淺談高速激光微加工的重要性

李峰西，索海生，邢振宏，高凱，陳中莉

（濟(jì)南森峰科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

自激光加工技術(shù)出現(xiàn)以來，以其加工的精度高、無污染以及效率高等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛，發(fā)展也越來越迅速。由于激光的空間適應(yīng)性和時間適應(yīng)性非常好，且非常適合不同材質(zhì)、形狀和大小的各種類型材料，非常適合自動化加工處理。尤其是高速激光微加工技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，是現(xiàn)代高端電子制造業(yè)加工的主要方向。

1 高速激光微加工概述

高速激光微加工通常需要旋轉(zhuǎn)激光束以切割和加工超過激光束直徑的孔，該工藝一般通過高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鏡實現(xiàn)。轉(zhuǎn)鏡使用旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)以入射激光束為軸的通過平面透鏡旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)反射激光束切割加工的目的，通過調(diào)整平面透鏡與入射激光束的角度即可實現(xiàn)不同孔徑加工的目的。該種加工方式的結(jié)構(gòu)和原理較為簡單，且激光的能量損失小，具有一定的加工優(yōu)勢。但是由于在加工時，反射激光束不是以直角射入工件，而是有一定的傾斜角，因此加工后的孔徑內(nèi)表面為錐形面而非直孔，因此難以滿足實際需求，因此需要對其進(jìn)行一定的優(yōu)化。也可以通過使用楔形棱鏡的方式代替平面鏡，對入射激光束進(jìn)行反射，該工藝可以一定程度上改善錐形孔問題，但并不能完全避免。因此，在新階段，也有人應(yīng)用旋轉(zhuǎn)組合棱鏡進(jìn)行改進(jìn)。這種結(jié)構(gòu)是通過將兩個楔形棱鏡以斜面平行放置的方式對入射激光以軸線進(jìn)行反射，該結(jié)構(gòu)可以將激光束以直角射入加工件，因此避免了錐形孔的問題。但是也存在一定的缺點(diǎn)，即激光束經(jīng)過兩次反射，損失的能量較多，且對兩個楔形棱鏡以斜面平行調(diào)節(jié)較為困難。

2 高速激光微加工技術(shù)原理和特點(diǎn)

2.1 高速激光微加工技術(shù)原理

高速激光微加工是利用激光的高溫特性對物質(zhì)進(jìn)行加工的一種技術(shù)，可以進(jìn)行切割、焊接、打孔、表面微加工等工藝。作為現(xiàn)代高端加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，可以有效提高加工的質(zhì)量、精度、自動化程度，并且可以減少污染、節(jié)約材料損耗、降低勞動力消耗以及降低加工成本。由于高速激光微加工技術(shù)易于使用，具有能量密度高、加工對象范圍廣的特點(diǎn)，因此已經(jīng)在多個行業(yè)普及應(yīng)用。在高速激光微加工過程中需要通過激光束與材質(zhì)表明的相對運(yùn)動完成加工工藝。在激光加工中，照射高能量密度的激光束的目的是使材料熔化，從而防止氣化、切斷和焊接等問題。最初的激光加工主要用于低功率微焊接，具體的焦點(diǎn)是高強(qiáng)度的激光輸出，使用激光透鏡進(jìn)行聚焦，氣溫可達(dá)100000攝氏度，任何材料都可以熔化并立即蒸發(fā)，達(dá)到開孔和切割的目的，激光加工技術(shù)通常用于焊接材料以達(dá)到產(chǎn)生光能的熱效應(yīng)。

2.2 高速激光微加工技術(shù)特點(diǎn)

高速激光加工技術(shù)使我們的生活變得非常美好，與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有太多優(yōu)勢?，F(xiàn)在已被廣泛使用，并且很容易適應(yīng)新產(chǎn)品，已經(jīng)成為社會的主流加工技術(shù)之一。如今，越來越多的企業(yè)開始采用高速激光微加工技術(shù)，因為它涵蓋了光學(xué)、機(jī)械、電子、材料和其他學(xué)科。高速激光微加工技術(shù)的工作環(huán)境非常簡單，適應(yīng)性非常高只需激光器可以正常工作即可應(yīng)用，不需要其他設(shè)備和材料即可實現(xiàn)長期連續(xù)加工的目標(biāo)，而且自動化程度高，人工干預(yù)要求低，可以在計算機(jī)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用與數(shù)控加工領(lǐng)域，非常方便。主要有如下特點(diǎn)：

（1）高速激光微加工效率高：由于激光束的能量密度非常高且熱影響區(qū)很小，因此加工效率非常高，可以實現(xiàn)對各類材料進(jìn)行加工的目的。

（2）無須機(jī)械接觸：使用高速激光微加工，不需要直接接觸被加工材料，且無須機(jī)械作用，因此可以有效提高材料的利用率，降低材料損耗，也因此，導(dǎo)致的加工廢物較少，污染降低，對環(huán)境的影響低。

（3）激光直寫：激光直寫技術(shù)可以克服傳統(tǒng)加工模板的局限性，并且可以基于加成法和減成法以統(tǒng)一的方式完成加工。高速激光微加工技術(shù)的技術(shù)集成度非常高，特別適合小尺寸集成電路的生產(chǎn)、批量和快速試生產(chǎn)的要求。

