飛秒激光鉆孔

林金堵

本刊名譽(yù)主編 吳梅珠

（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

激光技術(shù)是21世紀(jì)最重要的科學(xué)技術(shù)之一，它將點(diǎn)亮21世紀(jì)制造技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)革命之光!而激光技術(shù)的應(yīng)用范圍很多，幾乎涉及所有的工業(yè)或領(lǐng)域.僅在印制電路板制造中就有鉆盲孔、鉆通孔、PCB拼版分割、激光直接刻圖（像）、仿形、修復(fù)、外形加工（切邊等）、打標(biāo)靶和裁切等。

我們在本刊2014年第一期[1]發(fā)表了《精細(xì)微孔的激光加工的發(fā)展》一文，介紹了激光鉆微孔的發(fā)展并指出：在傳統(tǒng)激光（紅外和紫外）鉆孔基礎(chǔ)上，要改進(jìn)孔的質(zhì)量和生產(chǎn)率，可通過軟件調(diào)整激光參數(shù)、采用光纖激光技術(shù)和飛（10-15）秒激光技術(shù)來達(dá)到目的，而飛（10-15）秒激光技術(shù)可獲得最佳的效果。本文是進(jìn)一步介紹飛（10-15）秒激光鉆孔的優(yōu)勢原因和應(yīng)用情況。

1 飛秒激光加工的優(yōu)勢

當(dāng)激光加工的脈沖寬度（沖擊時(shí)間）短到飛（10-15）秒級(jí)激光脈沖加工時(shí)，每個(gè)飛（10-15）秒激光脈沖聚焦到被加工的工件上，由于飛秒脈沖頻率極高，每次汽化（蝕刻）物質(zhì)量少，并極快離開，正是這個(gè)過程時(shí)間極短（飛秒級(jí)），頻率極高，因此，汽化物質(zhì)與周圍物質(zhì)的“熱”交換都來不及，所以不會(huì)影響其周邊的物質(zhì)，即對周圍區(qū)域物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生融化、氧化、毛刺等的“熱影響區(qū)（HAZ）”，從而達(dá)到精確地除去該除去的物質(zhì)區(qū)域.不會(huì)像過去采用微（10-6）秒（或納秒）級(jí)激光加工或機(jī)械鉆孔那樣，會(huì)產(chǎn)生融化、毛刺、鉆污、變形等“熱損傷區(qū)（HDZ）”和表面粗糙度大（Ra≥10 mm）等問題，從而實(shí)現(xiàn)精確（準(zhǔn)）的加工效果！

現(xiàn)在以孔加工為例來解釋和說明問題。大家知道，傳統(tǒng)的PCB機(jī)械鉆孔，其鉆孔轉(zhuǎn)速從開始的幾千轉(zhuǎn)/分發(fā)展到20萬轉(zhuǎn)/分（報(bào)道過最高可達(dá)35萬轉(zhuǎn)/分）左右。由于機(jī)械鉆孔是連續(xù)性的切割與排屑過程，必然產(chǎn)生鉆孔的質(zhì)量問題：進(jìn)鉆與退鉆時(shí)而帶來毛刺；高速旋轉(zhuǎn)摩擦引起熱熔樹脂而形成鉆污;鉆刀高速切割而形成不同程度的孔壁粗糙度（隨著鉆孔的減小，粗糙度要求從50 mm下降到10 mm左右）；鉆刃磨損帶來尺寸變更和其他缺陷（如可能產(chǎn)生分層等）。這些問題和缺陷都會(huì)給PCB制造過程和產(chǎn)品質(zhì)量等帶來加工困難與問題，特別是在高密度化和信號(hào)高頻化（或高速數(shù)字化）的應(yīng)用場合。

而在傳統(tǒng)激光加工過程[2]， 激光光源是一種（束）非常強(qiáng)和高度導(dǎo)（定）向性的電磁波，其波長大多在紫外、可見光和紅外的范圍（一般采用波長為0.2 mm ～ 2 mm之間）內(nèi)，而激光束照射（或激光脈沖）時(shí)間是有限定的（見表1所示）。當(dāng)強(qiáng)大的激光束照射到物質(zhì)的表面時(shí)，物質(zhì)中的電子會(huì)吸收電磁波而加速運(yùn)動(dòng)，并與其它電子或離子發(fā)生激烈碰撞。這些激光碰撞便會(huì)迅速加熱，直到被光束照射的區(qū)域產(chǎn)生熔化、汽化和離子化，從而除去所希望的物質(zhì)而形成孔洞。在這個(gè)碰撞和熔化等的過程中，如果激光束照射（或激光脈沖）時(shí)間長，即當(dāng)這些激光脈沖碰撞時(shí)間長（如大于皮秒級(jí)、特別是微秒級(jí)和納秒級(jí)）或激光沖擊每秒少于100萬次時(shí)，就有很多熱量被傳導(dǎo)和擴(kuò)散到周圍區(qū)域，形成“熱影響區(qū)”，其厚度可從幾十微米到幾百微米，而在這個(gè)“熱影響區(qū)”厚度及其周圍區(qū)域的界面處能形成熱損傷或破壞（如熔化、變形、起皺粗糙、裂縫或分層等），為了消除這些缺陷和問題，往往要采用后續(xù)處理（如研磨、微蝕刻、清洗等措施）才行，否則會(huì)帶來產(chǎn)品質(zhì)量、使用壽命問題。

