激光光束特有的非接觸式、局域化的熱量輸入方式使得激光成為高精度精細(xì)零件加工的最佳選擇。

激光微加工應(yīng)用，例如切割、劃線、鉆孔，都是利用高強(qiáng)度的脈沖激光對材料進(jìn)行輻照，使得材料蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)材料的移除。

到目前為止，在這項技術(shù)應(yīng)用中，主要的困難在于加工過程中材料碎屑的形成。這些碎屑是由于蒸汽過度冷卻、凝固形成的，一些是在材料表面凝固形成的，一些是在氣體中經(jīng)過與空氣中氣體分子的碰撞而形成的。這些蒸汽起初向外發(fā)射，但是最后，大部分的蒸汽都變成了碎屑，散布在燒蝕圖樣表面附近和刻槽內(nèi)（如圖1）。它們的傳播速度高達(dá)每秒幾千米。

碎屑的形成破壞了零件的外觀和性能。它也降低了燒蝕效率，因為前一次留下來的碎屑可能擋住下一次掃描時激光光束傳播的路徑。最近的研究已經(jīng)顯示了皮秒和飛秒激光器在加工精細(xì)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，它們加工的材料非常干凈，這是由于激光具有超短脈沖寬度。然而，其加工速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到工業(yè)上的要求。

減少碎屑的方法

晶片切割中水溶性覆層的使用——已有各種先進(jìn)的技術(shù)被用來減少晶片切割中的碎屑。水溶性包覆層可以被沉積在工件表面，以收集碎屑顆粒。工業(yè)上最常見的包覆層式是聚乙烯醇（PVA）。發(fā)膠以及其他皂溶液也可以被用在研發(fā)中。切割后，可以用標(biāo)準(zhǔn)的高壓水清潔方式將該覆層清洗掉 （如圖2）。

“夾心”式打孔——所謂的“夾心”式打孔能夠避免在激光打孔中毛刺和碎屑的形成。薄的蓋片覆蓋在材料的表面，正對著入射的激光。這個蓋片能收集打孔過程中的蒸汽和熔融的沉積物。它起到了掩膜的作用，阻擋了一部分激光的入射。這導(dǎo)致激光能量不足以使材料完全氣化；光強(qiáng)在材料底部產(chǎn)生的熱量僅僅融化或者加熱了材料，這就影響了小孔的加工品質(zhì)。后向的片子蓋住材料的另一面，它在小孔出處阻止碎屑和渣滓的沉積。

圖3和圖4給出了由“夾心”式打孔得到的小孔。這里所使用的調(diào)Q 355 nm紫外激光器，其脈沖能量高達(dá)100 mJ。在不銹鋼和鎳材料上得到的小孔都非常干凈。與此相比，材料頂部的蓋片有很大的孔，而且有很多瑕疵，毛刺和碎屑。材料底部的蓋片也出現(xiàn)一些碎屑。

使用焦斑處具有固定光強(qiáng)分布的激光來進(jìn)行切割 ——在許多的切割應(yīng)用中，平頂光強(qiáng)分布更有利。準(zhǔn)平頂分布可以簡單地通過在離焦點(diǎn)不遠(yuǎn)的地方把外緣的激光擋住來實(shí)現(xiàn)。圖5給出了多次掃描切割的結(jié)果表面。這里使用了燈泵浦的532 nm的綠色脈沖激光對280 m厚的晶片進(jìn)行切割。利用這些技術(shù)，能夠大大減少熔融時的邊緣效應(yīng)以及毛刺與碎屑的形成。

以快速流動的水制薄膜輔助微加工——我們已經(jīng)觀察到通過蒸汽噴嘴或者液體薄膜來輔助加工，材料表面更加干凈。主要的問題在于操作的間斷性。由于水膜被激光破壞，所以水汽四散，液體大面積地向外噴射，這就可能污染聚焦透鏡。

根據(jù)這些經(jīng)驗，小型的注射器式噴嘴被用于在整個輻照表面產(chǎn)生很薄的流動液體薄膜。因為膜很薄，所以流動很快（大于1 m/s）。這樣就避免了液體薄膜中產(chǎn)生等離子體和泡沫。而所燒蝕的材料，以及切口內(nèi)的殘余，被有效地清除。噴嘴可以被固定下來，這項技術(shù)可用于不同的激光波長，從355到1064 nm。每次的試驗過后都能夠觀察到明顯的進(jìn)步。比如，我們可以對280m厚的硅晶片進(jìn)行穿孔，在激光掃描次數(shù)與干切相同的情況下，濕切所得的切口更為干凈（如圖6）。在銅和鋁上的切割和刻線也得到了類似的結(jié)果。

激光在硅晶片上會引起材料透光和爆發(fā)沸騰等現(xiàn)象——這是因為液態(tài)硅可在正常沸點(diǎn)上繼續(xù)被加熱，而導(dǎo)致材料過熱，此時材料對某些波長完全透明。亞穩(wěn)態(tài)硅的存在是因為利用納秒激光器進(jìn)行微加工時，固-液交界缺少成核位置。過熱硅材料從液態(tài)金屬變成透明的液體電介質(zhì)材料時因為液態(tài)金屬中電子密度的大幅度降低。材料電介質(zhì)常數(shù)的忽然降低導(dǎo)致透明液態(tài)硅的折射率大大減小。

通過對355 nm的調(diào)Q固態(tài)激光器的脈沖參數(shù)進(jìn)行控制，我們觀察到這個激光引發(fā)的材料透明現(xiàn)象。我們能夠在僅掃描一次的情況下就完全打穿280m厚的硅晶片。通常，這樣的硅晶片需要多次掃描才能打穿，而且加工過程將在材料表面留下無數(shù)的碎屑。去除材料的機(jī)制必須采用在過熱液態(tài)硅表面形成蒸汽氣泡的原理，因為這里材料不會噴射到輻照表面，而是在硅晶片的底部（也就是光束的出口處，如圖7）。也就是所謂的兩相爆轟過程，這個過程能帶來很高的輸出，切割后的表面也非常干凈。
 

這里所談到的幾項不同技術(shù)都相對比較容易使用。為了得到高質(zhì)量的微加工結(jié)果，激光器用戶單單關(guān)注如何選擇合適的激光和激光參數(shù)是不夠的。用戶還必須考慮這里所介紹的幾項技術(shù)，以減少碎屑、重鑄、毛刺和熱損傷的出現(xiàn)。
 

作者Tuan Anh Mai是加拿大KJ激光微加工公司的負(fù)責(zé)人，公司位于加拿大安大略省多倫多市。該公司隸屬于KJ市場服務(wù)集團(tuán)。