熱量通?？倳砺闊：翢o疑問，無論是疊層集成電路還是可植入式醫(yī)療設(shè)備，我們所制造產(chǎn)品的尺寸在不斷縮小。微電子領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)是：如何通過設(shè)計和材料工程，以控制設(shè)備運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量。在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，熱量管理面臨的挑戰(zhàn)已迫在眉睫。

現(xiàn)在，植入式和離體式醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)普遍具備細(xì)微和精密的特征。該特征要求一種新的制造工具，能夠加工出微米級解析度特征，且不會向零件其它部分傳遞熱量。熱影響區(qū)域(HAZ)不僅危害設(shè)備完整性，而且會減低產(chǎn)量，增加昂貴的后處理步驟。

微米制造中熱量問題的一個解決方案是超快激光技術(shù)，該技術(shù)具備獨特的革命性功能，能夠冷燒蝕任何材料，無論是金屬、絕緣體還是聚合物。為了理解超快技術(shù)為何能帶來如此徹底的進(jìn)步，有必要詳細(xì)介紹該技術(shù)與連續(xù)波(CW)、長脈沖（皮秒及更長）激光技術(shù)之間的根本性差異。

連續(xù)波激光通過熱力學(xué)過程進(jìn)行燒蝕，通過相變或燃燒，對目標(biāo)晶格進(jìn)行局部加熱。飛秒級脈沖激光則在700至800飛秒脈沖里釋放數(shù)十微焦的能量。而超快激光聚焦的光斑尺寸范圍為30微米至衍射極限，將產(chǎn)生非常高的光強。伴隨高光強的是能夠引發(fā)目標(biāo)多光子電離化的電場。光致電離將導(dǎo)致等離子體形成，緊接著是目標(biāo)離子的靜電放射。

不過，僅僅將目標(biāo)離子化是不夠的。包括離子化、等離子體形成和庫侖爆炸的全部過程所需的時間，必須小于熱量擴散至被燒蝕材料體積所需的時間。

簡而言之，超快激光的每一脈沖清除材料塊的速度必須快于熱量由當(dāng)前位置擴散至相鄰材料的速度，有點像三張紙牌游戲。不過，就像人行道上的紙牌游戲一樣，這不是魔術(shù)竅門，僅僅是甲比乙移動更快的例子。

這指出了為什么激光技術(shù)的脈沖持續(xù)時間是非常重要的參數(shù)，它決定了燒蝕過程是無熱的、導(dǎo)熱的，還是兩者混合。的確，皮秒(10-12秒)甚至納秒(10-9秒)級脈沖激光能夠引發(fā)目標(biāo)多光子電離化。難點在于：較長的脈沖將導(dǎo)致激光傳遞的熱量擴散到整個燒蝕體積，從而進(jìn)入目標(biāo)周圍的晶格。甚至，2至3皮秒的脈沖由于處理目標(biāo)的時間足夠長，以至于會產(chǎn)生熱平衡。總的來說，零件的熱擴散會產(chǎn)生熱損傷，無論是熱影響區(qū)、融化區(qū)域、重鑄，還是渣滓，都改變了微結(jié)構(gòu)。

在清除大塊頭材料時，小區(qū)域熱損傷帶來的影響不大。但是，許多應(yīng)用中需要清除細(xì)微、精密的小塊頭材料，對熱損傷的容忍度極低，甚至零容忍。這給超快技術(shù)帶來了極多的機會。當(dāng)然，傳統(tǒng)觀點認(rèn)為超快激光體型大、不可靠、操作難和花費大，更適用于科學(xué)實驗而不是商業(yè)應(yīng)用。

位于美國加州帕塔魯馬的Raydiance公司已經(jīng)在超快技術(shù)上發(fā)力，其理念是激光必須要具備實用性、可靠性以及整合進(jìn)現(xiàn)代生產(chǎn)平臺的能力。在技術(shù)層面上看來，這一理念意味著光纖體系結(jié)構(gòu)、完全嵌入式計算機和系統(tǒng)控制軟件。

值得一提的是，該公司利用Smart Light MD超快技術(shù)的冷燒蝕功能，滿足醫(yī)療設(shè)備、微流體、太陽能和消費電子行業(yè)中極為苛刻的加工要求。

