光纤激光器：金属薄膜的激光微加工

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已有几种激光器可被用于切割，打孔，焊接，以及改变相对厚的金属的表面，这些技术被广泛用于各种工业，包括了汽车，造船，以及医疗器械工业。然而，许多最近新兴的应用方面要求使用很薄的金属薄膜来进行激光加工，并且要求很高的精确度和光洁的边缘。近几年来，人们提出了许多用于激光微加工的新激光技术。这些激光器具有很好的模式质量及可聚焦性，这两个因素对于获得很小的特征尺寸以及很光洁的边缘来说是很重要的。
在本研究中，我们比较了使用几种不同类型的低功率激光得到的结果，这些激光波长包括了355 nm, 532 nm, 1064 nm以及 1.085 μm。本文主要关注将不同厚度复杂形状的金属薄膜切割成多个部分。
激光的优势
虽然用来加工金属有很多不同的技术，但是他们都具有一些缺陷，尤其是与激光相比的时候更是如此。比如，你可以利用EDM（电火花加工）来很有效的加工金属，但是这个过程在加工对象的最小特性尺寸上存在着限制。此外，与激光相比，EDM越小的电极越昂贵而且越容易故障，频繁的更换更增加了开支。
蚀刻技术也被用于加工金属，这些技术在某些情况下可能十分经济，但是这种加工方法也有着一些严重的缺陷。首先，蚀刻加工需要很多步的加工工序，而激光加工只需一步便可完成。其次，人们不得不处理蚀刻技术导致的一些腐蚀性化学制品和有毒废品。最后，纵横比局限为1:1,在这种情况下甚至会出现底切作用或者锥形侧壁。与此同时，机械打孔或者刻槽特征直径局限在250 μm。虽然有100 μm的钻头出售，但是这些钻头不仅价格昂贵而且使用寿命短。
: q. e) S$ m4 G% u9 }. }. Y/ {使用激光来将金属切割成不同的形状和样式带来了许多了便利。利用了激光以后，不再需要考虑钻头破损和工具磨损的问题。此外，利用激光技术对可达到的孔直径以及特征尺寸的限制小的多。激光技术也使在有角度或者弯曲的表面钻孔成为可能，而且不论材料是硬质还是软质均适用。另外，激光设备的可编程特性也使得在很短周期时间内高速完成数千个这类的高速打孔和常规应用成为可能。
在这个研究中，我们评估了许多难以加工的薄膜金属，包括了铜（Cu），铜铍合金（BeCu），磷青铜（Pbronze） ，钼（Mo），不锈钢（SS），镍（Ni），铝（Al），钛（Ti），回火钢（TS），以及具金属性质的氧化铟锡（ITO）薄层（在软与硬材料基片上）和其它金属的薄覆盖层。在要求光洁边缘和特征尺寸小的主流加工和外来加工应用方面目前都使用着上述的金属。厚度很薄的金属膜目前倍受关注。随着电路不断的变小而且更加集成，绝缘体和导体的厚度也在不断变薄。在这些方面有些很有趣的应用，其中之一就和很薄（通常为几百个埃）的导体材料有关，例如 Cu， Au， Ag，和 ITO。这些金属在薄膜的形态下表现出很有趣的特性，它们受到激光的作用时，其表现与它们在块状下反应稍有不同。比如，烧蚀“厚”金属时（厚度约大于1微米）需要的能量密度在几个到几十个的J/cm2数量级，而同样的金属在薄膜形态下只用1 J/cm2的几分之一就足以从基片上剥离该金属。这些薄膜被用于许多产品，如，触摸屏，平板显示，飞机驾驶舱，以及医疗器械，这只是几个例子，而更多的应用尚在研究开发中。
* A8 n+ M& |+ M, B+ u在每个例子中，我们都使用了低功率的激光（小于100 W，大部分情况下都是远小于这个值）。因此，我们把金属的厚度限制在小于20密耳（500微米）。研究中，我们使用相干公司（加州，Santa Clara）Avia 355nm，3W的激光器，Photonics Industries公司（纽约州，Bohemia）532nm， 7W的激光器，光谱物理公司（加州，Mountain View）1064nm, 3W的激光器。在研究中，我们没有使用CO2激光器或准分子激光器。这是由于对我们所研究的金属来说，CO2激光发生了反射，而准分子激光器的商业化程度还不足以满足此类工作。
