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工具箱里的新技术

2019-03-11 00:00460
        用于微加工的皮秒激光器使得生产过程更可靠,许多工业相关材料基本上能够以非热效应方式进行快速切割。
        
        二十世纪九十年代早期,超短脉冲激光器就已实现
         了商业化。与具有代表性的热加工过程相比,这些脉冲能够更快的实现光物质相互作用过程。这就减小了热效应,提高了微加工的质量,避免了毛边,重铸,和热加工导致的微裂缝。
        脉宽为10 ps的Nd:YVO4 激光器可以对大部分的材料进行高质量的微加工,激光器的输出功率更高,光束质量更好,重复频率为几百kHz,更能符合工业微加工的要求。
        工业微加工应用中重要的激光参数包括了,脉冲能量,光斑大小,激光波长,以及脉冲控制过程的参数。基本的加工过程是,在焦斑处的一层薄的材料被烧蚀。当烧蚀过程接近烧蚀阈值时,可以得到更高的加工质量。此时,单个激光脉冲的烧蚀深度在几十个纳米的量级,所以能够提供高分辨率的加工过程。任何材料,如果需要进行三维微加工,都可以通过重叠和重复这个基本过程来完成,这里使用的是高脉冲重复频率的工业皮秒激光器。 图1 微型模具,由皮秒激光器RAPID加工。
        基本的烧蚀过程,其阈值(对于10ps的脉冲来说)在1 J/cm2数量级,范围在0.2J/cm2(金属)和几个J/cm2(玻璃和陶瓷)之间。能量密度由脉冲能量和光斑大小来控制。脉冲能量必须与光斑尺寸相匹配,从而满足1 J/cm2的阈值标准;对于微加工来说,直径为10 μm大约需要1 μJ的脉冲能量。
        接近阈值的比较缓和的烧蚀过程需要高重复频率来实现高平均功率和高产量实验结果表明,即使在平均功率不变的情况下,重复频率高,脉冲能量小,也能够以实现更高的烧蚀率。具有突发模式的激光更适合于进行烧蚀。
        使用更短波长的激光脉冲意味,脉冲能量转化率仅有50%,但是聚焦能力更好。 典型的情况是,1064 nm的激光可以用来加工金属,而其他的材料则可能需要使用532 或者355 nm的激光。
        使用的烧蚀率和功率决定了微加工业应用的生产量。大概的估计一下,一台8 W的激光器可以每分钟可以烧蚀1 mm3 的材料(钢)。对于其它材料来说,只要待加工的结构够浅,那么情况也类似;通常,加工整洁边缘的速度仅为0.1mm3 /min。
        这样的一台8 W激光器需要的费用约为15$/h。利用精确的烧蚀-去除过程来产生附加价值的应用,满足1mm3 -1min-0.25$的关系(对于一台8 W的皮秒激光器),因此所有的这些应用都潜在的得益于皮秒激光加工技术。
        
        应用实例
        皮秒激光器可以用来打孔,切割,以及加工特殊材料的薄层,来得到十分精细的孔,电极,接触层等等。在半导体工业中,它们被用于掩膜和测试板的生产。它们可以用来切割医疗用的支架,用来为喷墨打印机的喷嘴,或者燃料输入的喷嘴打孔。它们被用来生产具有完全相同小孔的过滤器。它们加工硬质合金刀片以及其他的硬金属工具,提高了产品质量,延长了使用寿命。皮秒激光脉冲可以被用来加工机械零件的表面,来减小摩擦,或者加工金属衍射光栅。它们能够得到完全一样的标记,加工用于半导体,太阳能,或者显示屏技术的薄层。 图2 SEM图像给出在钼
材料上的170μm的小孔
        金属微加工-不锈钢,铝,铜,黄铜,钼,钛,钨,和其他各种合金可以使用皮秒激光器进行切割,打孔,打磨,或者构型,准确率高,热效应小。这些材料的烧蚀阈值在0.2-0.5J/cm2范围。图1中为微型模具,加工条件是1 W, 500 kHz, 1064 nm,光斑大小20 μm。去除材料长2mm x 宽700μm x 深600μm,计算得到烧蚀率约为0.1mm3/min。
        图2给出了在厚度为的100μm钼泊上打的孔,直径170μm,使用了355 nm,0.55 W的激光;加工时间8 s。 图3 聚酰亚胺样品上,由
皮秒激光加工了三维图形
        圆形的几何外形,光滑的边缘,锥度很小,在SEM图片中没有观察到任何毛边或者重铸的痕迹。准确地去除材料也使得该激光能够加工盲孔,埋头孔,或者其它用户要求的曲边。纵横比较高的孔需要使用打孔用的光学装置。
        聚酰亚胺加工-使用紫外激光能够很好的切割聚酰亚胺薄片,但是三维的聚酰亚胺加工需要有非热烧蚀过程。使用皮秒激光器(见图3)进行加工,没有可见的熔融物质,毛边,或者重铸痕迹。这些聚酰亚胺里的盲孔是使用了300 mW,100 kHz的激光。 图4 硼硅酸盐玻璃上
加工了一条微型渠道。
        玻璃加工-用于生物医学,生物化学,传感器和MEMS设备精确的玻璃微结构可以使用激光来加工。图4给出了硼硅酸盐玻璃上得到的微型渠道,使用的是皮秒激光器(355nm,100mW, 光斑大小~15μm)

        Lumera RAPID公司生产的皮秒激光器被用来熔融玻璃,生产波导,微焊接玻璃。9无裂缝的微焊接,其速度高达100mm/s,使用的是1064 nm,0.7 W激光。
        硅加工- 将来,用于半导体和太阳能电池的很薄的圆晶(40μm)的切割会有切割的需要,这要求有很小的切口和高质量的边缘。皮秒激光器将可以用于这样的圆晶,而不会产生微裂缝。

图5 截面示意图说明,背向接触式
的太阳能电池的设计(未按比例)。
扩散区域的独立几何外形,接触的
网格以及设计紧凑的背面区域,
大大的提高了硅材料的品质。

        新的工业加工和设备
        在当地使用软件控制的激光光束能够很好的切割和改变材料中/外的薄层,这是的新的工业加工和设备成为可能。大规模的工业应用潜力是在太阳能技术方面。在光电工业的工程师们尝试着利用背向接触式太阳能电池设计与大规模生产技术相结合来提高成本效率,并且使用节约成本的Czochralski硅材料。
        这样的设计目标对设计的要求是,希望能够降低对载流寿命技术参数的严格要求。这个方面可以使用薄电池板,后背上画出紧凑的图案来实现。这里需要在100 nm的氧化硅或者氮化硅薄层上使用无接触且缓和的方式来加工出非常精细的结构,而且要求生产量高,质量好(对加工后得到的产品的影响最小)。高重复频率、高功率皮秒激光技术是很有潜力的方案。
        现在,大型喷墨打印机的喷墨头对单个喷墨嘴的寿命要求更高。因此,现在它们在钢片上使用皮秒激光器进行加工,而不是像从前一样,使用准分子激光器在聚酰亚胺树脂上加工。
        
        结论
        制造业工程师们工具箱中,皮秒激光器是工具之一。它们使得可靠的生产成为可能,这样的生产是基于对很多工业相关材料的快速非热效应去除(或者材料修整)。
        随着具有更高功率、更快重复频率的新型超短脉冲激光器进入市场,加工的可靠性将被进一步提高。可以预计,将有各种型号出现以匹配不同的应用场合。基于这些资源,工程师们将开发与工业相关的新加工技术,以及相应的科技设备和生产设备。

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