紫外激光在微細(xì)加工技術(shù)中的上風(fēng)研究
2012/5/16 0:33:34
引言
激光技術(shù)是20世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的四項(xiàng)重大發(fā)明之一．四十多年來(lái)，隨著小型電子產(chǎn)品和微電子元器件需求量的日益增長(zhǎng)，對(duì)于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔點(diǎn)材料)的精密處理日漸成為激光在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一．
激光加工是激光產(chǎn)業(yè)的重要應(yīng)用，與常規(guī)的機(jī)械加工相比，激光加工更精密、更正確、更迅速．該技術(shù)利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)包括金屬與非金屬的各種材料進(jìn)行加工，涉及到了焊接、切割、打標(biāo)、打孔，熱處理、成型等多種加工工藝。激光唯一無(wú)二的特性使之成為微處理的理想工具，目前廣泛應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。
激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)．
激光加工有其獨(dú)特的特點(diǎn)：
(1)范圍廣泛：幾乎可以對(duì)任何材料進(jìn)行雕刻切割。
(2)安全可靠：采用非接觸式加工，不會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力．
(3)精確細(xì)致；加工精度可達(dá)0．01mm．
(4)效果一致：保證同一批次的加工效果一致．
(5)高速快捷：可立即根據(jù)電腦輸出的圖樣進(jìn)行高速雕刻和切割，且激光切割的速度比線切割的速度要快很多．
(6)本錢低廉：不受加工數(shù)目的限制，對(duì)于小批量加工服務(wù)，激光加工更加便宜。
(7)切割縫隙小：激光切割的割縫一般在0.02mm-0.05mm．
(8)切割面光滑：激光切割的切割面無(wú)毛刺。
(9)熱變形小；激光加工的激光割縫細(xì)、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。
紅外器件技術(shù)中所用的材料(寶石等)、加工條件(精度，變形等)要求采用激光加工。鑒于激光種類很多，我們主要涉及的是紅外激光設(shè)備和紫外激光加工系統(tǒng)。因此希看通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將紫外／紅外兩種激光系統(tǒng)對(duì)同種材料的加工結(jié)果進(jìn)行比較，從而了解它們的特點(diǎn)與區(qū)別，并確定出各自的適用范圍和優(yōu)越性，為今后更好地發(fā)展特殊材料加工作展墊。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備先容
本文采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是JHM-1GY-300B型YAG激光設(shè)備與PSV-6001型355nm全固態(tài)紫外激光鉆孔機(jī)。
2．1 YAG激光設(shè)備
YAG激光設(shè)備的激光波長(zhǎng)為1.06μm，輸出的最大單脈沖激光能量為60J，脈沖頻率為1Hz-100Hz(連續(xù)可調(diào))。它將激光聚焦到一點(diǎn)，焦平面上的功率密度可達(dá)到105-1013W／cm2。該設(shè)備還可以用于激光焊接，激光焊接就是利用激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度等特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行工作的．通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚集到很小的區(qū)域，在極短的時(shí)間內(nèi)，使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的局部熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。圖1為用YAG激光焊接不銹鋼和鈦合金的焊縫實(shí)例。
