激光光束特有的非接觸式、局域化的熱量輸入方式使得激光成為(wei) 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、鑽孔，都是利用高強度的脈衝(chong) 激光對材料進行輻照，使得材料蒸發，從(cong) 而實現材料的移除。

到目前為(wei) 止，在這項技術應用中，主要的困難在於(yu) 加工過程中材料碎屑的形成。這些碎屑是由於(yu) 蒸汽過度冷卻、凝固形成的，一些是在材料表麵凝固形成的，一些是在氣體(ti) 中經過與(yu) 空氣中氣體(ti) 分子的碰撞而形成的。這些蒸汽起初向外發射，但是最後，大部分的蒸汽都變成了碎屑，散布在燒蝕圖樣表麵附近和刻槽內(nei) （如圖1）。它們(men) 的傳(chuan) 播速度高達每秒幾千米。

碎屑的形成破壞了零件的外觀和性能。它也降低了燒蝕效率，因為(wei) 前一次留下來的碎屑可能擋住下一次掃描時激光光束傳(chuan) 播的路徑。最近的研究已經顯示了皮秒和飛秒激光器在加工精細結構上的優(you) 勢，它們(men) 加工的材料非常幹淨，這是由於(yu) 激光具有超短脈衝(chong) 寬度。然而，其加工速度還遠遠達不到工業(ye) 上的要求。

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麵，以收集碎屑顆粒。工業(ye) 上最常見的包覆層式是聚乙烯醇（A）。發膠以及其他皂溶液也可以被用在研發中。切割後，可以用標準的高壓水清潔方式將該覆層清洗掉 （如圖2）。

“夾心”式打孔——所謂的“夾心”式打孔能夠避免在激光打孔中毛刺和碎屑的形成。薄的蓋片覆蓋在材料的表麵，正對著入射的激光。這個(ge) 蓋片能收集打孔過程中的蒸汽和熔融的沉積物。它起到了掩膜的作用，阻擋了一部分激光的入射。這導致激光能量不足以使材料完全氣化；光強在材料底部產(chan) 生的熱量僅(jin) 僅(jin) 融化或者加熱了材料，這就影響了小孔的加工品質。後向的片子蓋住材料的另一麵，它在小孔出處阻止碎屑和渣滓的沉積。

圖3和圖4給出了由“夾心”式打孔得到的小孔。這裏所使用的調Q 355 nm紫外激光器，其脈衝(chong) 能量高達100 mJ。在不鏽鋼和鎳材料上得到的小孔都非常幹淨。與(yu) 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一些碎屑。

使用焦斑處具有固定光強分布的激光來進行切割 ——在許多的切割應用中，平頂光強分布更有利。準平頂分布可以簡單地通過在離焦點不遠的地方把外緣的激光擋住來實現。圖5給出了多次掃描切割的結果表麵。這裏使用了燈泵浦的532 nm的綠色脈衝(chong) 激光對280 m厚的晶片進行切割。利用這些技術，能夠大大減少熔融時的邊緣效應以及毛刺與(yu) 碎屑的形成。

以快速流動的水製薄膜輔助微加工——我們(men) 已經觀察到通過蒸汽噴嘴或者液體(ti) 薄膜來輔助加工，材料表麵更加幹淨。主要的問題在於(yu) 操作的間斷性。由於(yu) 水膜被激光破壞，所以水汽四散，液體(ti) 大麵積地向外噴射，這就可能汙染聚焦透鏡。

根據這些經驗，小型的注射器式噴嘴被用於(yu) 在整個(ge) 輻照表麵產(chan) 生很薄的流動液體(ti) 薄膜。因為(wei) 膜很薄，所以流動很快（大於(yu) 1 m/s）。這樣就避免了液體(ti) 薄膜中產(chan) 生等離子體(ti) 和泡沫。而所燒蝕的材料，以及切口內(nei) 的殘餘(yu) ，被有效地清除。噴嘴可以被固定下來，這項技術可用於(yu) 不同的激光波長，從(cong) 355到1064 nm。每次的試驗過後都能夠觀察到明顯的進步。比如，我們(men) 可以對280m厚的矽晶片進行穿孔，在激光掃描次數與(yu) 幹切相同的情況下，濕切所得的切口更為(wei) 幹淨（如圖6）。在銅和鋁上的切割和刻線也得到了類似的結果。

激光在矽晶片上會(hui) 引起材料透光和爆發沸騰等現象——這是因為(wei) 液態矽可在正常沸點上繼續被加熱，而導致材料過熱，此時材料對某些波長完全透明。亞(ya) 穩態矽的存在是因為(wei) 利用納秒激光器進行微加工時，固-液交界缺少成核位置。過熱矽材料從(cong) 液態金屬變成透明的液體(ti) 電介質材料時因為(wei) 液態金屬中電子密度的大幅度降低。材料電介質常數的忽然降低導致透明液態矽的折射率大大減小。

通過對355 nm的調Q固態激光器的脈衝(chong) 參數進行控製，我們(men) 觀察到這個(ge) 激光引發的材料透明現象。我們(men) 能夠在僅(jin) 掃描一次的情況下就完全打穿280m厚的矽晶片。通常，這樣的矽晶片需要多次掃描才能打穿，而且加工過程將在材料表麵留下無數的碎屑。去除材料的機製必須采用在過熱液態矽表麵形成蒸汽氣泡的原理，因為(wei) 這裏材料不會(hui) 噴射到輻照表麵，而是在矽晶片的底部（也就是光束的出口處，如圖7）。也就是所謂的兩(liang) 相爆轟過程，這個(ge) 過程能帶來很高的輸出，切割後的表麵也非常幹淨。
 

這裏所談到的幾項不同技術都相對比較容易使用。為(wei) 了得到高質量的微加工結果，激光器用戶單單關(guan) 注如何選擇合適的激光和激光參數是不夠的。用戶還必須考慮這裏所介紹的幾項技術，以減少碎屑、重鑄、毛刺和熱損傷(shang) 的出現。
 

作者Tuan Anh Mai是加拿大KJ激光微加工公司的負責人，公司位於(yu) 加拿大安大略省多倫(lun) 多市。該公司隸屬於(yu) KJ市場服務集團。