$ n/ w1 L0 E" W7 {3 e+ S9 f, }2 U9 U9 q我们还使用了1.085微米波长，100W的光纤激光器进行了一些实验并对结果进行了讨论。二极管泵浦的固态激光器在短波长时有着优良的光束质量，可被聚焦成20微米或更小的光斑。由于这比我们在实验中所要研究的特征尺寸小的多，因此我们需要多次进行打孔或者刻槽。我们将DXF文件导入光学加工软件并且加上激光参数。这样，我们便得到了一个存有所有加工信息的加工文件，这便于日后的参考和使用。需要指出的是，这里所附的所有图片（除了特别指出的一张），即高分辨率的照片都是用40倍放大的立体照相设备在激光加工完成后直接拍摄的，并未经加工后的清洗。因此，这里给出的图片可以认为是“最差”的情况。此外，所有的附图都是利用检流计扫描光束得到的，并未利用辅助气体。
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图1a：355nm激光在125μm厚的铜上的切口
4 o) j! L. D' o2 j! J& X) |图1b：532nm激光在125μm厚的铜上的切口
图2a：355nm激光在150μm厚的铍铜合金上的切口
! d! I0 A2 U% E0 {3 V# q图2b：532nm激光在150μm厚的铍铜合金上的切口
图3a：355nm激光在50μm厚的钼上的切口
图3b：532nm激光在50μm厚的钼上的切口
' H0 [8 H2 k% h3 ^5 v  j图4a：355nm激光在100μm厚的不锈钢上的切口
图4b：532nm激光在100μm厚的不锈钢上的切口
8 a7 q9 m( l3 Q& u图5a：355nm激光在125μm厚的回火钢上的切口
, |  s' Q2 I8 \" J* l图5b：532nm激光在125μm厚的回火钢上的切口
2 k, |9 `2 u! N0 q; C* A9 D图6a：355nm激光在330μm厚的镍上的切口
( R* r, q1 m1 [0 H/ u图6b：532nm激光在330μm厚的镍上的切口
# k, H3 I$ t3 H1 E激光加工结果
这里我们给出了一些激光加工的结果，其中包括了两种不同激光的对比：355 nm激光（所有的图a）和532 nm（所有的图b）。图1给出了一个典型的切割，它利用这两种激光来切割125微米厚度的铜；所有情况中，切口均在大约75到85微米范围内。虽然两种激光的切割结果都很不错，但是532nm激光耦合得非常好，而且与355nm激光的结果相比，加工时间更快而且更加光洁。355nm激光适合用在印刷电路板加工方面，因为532nm激光与电介质的耦合不如355nm的紫外激光好。
图2给出了同样的两束激光作用在150微米厚的铜铍合金上。这些结果与铜的结果进行了很好的对比（磷青铜的结果也是如此，这里并未给出）。所有这些金属铜和金属合金都与两种激光耦合的很好。这里我们需要指出的是，我们用1.085微米的光纤激光器无法得到铜的光洁加工，这是由于在1.085微米波长时反射率太大了。
: x. d. K% @' y  ^$ ]图3给出了激光切割钼同样的图样。532nm激光与钼的耦合并不如它与铜的耦合，虽然这种激光仍然可用。将这些结果与100微米厚的不锈钢（图4），回火钢（图5），镍（图6）的结果进行对比。这里需指出，铝对532nm激光响应并不是很好，而355nm激光倒可以在300微米厚的铝板上进行很好的切割（图7）。作为比较，图8给出了与图6a一样的切口，就是使用355nm激光切割镍，但是图8中我们还使用了在弱酸条件下，用超声波进行激光加工后的清洗，这就给出了一个非常光洁的最终产品。图9给出了355nm激光切割125微米厚的钼得到的图样。图中的“臂”延伸到图中给出的以下约25毫米处。由于切割口只有稍许加热，因此我们没有看到表面的不平，而这种现象在使用很多“热”激光器时是很常见的。

