精細微孔的激光加工的發(fā)展

林金堵

本刊名譽主編

吳梅珠

（江南計算技術研究所，江蘇 無錫 214083）

隨著移動電話特別是智能手機和平板電視等的發(fā)展與進步，這些消費電子設備已經(jīng)成為全球制造業(yè)發(fā)展最快的領域之一[1]，航天航空工業(yè)重要部件（特別是現(xiàn)代渦輪發(fā)動機的制造）中的精細加工領域等[2]，而支持和保證這些領域持續(xù)發(fā)展和進步的半導體芯片、印制電路板、微電子組裝、觸摸屏顯示器等關鍵部件和產(chǎn)品，必須建立先進的精密（細）的制造工藝技術，才能滿足這些領域的發(fā)展需要。其中，在精細的微孔與精細線（或溝槽）等的制造中，激光加工技術已經(jīng)成為首選技術并成為最重要的加工手段和方法。

激光加工技術隨著精細微孔和精細線的發(fā)展而進步著。以激光加工微孔的實際應用為例，激光加工已從紅外（CO2為光源）激光器加工走向發(fā)展到紫外（Nd:YAG為光源）激光器加工，目前正在向光纖激光器和飛秒激光器的加工發(fā)展!

1 各種激光器的特點與局限

各種光源激光器的基本特性概要如表1所示。

2 紫外激光微加工技術的改革與創(chuàng)新

由于半導體固態(tài)激光器（DPSS）的平均功率低和脈沖重復頻率不高等因素，造成激光加工速度慢即生產(chǎn)率低。因此提高和控制紫外激光功率和重復脈沖頻率是提升激光微加工性能、質量和生產(chǎn)率的主要因素。

2.1 傳統(tǒng)紫外激光器

紫外（Nd:YAG）激光器是屬于固態(tài)半導體激光器，波長為紫外線范圍，通過“諧波”可得355 nm或266 nm，其加工方法可分激光沖擊法（Laser Punching）成孔和激光鑿孔法（Laser Trepanning）成孔加兩種工技術，更詳細的技術請參見資料[3]。

表1 目前典型應用的四種激光器的主要特性

2.1.1 激光沖擊法（Laser Punching）成孔存在問題

（1）容易形成“焦化（樹脂類）”或“重鑄（金屬及其合金類）”現(xiàn)象。

用于Nd:YAG激光器，其典型激光脈沖連續(xù)時間為600 μs ～ 1 ms，峰值功率為（10～20）kw（平均功率為200 W），脈沖重復頻率為10 pps。在長時間連續(xù)運轉下，會引起“焦化（樹脂類）”或“重鑄（金屬及其合金類）”，不能滿足“精細化”結構（如孔等）的要求。

（2）容易發(fā)生界面“分層”。

激光脈沖沖擊成孔時需要多個脈沖，才能保證孔被穿透和滿足出口處的尺寸要求。同時，所要求的脈沖數(shù)量會隨著材料厚度而變化，加上高密度化發(fā)展，使孔與孔之間距離越來越近。由于這兩個方面原因，稍微不慎，極易發(fā)生不同材料間“界面”處發(fā)生“分層”或“起泡”等。

2.1.2 激光鑿孔法（Laser Trepanning）成孔

激光鑿孔法又可稱謂激光環(huán)形切割法。采用這種加工方法的速度太慢，生產(chǎn)率低，較難滿足生產(chǎn)上的要求。因此，采用這種激光加工方法少。

傳統(tǒng)紫外（Nd:YAG）激光器，不管是采用沖擊加工還是鑿孔（環(huán)形切割）加工，其速度慢，加工效率低，一般都用來作為生產(chǎn)率要求不高和精細加工（修整）的產(chǎn)品加工上。

2.2 影響紫外激光加工過程的主要因素影響紫外激光微加工的因素有：波長、脈沖寬度、平均功率、光束質量（M2）和脈沖重復頻率以及脈沖與脈沖之間的穩(wěn)定性。同時還與材料厚度和類型（多樣性）有關。如：更短波長、更窄脈沖寬度和低光束質量（M2）的激光可得到更緊密的聚焦點，因而可明顯減少熱影響區(qū)；同時短的波長會被很多材料強烈吸收，因此可適用于各種各樣的有機物、半導體、金屬、合金、陶瓷等的加工；材料的強烈（高能量）吸收和短脈沖產(chǎn)生的高強度輻射，能使材料迅速氣化，明顯減少加工處的熱效應，降低或避免發(fā)生“焦化（樹脂類）”或“重鑄（金屬及其合金類）”現(xiàn)象；小而緊密的聚焦光斑可實現(xiàn)更小尺寸的加工；更大的功率、更高脈沖重復頻率、短脈沖寬度（脈沖分裂度）、脈沖整行（優(yōu)化）等都能提升脈沖加工生產(chǎn)率；提升脈沖之間的穩(wěn)定性，才能確保激光加工工程的可重復性。

