紫外激光在微细加工技术中的优势研究

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本文主要涉及紫外激光加工技术．通过实验，将紫外／红外两种激光设备对材料的加工结果进行比较，发现在特殊材料加工上，紫外激光相对于红外激光，加工边沿更光滑、效率更高．对于用红外透过率较高的材料加工的红外器件来说，紫外激光在加工中具有明显的优势。
, n2 d5 W8 ^, ~9 X, I4 I1引言
激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一．四十多年来，随着小型电子产品和微电子元器件需求量的日益增长，对于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔点材料)的精密处理日渐成为激光在工业应用中发展最快的领域之一．
- S& ]% d9 S. j9 l9 R激光加工是激光产业的重要应用，与常规的机械加工相比，激光加工更精密、更准确、更迅速．该技术利用激光束与物质相互作用的特性对包括金属与非金属的各种材料进行加工，涉及到了焊接、切割、打标、打孔，热处理、成型等多种加工工艺。激光独一无二的特性使之成为微处理的理想工具，目前广泛应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。
' V) d- B, A2 T# ]) N激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术．
激光加工有其独特的特点：
( y6 ]8 H+ S: J" [, T  p(1)范围广泛：几乎可以对任何材料进行雕刻切割。
(2)安全可靠：采用非接触式加工，不会对材料产生机械挤压或机械应力．
; e9 }1 Y. Z" {(3)精确细致；加工精度可达0．01mm．
(4)效果一致：保证同一批次的加工效果一致．
(5)高速快捷：可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割，且激光切割的速度比线切割的速度要快很多．
(6)成本低廉：不受加工数量的限制，对于小批量加工服务，激光加工更加便宜。
(7)切割缝隙小：激光切割的割缝一般在0.02mm-0.05mm．
(8)切割面光滑：激光切割的切割面无毛刺。
6 ^. k( [8 _6 g7 G2 M(9)热变形小；激光加工的激光割缝细、速度快、能量集中，因此传到被切割材料上的热量小，引起材料的变形也非常小。
红外器件技术中所用的材料(宝石等)、加工条件(精度，变形等)要求采用激光加工。鉴于激光种类很多，我们主要涉及的是红外激光设备和紫外激光加工系统。因此希望通过实验，将紫外／红外两种激光系统对同种材料的加工结果进行比较，从而了解它们的特点与区别，并确定出各自的适用范围和优越性，为今后更好地发展特殊材料加工作铺垫。
2实验设备介绍
; _$ @( w$ @" M本文采用的实验设备是JHM-1GY-300B型YAG激光设备与PSV-6001型355nm全固态紫外激光钻孔机。
% m* H' E0 i9 A/ a/ z0 j2．1 YAG激光设备
; q- R) I0 `: r" R9 F# \+ t, RYAG激光设备的激光波长为1.06μm，输出的最大单脉冲激光能量为60J，脉冲频率为1Hz-100Hz(连续可调)。它将激光聚焦到一点，焦平面上的功率密度可达到105-1013W／cm2。该设备还可以用于激光焊接，激光焊接就是利用激光束优良的方向性和高功率密度等特点来进行工作的．通过光学系统将激光束聚集到很小的区域，在极短的时间内，使被焊处形成一个能量高度集中的局部热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。图1为用YAG激光焊接不锈钢和钛合金的焊缝实例。
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' k. B2 J% t5 ]9 Z' k8 |; G5 S2．2紫外激光钻孔机
