大小、波长和激光系统架构的新进展自然而然会持续进行。考虑到与服务提供商的资源和未来业务计划相匹配的下游装配或流程,供应商不仅在机器部件方面处于独特的位置,还处于提供增值服务的位置。

对于以非线性速度向前发展的技术领域,创新的USP激光器与智能自动化设计相结合,可以实施非常有创意的微加工解决方案,从而为诸如运营效率、客户满意度和上市速度等多方面业务问题带来收益。具有精简产品开发能力的公司将获得巨大的竞争优势,并具有增强预测产品上市时间和分配资源的能力,以便在正确的时间和地点推出产品。加快产品上市速度的时间表包含四个里程碑时期:1)萌生产品创意;2)完整的设计周期;3)发展;4)投放市场。这四个阶段的快速执行,再加上紧密管理的供应链资源,可确保优化业务计划并满足投资者的期望。

迎接挑战

有效的供应链要求与合作伙伴结成联盟,这些组织可以提供独特的创新产品和服务,以快速适应不断变化的市场趋势,并响应开放供应协议。例如,采用能提供资源和高效流程化作业的创新产品,可以更好地服务于采购设备决策过程。资源效率集团往往是由高度专业化的人员组成,这些人员的工作流程从一个人到另一个人,并且只有在钱一个人完成工作后,任务才能发生进展。

另一方面,工作流程效率取决于具有特定功能的整个团队。这意味着当一个成员无法工作时,团队仍然可以工作并按计划的截止日期进行。但是,大多数组织都将这两种工作模型包含在一起,并且这些模型可能会重叠,从而使进度安排面临风险,例如研发(资源效率高)和制造(流程效率高)部门共享激光微加工工具资源时。在这种情况下,Clark-MXR(Dexter,MI)的SolaFab台式飞秒激光微加工工作站中发现了一种创新的解决方案,这是同类产品中的第一个。这种精简、低成本且易于使用的工具非常适合研发实验室的独特工作流程需求,从而使制造过程不间断地进行(图2)。

图2. SolaFab台式飞秒微加工工作站

当采购的设备无法满足加工要求是,可以依靠供应链资源支持和经验丰富的供应商,为其安排合同化的服务,从而满足从原理机到量产的需求。在这种情况下,供应商是客户产品管理团队的延伸,充当过程开发、原型制作和生产资源,直到能够满足生产的设备出现。合同服务协议还为供应商提供了潜在机会,使他们能够通过垂直整合的组装考虑和(或)更有效的制造流程解决方案,并了解增强设计和低成本生产机会。例如,制造飞秒光纤激光器的Clark-MXR依赖于精湛的技术人员来精密组装微光学组件。而且,这些生产技能很容易转移到其他非常小的组件,这些组件往往需要类似的微组件粘合、对齐、计量和包装技术。

从历史的角度来看,USP激光振荡器(有时称为超快或飞秒激光振荡器)是由William(Bill)Clark博士在1987年成立的Clark Instrumentation公司首次商业化的生产。众所周知,Clark-MXR成立于1992年,由Clark Instrumentation与MXR合并而成,其再生放大器使用Clark仪器公司的种子振荡器,该振荡器使用了杰拉德·穆鲁(Gérard Mourou)教授发明的在2018年获得诺贝尔奖的脉冲放大(CPA)技术。超短脉冲激光微加工首先是由Clark-MXR基于密歇根大学Mourou教授进行的研究而商业化生产的。

图3. 世界首台商用多合一设计的脉冲放大器系统

Clark-MXR进入工业微加工应用后,意味着需要将大型光学平台装置重新包装为坚固、更小巧且用户友好的设计。Clark-MXR的创新催生了CPA-2000系列的开发,其占地面积仅为早期版本的五分之一。此外,这是业界第一个专门为微加工而设计的模块化CPA,可以手动操作,实现了“无调整”即插即用性能运行(图3)。这种革命性的新型激光源使Clark-MXR在1997年德国慕尼黑举行的LASER World of PHOTONICS博览会上首次突破性地现场演示了工业飞秒激光微加工(图4)。

图4. 来自Clark-MXR的CPA系列激光器的飞秒激光脉冲加工的载玻片,图为1997年德国慕尼黑的LASER World of PHOTONICS博览会上所展示。

Clark-MXR现在以员工入股制的公司结构继续创新飞秒激光源和自动化解决方案。自2017年以来担任总裁的拉里·沃克(Larry Walker)博士说:“我们的组织以在全球范围内继续超越客户的期望而感到自豪。公司的使命宣言没有改变-我们希望我们的前线科学家,有远见的人,能够听取客户意见并制定具有前瞻性的制造解决方案,因为我们拥有独特的技能和资源。”

 

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