: A7 L( ~- J. N! _图7：355nm激光在300μm厚的铝上的切口
图8：图6a所示样品经过超声波清洁的结果
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+ M: t8 W! `' E5 {1 E( r& Q图9：激光在钼上的指状切口
我们也观察了使用1.5微米的光纤激光器的效果。我们使用它无法刻蚀任何铜基金属。然而，对其他金属，如不锈钢，回火钢，以及镍，其加工速度快（相对），刻蚀质量好，结果很令人满意。我们注意到在这里，实验室设备是处在碱性条件下的，所以我们使用了一个固定光束传输系统，并使用了高度的气体辅助。我们也研究了13ps，1064nm激光的使用效果。我们发现切割质量非常的好，虽然我们并未将这种激光进一步对其他金属进行验证，但是可以相信，这种激光将对相当大范围内的物质有效。图10a给出的是利用光纤激光器切割不锈钢的图，图10b给出的是利用皮秒激光器在不锈钢上产生的25微米的切口。注意到光纤激光器的结果与其他的结果相比不太均匀，但是这是由于人为设置仓促产生的原因，不是由于激光光源本身的缺陷。
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图10a：1.085μm光纤激光在100μm厚的不锈钢上的切口
图10b：1064nm皮秒激光在不锈钢上的切口
/ }8 S# Q4 j9 A  k0 z/ L图11：塑料上金的镀膜的复合图样
& A' @7 ~0 r$ O' F: E2 o" ~最后，图11给出了刻蚀喷镀在聚酯薄膜上的黄金的复合图样。利用激光我们可以很容易且干净的将很复杂而密集的图样薄膜剥离，使用355nm或者532nm激光取决于基片以及要求的特征尺寸。基于检流计的光束传输可以使传输更为简单并且使精确度达到10到20微米的量级（固定光束传输精确度可以达到微米量级，但是处理速度较慢）。
结论
下面是我们的得到的结论：
355nm的调Q激光器在我们所测试的所有金属中都表现了很好的加工性能，特征尺寸小（点距为25微米）。任何厚度薄于125微米的金属均可以进行快速且光洁的加工。在5到10密耳（250微米）厚的金属其加工结果十分光洁，但是块状体的加工可能会比较慢。加工中还可能有近20密耳（500微米）厚的金属，这些加工速度会降低。而大于20密耳的金属就不适合用调Q激光器来进行加工了。我们认为这个结论对目前可使用的如10W或者15W的激光器来说都不会有很大的变化。
532nm的激光器在很多金属上也同样给出很好的结果，尤其是对含铜的金属。因为它波长更长，所以对一个给定的光学设备，它可以达到的最小光斑大小比355nm激光器要大一些。这些激光器可用范围达到15W，其M2值较小（也有更大的激光器可用，但是M2值也上升了），这些激光器比355nm激光器的购买和运行成本要低。
532nm和355nm激光器在从各种不同基片上剥离薄膜方面表现出很好的特性。可以利用532nm激光穿过透明基片如玻璃。355nm激光即使在基片对紫外光有吸收的情况下，也可以剥离顶面的覆盖层，而对基片的损坏则很少或几乎没有。
0 a9 d" o7 X( t& E1 S5 X, |2 n2 O皮秒激光器也值得关注，它提供了非常光洁的加工结果。但是由于目前其成本相对比较昂贵，使得皮秒激光器除了在某些特殊场合外几乎未能被使用。
. _2 B: h% _: r. P7 U4 }1 F简言之，光纤激光器似乎是金属加工的又一可利用方案，其激光切割光洁而且迅速，甚至对几毫米厚的金属也是如此。固有的频率无法应用于含铜金属，但是以后二倍频和三倍频技术的发展可能促使这些激光器对所有的金属都适用。
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