对 于柔性电子器件，高产量和大规模生产的需求在不断增长，这需要以高产出和极低生产成本为特点的新生产工艺。
例如3D-Micromac AG公司研发的卷带激光加工系统就满足了上述需求。通过将激光源集成到卷带加工设备中，运用这一系统，即可实现对移动软性基板的飞行加工工艺。
有一项调查是关于激光加工软性基板顶层薄膜的工艺，以研究其在电子器件和柔性太阳能电池领域的应用。超短脉冲激光器因其与固体的作用时间短（接近于非热烧蚀）而被证明是烧蚀热敏薄膜的最佳工具。
构建柔性电路
柔性电子设备要想适应大众市场，就必须设法降低工艺成本。印刷电路的成本比通过化学或物理沉积工艺生产的成本更低。不幸的是，有些工艺流程步骤还不能运用现有的印刷技术，至少用起来非常费劲。例如，双面聚合物线路卡或者薄膜系统所需要的高质量连接器产品几乎不可能使用既定的工艺（如冲压）来生产。通过集成直写式激光工艺，就能够在不限制连续卷带加工的情况下，完成传统方法无法做到的工艺。
一种典型的可印刷导电层材料是导电的高分子聚合物PEDOT:PSS。在330纳米至1100纳米之间的波长范围内，这种材料具备非常低的吸收作用，仅仅比常用的PET基材稍微高一点点。这一特性阻碍了对导电层进行激光烧蚀且不影响基材。因此，业界使用不同的激光波长（266纳米至1064纳米）和脉宽（12皮秒至100纳秒），对PET基材上PEDOT:PSS的烧蚀进行加工测试。首先，使用波长为1064纳米和12皮秒-100纳秒脉宽的不同激光器。不出所料，波长位于可见光和红外线范围的初始测试显示，除非减少对基材的显著伤害，否则无法加工PEDOT:PSS层。基于这些经验，以纸和箔为载体基材，对紫外线波长范围（355纳米）进行测试。虽然50纳秒脉宽的激光源能够完全去除导电层，但是PET箔也被损坏了（起泡）。
采用超短脉冲激光束能够烧蚀高分子功能聚合物，而不会让箔起泡。通过使用激光能量，就能够适当隔离薄膜高分子聚合物层，从而将去除的基材材料减少到不足10微米的小额量。在许多应用中，材料烧蚀并不是很关键，比如当两种导电区域已经被隔开时。切割速度的快慢取决于切割形状。当切割速度为5米/秒时，就会遇到相关的局限性，此时的重复频率为640千赫，生成的切割宽度为28微米。若希望切割速度更快，可以采用重复频率更高的激光源来实现。
还可以使用266纳米波长的激光来进一步减少基材材料的穿透深度（图1）。支持这一结论的事实就是PEDOT:PSS和PET基材对于330纳米以下波长的吸收作用显著增加，从而减少穿透深度。缺点在于激光源的输出功率同样需要进一步减少，这将极大地需要产生更多的光程。
图1 在PET基材上加工PEDOT:PSS，波长λ= 266纳米。
加工纸基材上的PEDOT:PSS层更容易些，因为基材材料的热稳定性更好。因此，如果不超过能量阈值（该阈值远高于烧蚀PEDOT:PSS所必需的值），基材就不会被损坏，高分子聚合物层的烧蚀工艺窗口得以增加。但是，与箔相似，只需要更小的脉宽和波长，就能够实现烧蚀更少基材的隔离切割。
构建柔性CIS太阳能电池
基于卷带加工工艺的生产方式，还能够用来生产柔性太阳能电池。使用超短脉冲激光器对CIS太阳能电池进行加工已经被认为是一种破坏性很小的选择性烧蚀不同层的工艺（图2）。这在3D-Micromac公司近来的项目中得到验证。
图2 加工后的CIS太阳能电池。
另外，业界已经开发出一种工业工艺技术，能够对聚酰亚胺基材上最多1.5微米厚的CIS吸收层进行皮秒级激光微加工。一次处理CIS层所用能量大约稍高于1微焦。图3显示了这一结果。细沟边缘的微观结构上显出了差异，表明5微米宽区域内的吸收层已经少量被熔化和固化。
图3 优化工艺下的CIS（左图），优化效率下的CIS（右图）。
基于横截面混合物透射电子显微镜法（包括能量色散X射线）和微拉曼光谱分析的详细研究，烧蚀选择性得到了证实。而且，无损害加工也被证明，特别是就创建功能损害铜硒化合物相（CuxSe Phase）来说。nextpage
激光刻划有机太阳能电池