2.3 采用某些軟件（如TimeShift軟件）的調整技術來設置各種脈沖能量和脈沖寬度

采用軟件技術可使加工工藝工程師通過進行脈沖整形、改變脈沖寬度（分裂脈沖）、其他模式等進行操作，從而消除了提升脈沖重復頻率而帶來脈沖寬度、脈沖與脈沖之間能量的明顯變化，其效果見圖1和圖2。

圖1和圖2說明，采用合適的軟件可以調整脈沖的能量和寬度，還可對脈沖系列進行種種優(yōu)化，達到明顯地提高激光精細加工的速度、生產(chǎn)率和加工質量。

圖1 優(yōu)化脈沖重復頻率和采用軟件技術可明顯提高加工生產(chǎn)率

圖2 采用軟件技術形成的“分裂脈沖”提高加工生產(chǎn)率

3 光纖激光器

由于光纖激光器是采用光纖來傳輸光束的，消除了旋轉的光學元件和過程，避免了很多繁瑣的光學準（校）直工作，明顯地簡化了過程，既降低了成本，又提高了效率。

3.1 光纖激光器原理

光纖激光器是由半導體可飽和吸收鏡、泵浦激光二極管、多模泵浦耦合器、光纖、光纖環(huán)形鏡等組成。圖3表示其中一種光纖激光器。

圖3 鎖模含銩硅酸鹽玻璃光纖激光器的組成示意圖

圖3 表示多模泵浦耦合器將泵浦激光二極管的激光束（波長為798 nm）經(jīng)過共振銻化物半導體飽和吸收鏡（SESAM）吸收后，通過雙包層含銩硅酸鹽玻璃光纖（長度為30 cm，數(shù)值孔徑為0.22，不同材料的折射率是不同的，所以數(shù)值孔徑是不同的[5]，從而傳送的波長也是不同的），再經(jīng)過光纖環(huán)形鏡的反射，便可得到反射率為90%左右的2 μm波長。

3.2 光纖激光器的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)激光器比起來，光纖激光器的主要優(yōu)勢有：（1）脈沖持續(xù)時間可以加長，因此可簡化為采用單個脈沖進行加工；（2）可穩(wěn)定地進行大功率加工；（3）形成“方形”脈沖，其前沿時間和后延時間極短，沒有拖尾而引起樹脂“焦化”或金屬“重鑄”等現(xiàn)象；（4）脈沖能量和時間可通過編程而快速改變，使不同材料、位置、厚度等得到最佳化地進行加工，不用再進行精修；（5）加工（如鉆孔等）速度比傳統(tǒng)紫外（UV）激光加工高10倍以上，每秒可加工（50～100）孔[2]。

3.3 采用紫外（UV）混合光纖激光器實現(xiàn)在高功率下提高加工生產(chǎn)率

單純的紫外（UV）激光器要采用提升激光脈沖重復頻率來提高激光的加工速度是不可能的，因為:（1）紫外（UV）激光器的平均功率和脈沖能量是隨著激光脈沖重復頻率的增加而迅速降低；（2）激光脈沖寬度、脈沖與脈沖之間能量的變化會隨著脈沖重復頻率增加而明顯增加變化。這些因素的變化會影響激光加工速度、特征尺寸和加工精度，因此簡單通過增加激光脈沖重復頻率來提升加工效率是無法保證加工效果的。

因此，采用紫外（UV）混合光纖激光器，提高光纖的作用來得到更高的脈沖重復頻率的同時，又達到更高的加工功率。

3.4 紫外（UV）混合光纖激光器和TimeShift軟件在PCB上加工效果

采用紫外（UV）混合光纖激光器技術在PCB中可以加工盲孔、通孔、板的分割、仿形、打標、切邊、修整、激光直接刻像等等，并可以得到更好的質量和高生產(chǎn)率。

圖4表示一個典型的PCB盲孔的加工效果，它表明采用較短的脈沖寬度可以得到更完整的清除樹脂而得到清潔的表面和更好的孔底披露的清潔銅面。

由于采用紫外（UV）混合光纖激光器獲得更清潔的盲孔、具有最小損傷和氧化的完整顯露銅表面、具有最小的側壁錐度，這對于后續(xù)加工過程帶了極大有利，并可得到更高的結合力。同時由于采用TimeShift軟件已經(jīng)能夠得到4000孔/秒的生產(chǎn)率。

圖4 采用較短的脈沖寬度可當?shù)馗玫募す饧庸べ|量

總之，采用紫外（UV）混合光纖激光器和某些軟件（如TimeShift軟件）的調整技術，達到輸出波長為355 nm，輸出功率超過40 W ，脈沖重復評論為250 kHz，消除了脈沖寬度依賴脈沖重復頻率的關系，實現(xiàn)了增加脈沖重復頻率而增加激光加工速度的同時，保持紫外（UV）混合光纖激光器的其他輸出特性穩(wěn)定而不變化，可明顯提高紫外激光的性能、質量和。 生產(chǎn)率[1]。

