皮秒激光氧化鋁陶瓷微孔加工工藝*

杜大明，曹明軒，甘宏海，吳勇華，王 穎，王 敏，劉 浩，袁銘輝

(1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529000；2.廣東粵港澳大灣區(qū)硬科技創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510000；3.香港科技大學(xué) 機械及航空航天工程系，香港 999077)

氧化鋁(Al2O3)陶瓷是常見的電子陶瓷基板材料，屬于難加工的硬脆性材料[1-2]。陶瓷材料硬度高，耐磨性好。傳統(tǒng)磨削加工過程存在溫度升高、切削力大、加工成本高、砂輪磨損嚴重等問題，在一定程度上限制了陶瓷材料的發(fā)展與應(yīng)用。激光陶瓷微加工具有非接觸、熱影響小、效率高等優(yōu)點[3-5]，這種加工方式可以有效避免刀具磨損和對工件施加切削力[6-8]。激光加工已逐漸成為一種重要的陶瓷加工方法。

短脈沖(毫秒、納秒)激光和超短脈沖(皮秒、飛秒)激光在陶瓷加工中已被廣泛研究。毫秒激光在陶瓷上鉆孔過程中熱效應(yīng)明顯，孔周邊的飛濺和孔側(cè)壁表面的重鑄層嚴重，厚度達幾十微米[9-11]。Zhang等[12]在氧化鋁陶瓷上進行毫秒級激光鉆孔試驗發(fā)現(xiàn)，激光脈沖寬度越長或重復(fù)頻率越高，越容易形成裂紋，裂紋的長度也越長。通過降低脈沖占空比、增加冷卻氣體壓力和散焦，可以有效降低熱影響區(qū)的拉應(yīng)力和裂紋長度。Xie等[13]在研究納秒激光加工氮化鋁陶瓷的過程中發(fā)現(xiàn)，當激光能量高到足以破壞材料的化學(xué)鍵時，會發(fā)生光化學(xué)燒蝕，有效避免了熱作用引起的氧化和碳化，但是毫秒和納秒激光加工后的孔壁上仍有重鑄層，需要化學(xué)刻蝕等后處理去除[14]。隨著日益增長的精密加工需求，超短脈沖激光加工成為了陶瓷精密加工領(lǐng)域的研究熱點。Narazaki等利用脈沖寬度可調(diào)的激光器(0.4～400 ps)，對不同熱導(dǎo)率的陶瓷材料進行了微孔加工試驗，發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)熱陶瓷的熱影響區(qū)大小與激光脈沖寬度存在顯著的關(guān)聯(lián)性，而低導(dǎo)熱陶瓷則沒有類似的關(guān)聯(lián)性，不存在“冷加工”窗口[15]。Kim等[16]和Perrie等[17]研究了氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷的飛秒激光燒蝕過程，得出燒蝕前后陶瓷材料的特性似乎保持不變的結(jié)論。進一步研究發(fā)現(xiàn)，飛秒激光加工所產(chǎn)生的碎片主要由直徑為20 nm～1 μm、平均直徑為300 nm的氧化鋁單晶納米顆粒組成。與短脈沖激光加工[18-19]的熱作用材料去除機制相比，超快激光的加工機制主要基于光化學(xué)效應(yīng)、多光子吸收[20]以及光電離和碰撞電離[21]，這顯著降低了熱影響。盡管如此，飛秒激光加工仍然不可避免地產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致基材出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象[22]。而且，關(guān)于超快激光陶瓷微孔加工的報道多以飛秒激光器作為輻射源。飛秒激光器的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，造價較高，且長期工作穩(wěn)定性仍需進一步優(yōu)化；而皮秒激光器造價低，穩(wěn)定性好，已在硬脆材料微加工領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。

本文以氧化鋁陶瓷作為試驗對象，采用皮秒脈沖激光結(jié)合環(huán)切加工的方式，系統(tǒng)研究了激光功率、離焦量和掃描速度對微孔質(zhì)量(錐度、熱影響區(qū)、重鑄層)的影響規(guī)律，通過微觀圖像討論了激光加工氧化鋁陶瓷的機理。通過合理的工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了對不同孔徑、不同錐度微孔的精細加工，為氧化鋁陶瓷精密加工的工業(yè)應(yīng)用提供了有價值的借鑒和參考。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗設(shè)備