但是，當(dāng)強(qiáng)大的激光脈沖沖擊的時(shí)間短到幾百飛秒或更短的激光脈沖沖擊時(shí)、或每秒內(nèi)多于100萬次激光脈沖時(shí)，由于碰撞（沖擊）時(shí)間極短并極快地去除所碰撞材料外，幾乎來不及或不可能進(jìn)行熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)的發(fā)生，或者說，物質(zhì)的熱擴(kuò)散或熱傳導(dǎo)是需要一定時(shí)間（一般在皮秒級(jí)以內(nèi)）的，只有當(dāng)激光脈沖的沖擊時(shí)間短于所加工材料要求的熱擴(kuò)散時(shí)間或熱傳導(dǎo)時(shí)間的情況下，當(dāng)然就可以避免產(chǎn)生和存在“熱影響區(qū)”的熱破壞問題。

僅從上述便可得知，飛（10-15）秒激光的最重要特征：（1）可進(jìn)行精確（準(zhǔn)）和高品質(zhì)加工，簡化或免除后繼處理，由于飛（10-15）秒激光脈沖僅精確（準(zhǔn)）除去物質(zhì)，所以加工的表面（如孔壁）平均粗糙度可達(dá)到小于0.1 mm；（2）不會(huì)形成“熱損傷區(qū)”所帶來的缺陷，由于激光脈沖寬度非常短（或脈沖頻率非常高），是處在幾十或數(shù)百飛（10-15）秒時(shí)間，在這樣高速激光脈沖碰撞下，除去物質(zhì)（材料）的時(shí)間遠(yuǎn)小于發(fā)生熱傳導(dǎo)（或熱擴(kuò)散）所需要時(shí)間（即金屬的熱傳導(dǎo)時(shí)間是在幾皮秒之內(nèi)存在，而在飛秒的激光脈沖打擊時(shí)間，不存在熱傳導(dǎo)或熱擴(kuò)散問題），因此不會(huì)發(fā)生“熱損傷區(qū)”，從而可獲得完美（整）而清潔的加工表面；（3）可高功率進(jìn)行高生產(chǎn)率生產(chǎn)，一般要采用5 W ～ 100 W或更高的功率（目前，其峰值可達(dá)1 mW左右[3]），就可以達(dá)到高精確（準(zhǔn)）尺寸、高品質(zhì)地加工的同時(shí)而達(dá)到高的生產(chǎn)效率。其他的優(yōu)勢見下面各節(jié)的說明或補(bǔ)充。

2 飛秒激光在印制板上鉆微孔等的應(yīng)用

21世紀(jì)以來，PCB明顯而加快地向高密度化和多功能化為特征的方向發(fā)展，如印制板的線寬/間距（L/S）已經(jīng)開始走向小于20 mm（我國已有生產(chǎn)15 mm的產(chǎn)品）的水平，而要求導(dǎo)通孔的尺寸將在f50 mm以下，而要求其加工精確（準(zhǔn)）度應(yīng)在±1 mm左右，這種發(fā)展趨勢還會(huì)持續(xù)和加速下去!因此，只有采用飛（10-15）秒激光技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，更由于飛（10-15）秒激光技術(shù)的孔加工已走向成熟（包括成本低等），加上傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔和激光鉆孔存在著難于克服的缺陷，使飛秒激光技術(shù)在PCB中的應(yīng)用前景必將迅速加快!