PSV-6001型紫外激光鉆孔機(jī)采用的是基于半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器的高功率三倍頻(DPSS)激光，波長(zhǎng)為355nm，均勻功率為2.3W，最高頻率可達(dá)100kHz，工件上的光斑直徑可小到20μm以下。該機(jī)應(yīng)用繪圖軟件并進(jìn)行公道的參數(shù)設(shè)置，可執(zhí)行鉆孔、刻線、切割等一系列操縱。在已做的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，利用該紫外激光鉆孔機(jī)進(jìn)行加工的有機(jī)材料包括聚合物、紙制品等。無(wú)機(jī)材料包括金屬、寶石、玻璃、陶瓷等。
2．3紫外／紅外激光器的比較
紅外YAG激光器(波長(zhǎng)為1．06μm)是在材料處理方面用得最為廣泛的激光源。但是，很多塑料和大量用作柔性電路板基體材料的一些特殊聚合物(如聚酰亞胺)，都不能通過(guò)紅外處理或"熱"處理進(jìn)行精細(xì)加工。由于"熱"使塑料變形，在切割或鉆孔的邊沿上產(chǎn)生炭化形式的損傷，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的削弱和寄生傳導(dǎo)性通路，而不得不增加一些后續(xù)處理工序以改善加工質(zhì)量。因此，紅外激光器不適用于某些柔性電路的處理。除此之外，即使在高能量密度下，紅外激光器的波長(zhǎng)也不能被銅吸收，這更加苛刻地限制了它的使用范圍。
然而，紫外激光器的輸出波長(zhǎng)在0.4μm以下，這是處理聚合物材料的主要優(yōu)點(diǎn)。
與紅外加工不同，紫外微處理從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)不是熱處理，而且大多數(shù)材料吸收紫外光比吸收紅外光更輕易。高能量的紫外光子直接破壞很多非金屬材料表面的分子鍵，用這種"冷"光蝕處理技術(shù)加工出來(lái)的部件具有光滑的邊沿和最低限度的炭化。而且，紫外短波長(zhǎng)本身的特性對(duì)金屬和聚合物的機(jī)械微處理具有優(yōu)越性．它可以被聚焦到亞微米數(shù)目級(jí)的點(diǎn)上，因此可以進(jìn)行細(xì)微部件的加工，即使在不高的脈沖能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地進(jìn)行材料加工．
微細(xì)孔在產(chǎn)業(yè)界中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，主要形成的方式有兩種：
一是使用紅外激光：將材料表面的物質(zhì)加熱并使其汽化(蒸發(fā))，以除往材料，這種方式通常被稱為熱加工．主要采用YAG激光(波長(zhǎng)為1.06μm)。
二是使用紫外激光：高能量的紫外光子直接破壞很多非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體，這種方式不會(huì)產(chǎn)生高的熱量，故被稱為冷加工，主要采用紫外激光(波長(zhǎng)為355nm)．
表1是這兩種加工方式的比較。
3．1 鉆孔實(shí)驗(yàn)
圖2為采用JHM-1GY-300B型YAG激光設(shè)備與PSV-6001型355nm紫外激光鉆孔機(jī)分別在厚度同樣為lmm的陶瓷片上打出的咖2小孔。
結(jié)果表明，用紅外激光打的小孔圓度較差，且邊沿被"燒"黑．而用紫外激光加工的陶瓷片，小孔圓度較好且邊沿光滑。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及表1中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，紫外激光較紅外激光在加工速度、鉆孔精度上不止高出幾個(gè)等級(jí)，而且質(zhì)量效果也有明顯的上風(fēng)。
激光切割是利用聚焦的高功率激光照射加工材料表面，當(dāng)激光超過(guò)閾值功率密度后，引起照射點(diǎn)材料溫度急劇上升，溫度達(dá)到沸點(diǎn)后，材料產(chǎn)生氣化并形成孔洞，隨著激光束與工件的相對(duì)移動(dòng)，終極在材料表面形成切縫。切割質(zhì)量(包括切縫寬度、邊沿的直線度、光潔度)由激光功率、激光束模式、輔助氣體壓強(qiáng)和切割速度決定。切割所需的激光功率直接正比于材料的厚度，對(duì)于玄色金屬更是一條典型的直線。最大切割厚度為功率、會(huì)聚透鏡焦距、激光波長(zhǎng)、切割速度的函數(shù)。焦距及收斂角是切割質(zhì)量、厚度、速度的重要參數(shù)。
激光切割具有切縫窄、熱影響區(qū)小、效率高、切邊無(wú)機(jī)械應(yīng)力、可適合多種不同薄膜材料的加工等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)孔徑以及特征尺寸的限制小．
圖4為紫外激光劃片與機(jī)械劃片的對(duì)比情況，被切割濾光片介質(zhì)膜的成分主要為硫化鋅、錫化鋅等。紫外激光鉆孔機(jī)的加工頻率為100kHz，切割速度為10mm／s。
