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無碎屑激光微加工技術的最新進展
2012/5/15 23:45:55
| 光光束特有的非接觸式、局域化的熱量輸進方式使得激光成為高精度精細零件加工的最佳選擇。 激光微加工應用，例如切割、劃線、鉆孔，都是利用高強度的脈沖激光對材料進行輻照，使得材料蒸發(fā)，從而實現(xiàn)材料的移除。 到目前為止，在這項技術應用中，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四周和刻槽內(nèi)（如圖1）。它們的傳播速度高達每秒幾千米。
減少碎屑的方法 晶片切割中水溶性覆層的使用——已有各種先進的技術被用來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。產(chǎn)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，可以用標準的高壓水清潔方式將該覆層清洗掉 （如圖2）。
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Q 355 nm紫外激光器，其脈沖能量高達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。
根據(jù)這些經(jīng)驗，小型的注射器式噴嘴被用于在整個輻照表面產(chǎn)生很薄的活動液體薄膜。由于膜很薄，所以活動很快（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，這項技術可用于不同的激光波長，從355到1064 nm。每次的試驗過后都能夠觀察到明顯的進步。比如，我們可以對280m厚的硅晶片進行穿孔，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果。
通過對355 nm的調Q固態(tài)激光器的脈沖參數(shù)進行控制，我們觀察到這個激光引發(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數(shù)的碎屑。往除材料的機制必須采用在過熱液態(tài)硅表面形成蒸汽氣泡的原理，由于這里材料不會噴射到輻照表面，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，這個過程能帶來很高的輸出，切割后的表面也非常干凈。 這里所談到的幾項不同技術都相對比較輕易使用。為了得到高質量的微加工結果，激光器用戶單單關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先容的幾項技術，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責人，公司位于加拿大安大略省多倫多市。該公司隸屬于KJ市場服務團體。(end) |
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