本文使用的皮秒激光加工系統(tǒng)(見圖1)主要由激光器、光束整形系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。激光器為蘇州英谷公司生產(chǎn)的全固態(tài)三波段皮秒激光器，其基本性能參數(shù)見表1。光束整形系統(tǒng)由2個四分之一波片、半波片、偏振分光棱鏡、擴束鏡和光闌組成。光束整形系統(tǒng)通過擴束鏡將光斑直徑增加到6 mm，再由光闌濾掉高斯光束邊緣部分的雜光，從而截取高能量的中心光束。調(diào)節(jié)波片位置可以改變激光的偏振態(tài)，使通過的光束變成利于加工的圓偏振態(tài)。經(jīng)過整形的激光束由振鏡的場鏡(焦距為160 mm，聚焦光斑直徑為23 μm)聚集于材料表面，即可實現(xiàn)對材料的微孔加工。加工系統(tǒng)中的X-Y二維運動平臺能夠?qū)⒋庸げ牧弦苿又林付庸の恢谩ＥcZ軸同軸安裝的高分辨率CCD相機用于查找激光焦點位置和觀察激光制孔過程。為便于及時排除加工過程中的熔融、飛濺物，整個加工過程輔以飛塵清除裝置。

參數(shù)參數(shù)值中心波長/nm1 064脈沖寬度/ps15平均功率/W0～30單脈沖能量/μJ0～200重復(fù)頻率/kHz100～1 000光束質(zhì)量因子/M2≤1.3

1.2 試驗方案

試驗樣品為厚度0.2 mm的氧化鋁陶瓷，主要物理性能參數(shù)如下：硬度為1 500 HV，密度為3.6 g/cm3，熱導(dǎo)率為25～30 W/(m·K)，燒結(jié)溫度為1 689 ℃。激光加工試驗于超凈間中進行。試驗中采用環(huán)切法(見圖2)進行微孔加工，激光束通過掃描振鏡由外環(huán)依次掃描到內(nèi)環(huán)。圓環(huán)中心未被掃描的部分則在重力作用下自由脫落。預(yù)加工的微孔和聚焦光斑直徑均為μm量級，所以實際的微孔直徑將與目標微孔直徑有所差異，由如下公式測算。聚焦光斑的半徑為r，外環(huán)的半徑為R，則實際微孔的直徑D如下：

D=2(R+r)

(1)

待加工工件固定在數(shù)控工作臺上，觀察指示光(632 nm)并控制X-Y二維運動平臺可精確選擇待加工位置。上下調(diào)節(jié)固定在Z軸上的場鏡可改變聚焦光斑與工件的相對位置。試驗后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡觀察和測量微孔出入口孔徑的大小、熱影響區(qū)和重鑄層等微孔質(zhì)量的評價指標。

2 分析與討論

2.1 平均功率對微孔質(zhì)量的影響

在超短脈沖激光制孔氧化鋁陶瓷的過程中，激光光子被材料中電子吸收，導(dǎo)致材料融化、剝落和膨脹沸騰等，實現(xiàn)材料的去除[23]。因此，平均功率對微孔孔徑與孔壁質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。圖3所示為不同平均功率打孔氧化鋁陶瓷的光學(xué)顯微圖像，由圖3可知，當平均功率為12 W時，微孔出口部分的材料沒有完全去除，微孔未能徹底打穿；當平均功率超過12 W時，焦點處材料被高能量激光束熔化，從出口噴出并帶走部分熔融金屬，導(dǎo)致出口孔徑增大。隨著功率的繼續(xù)增加，孔徑略微增加，錐度明顯降低。當功率提高到20 W之后，微孔錐度達到6.8°(見圖4)。這種孔徑的變化趨勢是因為有效聚焦光斑的直徑與激光能量成正比，激光束的能量呈高斯分布，其能量的空間分布如下[24]：

(2)

式中，Ep為單脈沖能量；s為距離激光束中心距離；w0為激光束腰半徑。當增加激光功率，s處的能量密度增大，當該位置的能量密度增加到材料的燒蝕閾值時，就能有效去除材料。有效聚焦光斑直徑的改變增加了焦深，降低了微孔的錐度。

在激光功率18 W、重復(fù)頻率100 kHz時，所制微孔的入口和出口微觀圖像如圖5所示，樣件表面

無微裂紋，孔壁質(zhì)量良好。因為超快激光極短的脈沖寬度，在電子達到與晶格的熱平衡之前激光作用就已經(jīng)結(jié)束。皮秒激光脈沖的能量首先被材料內(nèi)熱容量小的自由電子吸收，導(dǎo)致熱載流子氣體(電子或電子空穴對)的形成，在極短的時間內(nèi)，電子碰撞并迅速升溫，此后，電子通過向外輻射聲子傳遞能量給晶格，將晶格變成蒸汽或等離子體狀態(tài)。在這個過程中，基本沒有熱傳導(dǎo)。較高的激光功率可以迅速切透材料，提高加工效率，但也會造成微孔邊緣熱影響區(qū)和重鑄層的擴大，同時微孔出口周圍有部分碎屑突起，可能是沒有完全去除的氧化鋁陶瓷凝固融化物。