2.1 機(jī)械鉆孔

對于微小尺寸的導(dǎo)通孔來說，繼續(xù)采用機(jī)械鉆孔十分困難，從產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本等方面看，實(shí)際上已走到傳統(tǒng)制造的“極限”，繼續(xù)走下去是不可能的或不切實(shí)際的，因?yàn)榧词鼓軌虺晒C(jī)械鉆孔，的確存在兩大問題：（1）是孔內(nèi)表面粗糙度很難達(dá)到高頻信號(hào)或高速數(shù)字化的（信號(hào)傳輸完整度）要求；（2）需要更高的轉(zhuǎn)速及其相應(yīng)的微小鉆頭，操作難度（包括質(zhì)量控制與檢驗(yàn)）和成本等角度看，也是很難繼續(xù)維持下去的。

表1 時(shí)間及其表示因子

2.2 傳統(tǒng)激光鉆孔

采用傳統(tǒng)的激光鉆（蝕）孔，前面已經(jīng)分析過了，由于激光脈沖寬，激光脈沖沖擊時(shí)持續(xù)時(shí)間長，其激光脈沖寬度大多數(shù)都在納（10-9）秒級(jí)，遠(yuǎn)大于熱擴(kuò)散或傳導(dǎo)所需要的時(shí)間，因此會(huì)造成對周圍區(qū)域進(jìn)行熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo) 必然會(huì)形成“熱影響區(qū)”而帶來加工孔的熱損傷而形成的缺陷和質(zhì)量（可靠性）問題。這個(gè)問題將隨著印制板的高密度（特別是微小孔）化的發(fā)展而嚴(yán)重化，科技的發(fā)展已使傳統(tǒng)的激光加工的技術(shù)開始受到新的挑戰(zhàn)，因此傳統(tǒng)激光鉆孔必須改革和創(chuàng)新!

2.3 飛秒激光鉆孔

由于飛秒激光每次加工時(shí)間非常短，遠(yuǎn)小于熱擴(kuò)散或熱傳導(dǎo)所需要的時(shí)間，因而飛（10-15）秒激光鉆孔不會(huì)存在著對周圍區(qū)域熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)的現(xiàn)象，便可得到完美而清潔的導(dǎo)通孔，這是十分理想的孔加工，應(yīng)該是今后加工孔的發(fā)展主題.其主要優(yōu)點(diǎn)有：

2.3.1 孔周圍不存在熱影響區(qū)

飛秒激光加工能夠極好地除去規(guī)定（界定）的材料，而留下的加工界面處是沒有受到熱損傷的表面，極大地改善孔壁表面性能.如采用波長為1552 nm、平均功率5 W、700 fs（飛秒）、重復(fù)頻率100 kHz的飛秒激光加工的孔達(dá)到十分完美的程度，其表面平均粗糙度Ra≤0.1 mm，不會(huì)存在著熱損傷所帶來的缺陷和問題。

2.3.2 飛秒激光加工孔的準(zhǔn)確度和精確度高

大家知道，精細(xì)度高的孔（特別是孔壁或內(nèi)表面）對孔內(nèi)液體流動(dòng)和形成的導(dǎo)電層性能起著決定性的作用?？變?nèi)粗糙度越大，孔壁（表面）與新鮮液體交換越困難，因而增加孔內(nèi)清潔和導(dǎo)電層沉積的難度。而采用飛秒加工的孔，其粗糙度可達(dá)到Ra≤0.1 mm，這是機(jī)械鉆孔和傳統(tǒng)激光鉆孔等無法達(dá)到的，因而可得到極好的性能.同時(shí)， 飛秒激光加工孔的準(zhǔn)確（定位）度和精確度比傳統(tǒng)激光加工高10倍以上，比機(jī)械鉆孔高百倍之多。

2.3.3 孔的一致性好

飛秒激光加工的這些完整而清潔的孔，其圓度、圓柱度、錐度和粗糙度等都達(dá)到高度的一致性的效果，加上孔與孔的位置度和狀態(tài)的偏差可達(dá)到小于1%。這也是機(jī)械鉆孔和傳統(tǒng)激光鉆孔等技術(shù)無法達(dá)到的。

以上所提到的飛秒激光鉆孔等加工的優(yōu)點(diǎn)，特別是不會(huì)形成“熱損傷區(qū)（HDZ）”和提供高精細(xì)（低粗糙度）加工界面，無疑是PCB高密度化、信號(hào)高頻化和多功能化等所要求的微小孔加工的需求和發(fā)展方向， 飛秒激光加工技術(shù)必將給PCB制造帶來創(chuàng)新并走上高品質(zhì)信號(hào)傳輸?shù)男碌燃?jí)和發(fā)展!