PSV-6001型紫外激光钻孔机采用的是基于半导体泵浦固态激光器的高功率三倍频(DPSS)激光，波长为355nm，平均功率为2.3W，最高频率可达100kHz，工件上的光斑直径可小到20μm以下。该机应用绘图软件并进行合理的参数设置，可执行钻孔、刻线、切割等一系列操作。在已做的各项实验中，利用该紫外激光钻孔机进行加工的有机材料包括聚合物、纸制品等。无机材料包括金属、宝石、玻璃、陶瓷等．
2．3紫外／红外激光器的比较
7 a0 G$ U5 c5 j" u+ V红外YAG激光器(波长为1．06μm)是在材料处理方面用得最为广泛的激光源。但是，许多塑料和大量用作柔性电路板基体材料的一些特殊聚合物(如聚酰亚胺)，都不能通过红外处理或"热"处理进行精细加工。因为"热"使塑料变形，在切割或钻孔的边缘上产生炭化形式的损伤，可能导致结构性的削弱和寄生传导性通路，而不得不增加一些后续处理工序以改善加工质量。因此，红外激光器不适用于某些柔性电路的处理。除此之外，即使在高能量密度下，红外激光器的波长也不能被铜吸收，这更加苛刻地限制了它的使用范围。
然而，紫外激光器的输出波长在0.4μm以下，这是处理聚合物材料的主要优点。
* d# b& M2 a; k与红外加工不同，紫外微处理从本质上来说不是热处理，而且大多数材料吸收紫外光比吸收红外光更容易。高能量的紫外光子直接破坏许多非金属材料表面的分子键，用这种"冷"光蚀处理技术加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化。而且，紫外短波长本身的特性对金属和聚合物的机械微处理具有优越性．它可以被聚焦到亚微米数量级的点上，因此可以进行细微部件的加工，即使在不高的脉冲能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地进行材料加工．
微细孔在工业界中的应用已经相当广泛，主要形成的方式有两种：
一是使用红外激光：将材料表面的物质加热并使其汽化(蒸发)，以除去材料，这种方式通常被称为热加工．主要采用YAG激光(波长为1.06μm)。
二是使用紫外激光：高能量的紫外光子直接破坏许多非金属材料表面的分子键，使分子脱离物体，这种方式不会产生高的热量，故被称为冷加工，主要采用紫外激光(波长为355nm)．
( a8 r7 b9 T( s4 H表1是这两种加工方式的比较。
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9 F+ V; s& P  W7 t, k3实验结果与讨论
+ t9 U; h9 S$ i+ u' M( h# o* U3．1钻孔实验
图2为采用JHM-1GY-300B型YAG激光设备与PSV-6001型355nm紫外激光钻孔机分别在厚度同样为lmm的陶瓷片上打出的咖2小孔。
( K% z) x6 y% \5 s. Z结果表明，用红外激光打的小孔圆度较差，且边缘被"烧"黑．而用紫外激光加工的陶瓷片，小孔圆度较好且边缘光滑。从实验结果以及表1中的数据不难发现，紫外激光较红外激光在加工速度、钻孔精度上不止高出几个等级，而且质量效果也有明显的优势．
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3．2切割实验
: H4 w' Y: z2 \! Q- j. I激光切割是利用聚焦的高功率激光照射加工材料表面，当激光超过阈值功率密度后，引起照射点材料温度急剧上升，温度达到沸点后，材料产生气化并形成孔洞，随着激光束与工件的相对移动，最终在材料表面形成切缝。切割质量(包括切缝宽度、边缘的直线度、光洁度)由激光功率、激光束模式、辅助气体压强和切割速度决定。切割所需的激光功率直接正比于材料的厚度，对于黑色金属更是一条典型的直线。最大切割厚度为功率、会聚透镜焦距、激光波长、切割速度的函数。焦距及收敛角是切割质量、厚度、速度的重要参数。
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在理论上，切割厚度由激光高斯光束的瑞利区域所决定，瑞利区在工业界称作焦深(DOF)，其物理表达式为