（4）激光技術(shù)與計算機(jī)集成系統(tǒng)的結(jié)合：通過將高速激光微加工技術(shù)與集成的計算機(jī)制造系統(tǒng)相結(jié)合，可以確保加工更加準(zhǔn)確，還可以確保高速激光微加工技術(shù)易于導(dǎo)向和聚焦，從而使用戶可以頻繁地更改不同的加工方式以適應(yīng)加工要求。

3 高速激光微加工的優(yōu)化

由于實際應(yīng)用中激光微加工存在一些缺陷，需要對轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以提高高速微加工的效率和質(zhì)量。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)主要包括光學(xué)鏡、鏡筒及其支承旋轉(zhuǎn)裝置。光學(xué)鏡是可以透射所使用的激光的平面透鏡，例如平面石英透鏡、平面水晶透鏡等，由兩根同軸線的支承軸夾持透鏡，并且兩個支撐軸分別組裝在旋轉(zhuǎn)鏡筒壁上的同軸線孔，形成平面透鏡的回轉(zhuǎn)軸承；用于調(diào)節(jié)角度的旋轉(zhuǎn)桿活動地連接至平板透鏡支架，并且桿的另一端延伸至鏡筒壁的外部。在桿的外圓形表面上設(shè)有螺紋，該螺紋與圓形鏡筒的壁中的孔的內(nèi)螺紋重合。新型的高速激光微加工轉(zhuǎn)鏡裝置，可以根據(jù)激光加工過程中的需要調(diào)節(jié)平面透鏡的角度。當(dāng)激光束的軸和平面透鏡的入射平面不垂直穿過平面透鏡并撞擊工件表面時，此時可通過平面透鏡的功能使入射光束的軸平移并且方向保持不變，使激光束的軸垂直于工件的表面，由于加工而成的孔也為直孔，且由于采用平面透鏡其能量損失較小。如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)

4 高速激光微加工技術(shù)的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代社會越來越重視精密儀器，越來越多的電子工業(yè)產(chǎn)品正朝著小型化和精密化發(fā)展。例如，現(xiàn)代手機(jī)的集成電路結(jié)構(gòu)密布超過上千條電路。提高封裝芯片水平的關(guān)鍵在于在不同電路之間實現(xiàn)微型過孔加工，微型過孔之間的不僅可以提供高速連接，而且可以減小封裝面積。隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的需求越來越大，應(yīng)用越來越廣，高速激光微加工的應(yīng)用范圍也越來越大。現(xiàn)階段高速激光微加工主要有以下應(yīng)用。

4.1 激光微調(diào)

使用激光束聚焦獲得所需的能量密度并通過控制汽化選擇的材料部分，以便進(jìn)一步確保電子器件的制造精度，即為激光微調(diào)技術(shù)。激光微調(diào)廣泛用于調(diào)整電阻器、電容器。石英晶體、集成電路等，可以實現(xiàn)精密加工的目的，且對周圍結(jié)構(gòu)的影響較小，能量消耗低，且不會導(dǎo)致環(huán)境污染，是高速激光微加工的常用加工方式之一。相比其他的加工方式，激光微調(diào)的優(yōu)勢非常突出，且融合了多個學(xué)科的知識，如光學(xué)、電子學(xué)等，且隨著技術(shù)的發(fā)展，可以與信息技術(shù)進(jìn)行融合，從而越來越智能自動化，加工效率也越來越高。

4.2 激光打孔

激光打孔是高速激光微加工最常用的加工方式之一，比如，激光打孔最常見的應(yīng)用是各類銀行卡中的IC芯片封裝，此外，還有多層電路板的過孔加工等。相比其他打孔方式，激光打孔技術(shù)成本更低，且靈活性和適應(yīng)性較強(qiáng)，現(xiàn)階段已成為主要的打孔技術(shù)。

4.3 激光清洗

現(xiàn)階段有兩種主要的激光清洗機(jī)制。（1）激光能量被周圍的顆粒和清洗劑吸收，導(dǎo)致清洗劑迅速加熱并爆炸性蒸發(fā)，因此可以直接沖洗材料表面上的顆粒以達(dá)到清洗目的。（2）不需要清洗劑，而僅需要激光照射材料表面。激光吸收的能量產(chǎn)生熱量，將顆粒從表面沖走。此方法需要高精度激光，也被稱為干激光清洗方法。而且，隨著集成電路的密度的不斷提高，如果制造過程中被微粒污染，將導(dǎo)致嚴(yán)重的材料短缺。傳統(tǒng)的化學(xué)清洗方法、機(jī)械清洗方法和超聲清洗方法對處理材料表面的微粒效果不佳，且易造成材料損壞。激光清洗方法能夠以非研磨、非接觸和非熱的方式清洗多種材料，從而有效地從材料表面清除小顆粒，而不會導(dǎo)致模板的破裂。因此，進(jìn)行激光清洗是目前最有效、最安全的方法。

5 結(jié)語

由于高速激光微加工具有的應(yīng)用優(yōu)勢，世界各國對它的興趣日益濃厚。許多國家在研究高速激光微加工技術(shù)上投入了大量的人力和物力，許多研究機(jī)構(gòu)正在不斷創(chuàng)新并努力突破一些技術(shù)瓶頸。

高速激光微加工技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，但仍然面臨著一些亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。如何更好地將高速激光微加工技術(shù)集成到生活加工應(yīng)用的各個領(lǐng)域，以及如何快速廉價地實現(xiàn)加工目的，是廣泛使用高速激光微加工技術(shù)的先決條件。本文簡單介紹了高速激光微加工以及其優(yōu)化研究，以期為相關(guān)應(yīng)用提供參考。