3 飛秒激光鉆微孔在汽車等工業(yè)上的應(yīng)用

長期以來，我們的地球環(huán)境污染越來越嚴(yán)重化，而汽車等的燃料及其形成的尾氣是形成地球污染的最重要的成因之一，在大城市中，汽車尾氣的污染已占大氣污染中的70%，這些污染給地球帶來的氣候異常越來越突出。因此提高汽車等燃料燃燒效率和減少廢氣排放已擺在人類面前的突出挑戰(zhàn)！

擺在汽車等用能源面前的出路：（1）采用新能源，如太陽能、核能等，但從技術(shù)和應(yīng)用上還需要時(shí)日；（2）制造創(chuàng)新，使現(xiàn)在的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)獲得走更多的路程（在相同燃料量下）[3]。在后者的研究中發(fā)現(xiàn)，通過更好地控制燃油直接噴射器（GDI）的噴霧形狀、油滴大小、燃油濃度等，將對發(fā)動(dòng)機(jī)效率產(chǎn)生重大影響，能夠提升其性能高達(dá)30%！要達(dá)到這樣的目標(biāo)：（1）噴射微孔的精細(xì)加工方面的創(chuàng)新；（2）燃油與空氣混合方法的改進(jìn)。

3.1 現(xiàn)行噴射孔的加工

噴射微孔（孔徑大多數(shù)在100 mm左右）的品質(zhì)在汽車行業(yè)和飛機(jī)工業(yè)等的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒應(yīng)用上也是極為重要的。

現(xiàn)行汽車的燃料噴射孔的加工方法主要有：（1）機(jī)械鉆孔或沖孔；（2）電火花加工（EDM）孔；（3）傳統(tǒng)的激光鉆孔。

采用機(jī)械鉆孔或沖孔、電火花加工（EDM）孔或傳統(tǒng)的激光鉆孔方法，都存在孔壁粗糙度、錐形度、孔壁熱損傷度等不同程度的問題，引起燃?xì)猓ㄈ加团c空氣）的混合（燃油濃度或沒匹配）噴射均勻性差、產(chǎn)生燃燒效率和大氣污染的問題。

3.2 新的飛（10-15）秒激光加工噴射孔

由于飛（10-15）秒激光脈沖時(shí)間（脈沖寬度）是在幾十到幾百飛秒之間，在鉆孔除去物質(zhì)時(shí)間遠(yuǎn)小于向周圍物質(zhì)傳（導(dǎo)）熱所需要的時(shí)間，因此不存在著“熱損傷區(qū)”，從而就不會(huì)形成“熔化”、“變形”等缺陷的表面，形成的孔壁是極其完整而光潔的。采用飛（10-15）秒激光脈沖加工的孔壁平均粗糙度Ra可容易地達(dá)到0.1 mm，而孔與孔之間的變化率小于1%。

例，采用飛秒激光器在250 mm厚度的316L不銹鋼中加工孔徑為200 mm的典型孔，加工出來的孔可達(dá)到無錐度、不存在“熱損傷區(qū)”，平均孔壁表面粗糙度≤0.1 mm的水平，這些完整和清潔的孔無需后續(xù)附加（清潔和檢修）處理，可直接使用或進(jìn)入其他項(xiàng)目加工。

正是由于飛（10-15）秒激光加工孔達(dá)到很低平均粗糙度、很好的完整性。同時(shí)，這些清潔的孔的圓度、圓柱度、錐度和粗糙度等都達(dá)到高度的一致性.這些條件可使燃?xì)庠趪娚溥^程中減少或避免燃油在孔壁上的阻力與滯流等，獲得更均勻地噴射速度（孔壁阻力小，即使靠近孔壁，其流體流速也與中心處差別?。谷剂希ㄈ加停┤紵耆?燃燒效率可明顯提高，尾氣排放也減少!

表2 各種孔加工方法的燃燒效果

3.3 燃油與空氣混合方法的改進(jìn)

從目前的汽車燃?xì)猓ㄈ加团c空氣混合方法）燃燒有兩大類型：（1）進(jìn)氣式燃油噴射器（PFI）的傳統(tǒng)燃燒方法；（2）燃油直接噴射器（GDI）的燃燒方法.由于后者優(yōu)勢多，目前正迅速地由進(jìn)氣式燃油噴射器（PFI）燃燒方法向燃油直接噴射器（GDI）的燃燒方法轉(zhuǎn)變。

燃油直接噴射器（GDI）的燃燒方法，加上采用飛（10-15）秒激光加工的噴嘴（噴射孔），不僅使燃油充分霧化而均勻，而且達(dá)到燃料濃度較稀薄而得到充分（完全）燃燒，從而達(dá)到既發(fā)揮最大燃燒效率而增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率，又獲得減少發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排放帶來的污染!更重要地是采用這些措施可明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，這在航空和航天中要求大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)上有著廣闊的用途！

參考資料

[1]林金堵,吳梅珠. 精細(xì)微孔的激光加工的發(fā)展[J].印制電路信息, 2014,(1):26-29.

[2]林金堵,梁志立,鄔寧彪等. 現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù)[M]. 上海:中國印制電路行業(yè)協(xié)會(huì)CPCA,上海:印制電路信息雜志社, 2013: 865-112(上冊).

[3]Michael Mielke. 飛秒加工提高汽車燃油效率[J].激光世界, 2014(1):26-28.