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式中，λ为波长，f和D分别为会聚透镜的焦距和直径，焦深给出的是切割厚度的上限。图3为用紫外激光钻孔机在0.1mm厚的高熔点金属钼片上进行切割的SEM照片，从SEM图片可以看出，由于高熔点金属对紫外光的较高吸收，其切割边缘平整。
: C2 P, n4 N6 J* J3 {$ x& ]  X4 z激光切割具有切缝窄、热影响区小、效率高、切边无机械应力、可适合多种不同薄膜材料的加工等优点，而且对孔径以及特征尺寸的限制小．
+ F5 {( P- {+ K6 m图4为紫外激光划片与机械划片的对比情况，被切割滤光片介质膜的成分主要为硫化锌、锡化锌等。紫外激光钻孔机的加工频率为100kHz，切割速度为10mm／s．

从图4中可以看出，用紫外激光划的滤光片边缘光滑，损伤小．而用机械划片机则容易产生"崩边"，切割产生的应力容易使介质膜脱落，损坏滤光片。我们知道，红外激光切割是将材料表面的物质加热汽化，而滤光片介质膜在温度超过130℃时很容易氧化变质．因而用红外激光无法形成滤光片的划片工艺。目前，用紫外激光切割的滤光片已经用于某种型号的红外器件。用高功率紫外激光切割一些金属，如铜薄膜、钼片等，具有切缝窄、热影响区小、切割效率高等优势，适合于多种不同高精度微细薄膜器件的研制。对高功率紫外激光切割技术的研究大大地促进了激光作为万能加工工具的应用与发展。
+ P& M3 x7 G2 Z3 E  U3．3实验比较
(1)铜具有良好的导热(热扩散率为1．19cm2／s，热传导系数为4．01W／cm℃)、导电(导电率为6×103s／m)及延展性能，而且在空气中比较稳定[引．因此，这些优异的性能使得铜薄膜材料目前在薄膜器件生产制造中得以广泛应用。然而，铜在激光材料加工中属于难加工材料，这是因为铜的热反射率高，对激光的吸收率很低。因此即使在高能量密度下，使用普通的C02激光及Nd：YAG激光也很难对铜进行微细切割加工。

; Q7 r. ]- l0 I) q* ^' K: y* d但是铜对波长为355nm的三倍频固体紫外激光却具有较高的吸收率，而且由于紫外激光的波长短，其聚焦点可小到亚微米数量级，因此采用紫外激光对铜薄膜进行切割加工，将是研制这种高精度微细薄膜器件的有效方法．利用紫外激光钻孔机在厚度为0.05mm的铜片上钻小孔，目标是小孔孔径小、圆度和边缘质量高．
+ o3 N8 O6 X( G经过反复实验，紫外激光钻孔机的加工频率为25KHz，切割速度为0.3mm／s．图5是利用紫外激光钻孔机加工出来的咖为10μm的小孔．
, o3 E! O$ l4 a7 ~" ?: K(2)在0.1mm厚生陶瓷上的加工实验在郭栋等的《氧化铝陶瓷基板过孔的新型激光打孔工艺》中，笔者选用了常见的氧化铝陶瓷作为研究对象，激光器为Nd：YAG撒光器。图6是其加工出来的孔。
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, l  Y1 ]( F% R+ U$ L! L图6中，当打孔进行到激光脉冲尾缘后，由于光强和蒸汽压锐减及光束的发散等，熔化而未来得及被携带走的液相会重新凝聚在孔壁和孔入口处形成重铸层和堆积物，陶瓷体直接加工时孔的周围会形成大量不规则堆积物。而图7中几乎没有堆积物，其表面也更干净和平滑。
4结论
通过几种实验对比发现：
/ j; G0 |# e- g) _# C: I: X(1)与常规机械加工相比，激光加工更精密、更准确和更迅速．
2 ^2 C5 k- o9 P  p' G8 f4 ]  j6 ^(2)通过钻孔实验可以看出：紫外激光较红外激光在加工速度、钻孔精度及质量效果上有较为明显的优势．因此在某些孔径精度高、孔的表面质量要求高、加工材料熔点高的场合则可以用紫外激光来替代红外激光．
8 Z7 W1 F$ {9 o8 k9 w8 X(3)从切割实验中不难发现：用紫外激光切割一些金属，如铜薄膜、钼片等，具有切缝窄、热影响区小、切割效率高等优势，适合于多种不同高精度微细薄膜器件的研制。虽然固态半导体泵紫外激光具有许多优势，但如何通过加工参数的优化和调整，更好地利用固态半导体泵紫外激光进行精密加工，是现阶段需进一步探索的问题．【MechNet】
文章关键词： 紫外激光