2.2 掃描速度與微孔質(zhì)量的關(guān)系

環(huán)切制孔過程中，掃描速度與光斑重疊率存在密切的聯(lián)系。假設(shè)激光光斑的重疊率為μ，加工孔的直徑為D，激光的聚焦光斑半徑為R，重復(fù)頻率為ω，振鏡的掃描速度為V，則一個圓周上的光斑個數(shù)n所示如下：

(3)

光斑重疊率與掃描速度的關(guān)系如下：

(4)

光斑重疊率的大小直接影響微孔的加工質(zhì)量，通常將光斑的重疊率控制在50%～95%，以保證激光輻照的材料全部去除[25]。利用式3和式4計算得，掃描速度應(yīng)控制在100 mm/s～1 000 mm/s范圍內(nèi)，以避免光斑重疊率對微孔質(zhì)量的不利影響。

掃描速度與微孔孔徑的關(guān)系如圖6所示，微孔的錐度隨掃描速度的增大而增大，即微孔正反面的直徑差變大。這是因為掃描速率過快，聚焦光斑的重疊率將會過小，材料無法吸收足夠的激光能量，導(dǎo)致材料的去除率降低。利用SEM觀察了掃描速度600 mm/s時微孔的截面圖像，對比斷面(見圖6c)與孔壁面(見圖6d)的5 000倍放大圖樣發(fā)現(xiàn)，壓鑄成型的氧化鋁陶瓷致密度不高，顆粒間存在許多微孔。激光作用下孔壁材料的間隙和顆粒均變細小，說明氧化鋁陶瓷發(fā)生了熱相變過程。陶瓷材料的相變過程取決于激光參數(shù)(脈沖寬度、峰值功率)和材料的熱導(dǎo)率。氧化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率較低(25～30 W/(m·K))，同時皮秒激光的峰值功率遠低于飛秒激光，導(dǎo)致材料去除過程以熱相變?yōu)橹鳌?/p>

2.3 離焦量對微孔質(zhì)量的影響

激光的離焦量(見圖7)是指聚焦光斑焦點處偏離加工材料表面的距離。設(shè)激光焦點與材料表面相距h，當光束焦點位于材料表面之下，即h<0時，稱為負離焦，反之稱為正離焦。

離焦量對環(huán)切制孔也有一定的影響(見圖8和圖9)。當h>0 mm，即正離焦時，微孔的錐度隨離焦量的增大先減小后增大(見圖8a)，但微孔的圓度會變差，這可能與離焦之后的聚焦光斑質(zhì)量有關(guān)。當離焦量為0.6 mm時，側(cè)壁上的顆粒有熔化或再沉積現(xiàn)象(見圖8c和圖8d)。因為過大的離焦量會大大降低激光的能量密度，這意味著部分液態(tài)熔融物質(zhì)將無法獲得足夠的熱能，從而凝結(jié)在微孔內(nèi)壁，影響孔壁的加工質(zhì)量。當h<0 mm時，隨著負離焦量的增加，微孔的出入口直徑均有所減小，這是由于離焦量大于材料厚度0.2 mm之后，激光束的能量密度大幅降低，導(dǎo)致此時只有一部分材料吸收很少的激光能量，導(dǎo)致液態(tài)物質(zhì)增多[26]。大量熔融物在重力作用下自由滑落，部分液態(tài)物質(zhì)在出口處直接凝固(見圖9d)，從而使出口孔徑較小。

3 結(jié)語

本文采用全固態(tài)激光器輸出1 030 nm的皮秒激光對0.2 mm氧化鋁陶瓷的精密微孔加工工藝進行了試驗研究，分析了激光功率、離焦量和掃描速度等對微孔錐度、熱影響區(qū)和重鑄層的影響。在功率18 W、掃描速度500 mm/s、重復(fù)頻率100 kHz、正離焦量0.5 mm的參數(shù)下，獲得了直徑100 μm的理想微孔效果。通過正交單因素試驗優(yōu)化激光加工參數(shù)，將微孔的錐度控制在了6°以下。本試驗中采用的激光加工頭是掃描振鏡，場鏡的聚焦必然會給微

孔帶來一定的錐度，雖然優(yōu)化參數(shù)可以進一步減小錐度，但始終無法得到零錐度的微孔。后續(xù)關(guān)于貝塞爾光束等加工零錐度微孔的加工工藝還有待進一步研究。