或許體現(xiàn)冷燒蝕價值的最有說服力的證明來自于醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。外周、冠狀和神經(jīng)血管支架的制造是體現(xiàn)超快技術(shù)在這一領(lǐng)域進(jìn)步的最好例證。

金屬裸支架一般由不銹鋼、鎳鈦合金或鈷鉻合金等材料制成。這種支架為直徑2到3毫米、長度8到32毫米的圓柱體。筋厚、筋尺寸以及網(wǎng)狀圖案的整體設(shè)計隨著應(yīng)用和制造商的不同而差異很大。

傳統(tǒng)上加工這些非常精巧的零件（筋寬通常為80微米）是使用納秒級脈沖激光。由前文所述可知，這種激光在制造過程中帶來嚴(yán)重的熱量問題，從而導(dǎo)致毛邊、熔渣和重鑄現(xiàn)象。因此，整個行業(yè)都不得不在后處理步驟上花費大量精力、財力和人力，比如為了清除缺陷而進(jìn)行化學(xué)蝕刻。而且，納秒技術(shù)產(chǎn)生的零件熱影響區(qū)域危害了零件的完整性，進(jìn)而顯著降低加工產(chǎn)量。

圖1、在低倍和高倍掃描式電子顯微鏡下，經(jīng)Smart Light MD加工的鎳鈦合金支架的圖像，筋寬為92微米。可以看出圖中沒有任何熱影響區(qū)域。

超快燒蝕的真正無熱性質(zhì)讓極精密加工省去了后處理的成本和麻煩。最近，Raydiance公司展示了加工鎳鈦合金支架原型的過程，僅僅需要5分鐘的自來水超聲波清洗后處理過程。圖1的上圖是掃描式電子顯微鏡下的一個直徑700微米、筋寬約92微米的激光加工支架的圖像，筋厚為127微米。從圖1上圖和放大倍數(shù)更高的掃描式電子顯微鏡圖像（圖1下圖）中可以看到，切割邊緣質(zhì)量非常高，沒有熱影響區(qū)域、熔渣、重鑄和毛邊。

圖2、鎳鈦合金微型支架原型的筋寬約為20微米，筋厚為80微米，下圖是支架筋相交處的放大圖像。

該公司還成功加工更細(xì)微的鎳鈦合金微型支架，筋厚80微米，筋寬約20微米（見圖2）。同樣，Smart Light超快加工不會有任何熱影響。

如果使用傳統(tǒng)納秒和皮秒級激光來加工代表支架市場未來的生物可吸收支架，會有更多的問題。這種支架通常使用了低熔點聚合物，如聚丙醇酸熔化溫度為173至178攝氏度，聚乙醇酸熔化溫度為225至230攝氏度，這些聚合物對于余熱影響的容忍度甚至比鎳鈦合金和不銹鋼還低。我們初步展示了這些材料的加工。圖3顯示了Smart Light加工的生物可吸收支架。樣品支架的筋寬為80微米，沒有任何熔化或其它熱損傷的痕跡。

圖3、生物可吸收支架原型的筋寬約為80微米，筋厚150微米。

這三個醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的例子代表了微加工未來更為寬廣的趨勢。無論是微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備還是消費電子，當(dāng)越來越細(xì)微零件的需求與日俱增，超快激光的冷燒蝕能力在制造中將扮演愈發(fā)重要的角色。例如超快激光在微流體、片上實驗室技術(shù)、太陽能電池隔離、電子顯示器鋼化玻璃加工，以及晶圓切片領(lǐng)域，有潛在無限的應(yīng)用等。

正如光刻法、化學(xué)蝕刻以及傳統(tǒng)長脈沖激光蝕刻代替機械切割一樣，他們也將會被新興的超快技術(shù)代替。超快技術(shù)具備精密、冷燒蝕的能力，還具備商業(yè)制造環(huán)境所需的堅固性和可靠性。此外，軟件控制將促進(jìn)超快技術(shù)與自動化工作站和生產(chǎn)線的集成。

本文作者Adam C. Tanous是Raydiance公司的市場總監(jiān)。