4 飛秒激光器------快速、干凈和低廉的微加工技術

如果采用較長時間脈沖，如納（10～9）秒級或皮（10～12）秒級進行脈沖加工，由于激光脈沖的上升延時間長而在加工時產(chǎn)生大量的電子碰撞和熱擴散，導致所加工的零部件區(qū)域出現(xiàn)熱影響（樹脂焦化或金屬重鑄）區(qū)現(xiàn)象而帶來加工質量和修整問題。

由于激光加工的熱擴散是通過激光加工時產(chǎn)生的電子和離子等與其鄰近的物質（粒子）之間的能量交換而形成的，而這種能量（熱）交換是需要一定時間的，如果激光的每個脈沖加工時間非常短，使熱交換來不及進行或極少發(fā)生，這樣，就可以消除熱影響（樹脂焦化或金屬重鑄）區(qū)現(xiàn)象。因此，關鍵是使每個脈沖在加工時間內所有激光能量比材料受熱影響（或吸收熱）來得快，或者說，只要每個激光的加工時間快到只有激光束所聚焦的區(qū)域吸收能量，而相鄰區(qū)域來不及發(fā)生熱擴散，這樣的激光加工便可以得到十分優(yōu)美的高精度加工效果。實驗表明:采用飛（10～15）秒時間的激光脈沖是可以達到這種目的的[6]。

飛（10～15）秒激光脈沖的時間極短，是一種高能量、高方向性的電磁波，其波長通常是紫外、可見光、紅外的波段。因此這種極高強度和極短激光束所聚焦的材料區(qū)域能蒸發(fā)掉被沖擊的材料，由于極其快速加工而來不及進行熱擴散，所以不會影響激光束區(qū)域外的材料。這是因為高速激光能量沖擊部位的吸收能量比熱擴散響應更快，來不及進行熱擴散（熱擴散是通過電子、離子等與相鄰的表面之間的連續(xù)熱交換而產(chǎn)生的），所以采用飛秒（10～15）激光加工的區(qū)域界面處不會產(chǎn)生材料熔化、焦化、毛刺（結瘤）或熱影響區(qū)等現(xiàn)象，能夠精確地去除材料，并達到更高質量的產(chǎn)品，還可以加工成高質量的橢圓形孔、錐形孔、倒錐形孔等。圖5表示采用飛秒激光加工的孔（316 L不銹鋼材料）的情況，孔的直徑為200 μm，厚度為250 μm，該孔具有零錐度和具有平均粗糙度Ra＜0。1μm表面質量。圖6表示采用飛秒激光加工形成的橢圓形孔、錐形孔和倒錐形孔的高質量情況。

圖5 采用飛秒激光加工的孔（直徑為200μm，厚度為250μm）

圖6 采用飛秒激光加工的橢圓形孔、錐形孔和倒錐形孔的高質量情況

飛（10～15）秒激光脈沖除了上述的優(yōu)點外，所用的激光波長既可是紫外的激光波長，還可采用可見光激光波長或紅外激光的波長，只要具有飛秒級脈沖激光加工就行。而且這種飛秒激光加工的孔，其厚徑比是不受限制的。同時，只要激光源能夠提供每秒高到1百萬個脈沖的話，就可以實現(xiàn)非?？斓募庸ぁ＿@樣，就可以實現(xiàn)高生產(chǎn)量、高精度質量、低成本的激光加工效果。

參考資料

[1]Rajesh Patel, James Bovatsek, Ashwini Tamhankar(Spectra Physics公司). 高功率紫外激光的脈沖控制提升微加工的性能與質量[J]. 香港:激光世界,2013,7(4):16-21.

[2]Bill Shiner(IPG Phontonics公司). 光纖激光器為航空元件鉆孔提供新選擇[J]. 香港:激光世界, 2013,9(5):16-21.

[3]林金堵, 梁志立, 鄔寧彪等. 現(xiàn)代印制電路先進技術[M]. 中國印制電路行業(yè)協(xié)會CPCA, 上海:印制電路信息雜志社, 2013:99-108.

[4]Shibin Jiang(Advalue Photonics公司). 兩微米摻銩光纖激光器獲得19kW峰值功率[J]. 香港:激光世界,2013,3(2):16-21.

[5]林金堵, 梁志立, 鄔寧彪等. 現(xiàn)代印制電路先進技術[M]. 中國印制電路行業(yè)協(xié)會CPCA, 上海:印制電路信息雜志社, 2013:283-287.

[6]Raydiance公司. R-Drill與EDM的對比:更快,更干凈,成本更低的微加工解決方案[J]. 香港, 激光世界,2013,3(2):18-20.