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(duì)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(xiàng)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?yàn)榍耙淮瘟粝聛?lái)的碎屑可能擋住下一次掃描時(shí)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(shì)，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(lái)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(duì)著入射的激光。這個(gè)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?jī)H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(lái)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(jiǎn)單地通過在離焦點(diǎn)不遠(yuǎn)的地方把外緣的激光擋住來(lái)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(duì)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(shí)的邊緣效應(yīng)以及毛刺與碎屑的形成。

以快速流動(dòng)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(lái)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(yàn)，小型的注射器式噴嘴被用于在整個(gè)輻照表面產(chǎn)生很薄的流動(dòng)液體薄膜。因?yàn)槟ず鼙?，所以流?dòng)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(lái)，這項(xiàng)技術(shù)可用于不同的激光波長(zhǎng)，從355到1064 nm。每次的試驗(yàn)過后都能夠觀察到明顯的進(jìn)步。比如，我們可以對(duì)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(huì)引起材料透光和爆發(fā)沸騰等現(xiàn)象——這是因?yàn)橐簯B(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(shí)材料對(duì)某些波長(zhǎng)完全透明。亞穩(wěn)態(tài)硅的存在是因?yàn)槔眉{秒激光器進(jìn)行微加工時(shí)，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(shí)因?yàn)橐簯B(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(duì)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(gè)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(wú)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?yàn)檫@里材料不會(huì)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(gè)過程能帶來(lái)很高的輸出，切割后的表面也非常干凈。
 

這里所談到的幾項(xiàng)不同技術(shù)都相對(duì)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(xiàng)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(chǎng)服務(wù)集團(tuán)。