激光技術(shù)是20世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的四項(xiàng)重大發(fā)明之一．四十多年來(lái)，隨著小型電子產(chǎn)品和微電子元器件需求量的日益增長(zhǎng)，對(duì)于加工材料(尤其是聚合物材料以及高熔點(diǎn)材料)的精密處理日漸成為激光在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一．
激光加工是激光產(chǎn)業(yè)的重要應(yīng)用，與常規(guī)的機(jī)械加工相比，激光加工更精密、更正確、更迅速．該技術(shù)利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)包括金屬與非金屬的各種材料進(jìn)行加工，涉及到了焊接、切割、打標(biāo)、打孔，熱處理、成型等多種加工工藝。激光唯一無(wú)二的特性使之成為微處理的理想工具，目前廣泛應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。
激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)．
激光加工有其獨(dú)特的特點(diǎn)：
(1)范圍廣泛：幾乎可以對(duì)任何材料進(jìn)行雕刻切割。
(2)安全可靠：采用非接觸式加工，不會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力．
(3)精確細(xì)致；加工精度可達(dá)0．01mm．
(4)效果一致：保證同一批次的加工效果一致．
(5)高速快捷：可立即根據(jù)電腦輸出的圖樣進(jìn)行高速雕刻和切割，且激光切割的速度比線切割的速度要快很多．
(6)本錢低廉：不受加工數(shù)目的限制，對(duì)于小批量加工服務(wù)，激光加工更加便宜。
(7)切割縫隙小：激光切割的割縫一般在0.02mm-0.05mm．
(8)切割面光滑：激光切割的切割面無(wú)毛刺。
(9)熱變形小；激光加工的激光割縫細(xì)、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。
紅外器件技術(shù)中所用的材料(寶石等)、加工條件(精度，變形等)要求采用激光加工。鑒于激光種類很多，我們主要涉及的是紅外激光設(shè)備和紫外激光加工系統(tǒng)。因此希看通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將紫外／紅外兩種激光系統(tǒng)對(duì)同種材料的加工結(jié)果進(jìn)行比較，從而了解它們的特點(diǎn)與區(qū)別，并確定出各自的適用范圍和優(yōu)越性，為今后更好地發(fā)展特殊材料加工作展墊。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備先容
本文采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是JHM-1GY-300B型YAG激光設(shè)備與PSV-6001型355nm全固態(tài)紫外激光鉆孔機(jī)。
2．1 YAG激光設(shè)備
YAG激光設(shè)備的激光波長(zhǎng)為1.06μm，輸出的最大單脈沖激光能量為60J，脈沖頻率為1Hz-100Hz(連續(xù)可調(diào))。它將激光聚焦到一點(diǎn)，焦平面上的功率密度可達(dá)到105-1013W／cm2。該設(shè)備還可以用于激光焊接，激光焊接就是利用激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度等特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行工作的．通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚集到很小的區(qū)域，在極短的時(shí)間內(nèi)，使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的局部熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。圖1為用YAG激光焊接不銹鋼和鈦合金的焊縫實(shí)例。
圖1