导电和半导体高分子聚合物的一个主要优点是适合于高生产能力的涂层工艺。这一特性为将来生产低成本太阳能光伏产品创造了极大可能性。太阳能电池的图案可以通过印刷加工步骤来生成，或者通过适用于硅基光伏电池的高精度激光划片机来生成。在实验中，激光划片机己经使用过四种不同的激光源，这些激光源在波长、脉冲持续时间和平均输出功率上有所不同。其中使用过的两种激光源拥有纳秒级脉冲，一种的波长为1064纳米，最大平均功率为200瓦，另一种的波长为355纳米，平均功率为20瓦。在超短脉冲范围内，分别使用了一种皮秒级和飞秒级激光器。这种皮秒级激光器的波长为1064纳米和532纳米，最大平均功率约为40瓦（在波长为1064纳米时）。飞秒激光器发射的波长为1024纳米和512纳米，最大平均功率约为10瓦（在波长为1024纳米时）。在实施所有这些实验时，使用了高性能的振镜和适当的f-theta透镜。经过处理的太阳能电池拥有传统的叠层布局，如图4所示。
图4 有机光伏电池的叠层结构
掺锡氧化铟（ITO）层的制图不仅对于有机光伏电池和有机LED非常重要，对于更多传统的应用比如薄膜晶体管（TFT）显示器来说也同样重要。对于这种任务来说，光刻技术是一项成熟的工艺。为了克服光刻技术的局限性（新布局要求有新的掩膜，就会有各种化工产品介入），人们对一些激光制图技术进行了试验。首先是在25毫米×25毫米的玻璃基材上对ITO进行了试验。
当使用上述纳秒级激光器进行试验时，出现了许多问题。首先最重要的是，玻璃基材或多或少有些破裂，这在任何应用中都是不可接受的。其次的问题是对ITO的不规则烧蚀，在某种程度上是因为这两种激光器都运行在比较低的功率极限上。对于一个稳定的制造工艺来说，恒定的划片宽度是非常必要的。这次试验的结果并不让人满意，因此这些试验中的基材并没有制造出的太阳能电池样品。
接下来，人们在厚度约为100微米的PET箔基材上对ITO进行了试验。这种柔性的基材经过了一些处理，基材被分片固定在一个真空吸盘上。这两种激光器都损坏了PET箔。尽管波长355纳米的纳秒级激光器其运行功率小于0.5瓦，PET箔的损坏还是不可接受。而且，切割边缘出现了凸起，从而无法进行通常的后处理。
同样，人们针对上述两种超短脉冲激光器也做了试验。图5显示的是PET箔上的ITO实例。尽管对这两种超短脉冲激光器的所有可能波长都进行了试验，但可以清楚地看出1064纳米是最合适的。与其他波长相比，划片质量同样优秀，成本却更低。二倍频（SHG）、三倍频（THG）设备通常价钱更高且寿命更短。这些加工好的基材能将太阳能电池的功率转换效率提升至2%。
图5 PET箔基材上的ITO（俯视）；波长为1064纳米的皮秒级激光器加工所
得效果（左图）；波长为1024纳米的飞秒级激光器加工所得效果（右图）。
尽管其他波长也能够产生可接受的结果，但1064纳米再次被证明是最佳选择。同纳秒级激光器的试验相比，皮秒级和飞秒级激光器对基材的损坏极其轻微。
标准的卷带加工设备
图6显示了标准的卷带加工设备。这种机器能够处理最大宽度为600毫米的卷带。
现场联机的作业流程是对移动的基材进行图像处理和激光加工。由一台改装的照相机完成图像抓取。通过使用照相机，能够自动识别工业用的调节标记。有了网格定位的技术，定向激光加工成为可能。
两种独立的光源负责图像处理的照明。柔光镜和其他光学元件能够确保无论是不透明还是透明物料都有最佳的照明水平。通过激光扫描完成输出矢量的恒定修正，能够实现移动网格上的激光调节。缺乏飞行校正将使激光加工中发生几何失真。因此矢量输出是根据网格速度来控制的。
所有这些部件的相互作用使得在柔性载体上进行定向的激光飞行加工成为可能。
总结
卷带加工系统能够卷绕和加工各种基材。有了飞行技术，连续卷绕工艺中的激光加工能够减轻对基材拉伸能力的依赖，而且还能显著提升生产能力。进一步的技术分析证明，通过联合使用上述卷带加工设备和超短脉冲激光器，对柔性电路载体和太阳能电池进行激光加工，能够充分满足对高质量的严格要求。
本文作者Christian Scholz是德国Chemnitz市3D-Micromac AG公司的研发工程师，他的电子邮箱是：scholz@3d-micromac.com。