PSV-6001型紫外激光鉆孔機(jī)采用的是基于半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器的高功率三倍頻(DPSS)激光，波長(zhǎng)為355nm，均勻功率為2.3W，最高頻率可達(dá)100kHz，工件上的光斑直徑可小到20μm以下。該機(jī)應(yīng)用繪圖軟件并進(jìn)行公道的參數(shù)設(shè)置，可執(zhí)行鉆孔、刻線、切割等一系列操縱。在已做的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，利用該紫外激光鉆孔機(jī)進(jìn)行加工的有機(jī)材料包括聚合物、紙制品等。無(wú)機(jī)材料包括金屬、寶石、玻璃、陶瓷等。
2．3紫外／紅外激光器的比較
紅外YAG激光器(波長(zhǎng)為1．06μm)是在材料處理方面用得最為廣泛的激光源。但是，很多塑料和大量用作柔性電路板基體材料的一些特殊聚合物(如聚酰亞胺)，都不能通過(guò)紅外處理或"熱"處理進(jìn)行精細(xì)加工。由于"熱"使塑料變形，在切割或鉆孔的邊沿上產(chǎn)生炭化形式的損傷，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的削弱和寄生傳導(dǎo)性通路，而不得不增加一些后續(xù)處理工序以改善加工質(zhì)量。因此，紅外激光器不適用于某些柔性電路的處理。除此之外，即使在高能量密度下，紅外激光器的波長(zhǎng)也不能被銅吸收，這更加苛刻地限制了它的使用范圍。
然而，紫外激光器的輸出波長(zhǎng)在0.4μm以下，這是處理聚合物材料的主要優(yōu)點(diǎn)。
與紅外加工不同，紫外微處理從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)不是熱處理，而且大多數(shù)材料吸收紫外光比吸收紅外光更輕易。高能量的紫外光子直接破壞很多非金屬材料表面的分子鍵，用這種"冷"光蝕處理技術(shù)加工出來(lái)的部件具有光滑的邊沿和最低限度的炭化。而且，紫外短波長(zhǎng)本身的特性對(duì)金屬和聚合物的機(jī)械微處理具有優(yōu)越性．它可以被聚焦到亞微米數(shù)目級(jí)的點(diǎn)上，因此可以進(jìn)行細(xì)微部件的加工，即使在不高的脈沖能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地進(jìn)行材料加工．
微細(xì)孔在產(chǎn)業(yè)界中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，主要形成的方式有兩種：
一是使用紅外激光：將材料表面的物質(zhì)加熱并使其汽化(蒸發(fā))，以除往材料，這種方式通常被稱為熱加工．主要采用YAG激光(波長(zhǎng)為1.06μm)。
二是使用紫外激光：高能量的紫外光子直接破壞很多非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體，這種方式不會(huì)產(chǎn)生高的熱量，故被稱為冷加工，主要采用紫外激光(波長(zhǎng)為355nm)．
表1是這兩種加工方式的比較。
3．1 鉆孔實(shí)驗(yàn)
圖2為采用JHM-1GY-300B型YAG激光設(shè)備與PSV-6001型355nm紫外激光鉆孔機(jī)分別在厚度同樣為lmm的陶瓷片上打出的咖2小孔。
結(jié)果表明，用紅外激光打的小孔圓度較差，且邊沿被"燒"黑．而用紫外激光加工的陶瓷片，小孔圓度較好且邊沿光滑。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及表1中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，紫外激光較紅外激光在加工速度、鉆孔精度上不止高出幾個(gè)等級(jí)，而且質(zhì)量效果也有明顯的上風(fēng)。
圖2
激光切割是利用聚焦的高功率激光照射加工材料表面，當(dāng)激光超過(guò)閾值功率密度后，引起照射點(diǎn)材料溫度急劇上升，溫度達(dá)到沸點(diǎn)后，材料產(chǎn)生氣化并形成孔洞，隨著激光束與工件的相對(duì)移動(dòng)，終極在材料表面形成切縫。切割質(zhì)量(包括切縫寬度、邊沿的直線度、光潔度)由激光功率、激光束模式、輔助氣體壓強(qiáng)和切割速度決定。切割所需的激光功率直接正比于材料的厚度，對(duì)于玄色金屬更是一條典型的直線。最大切割厚度為功率、會(huì)聚透鏡焦距、激光波長(zhǎng)、切割速度的函數(shù)。焦距及收斂角是切割質(zhì)量、厚度、速度的重要參數(shù)。
圖3
激光切割具有切縫窄、熱影響區(qū)小、效率高、切邊無(wú)機(jī)械應(yīng)力、可適合多種不同薄膜材料的加工等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)孔徑以及特征尺寸的限制小．
圖4為紫外激光劃片與機(jī)械劃片的對(duì)比情況，被切割濾光片介質(zhì)膜的成分主要為硫化鋅、錫化鋅等。紫外激光鉆孔機(jī)的加工頻率為100kHz，切割速度為10mm／s。
圖4
