走出實驗室：飛秒激光打開微細加工的大門

曾經(jīng)是資金豐厚的研究實驗室專屬的飛秒激光器，如今正開始在一系列工業(yè)微細加工應用中日漸受到歡迎。根據(jù)應用或材料的不同，融合了飛秒激光器的微型加工設備為制造商提供了以更有利可圖的方式加工更小、更薄部件的手段，以滿足消費電子、醫(yī)療、汽車市場以及其它眾多市場的需求。推動這種趨勢的是越來越小、功率更強大、涵蓋的波長范圍更廣，而價格卻變得更低的飛秒激光器。

　　超快脈沖激光器通常脈沖長度小于1納秒。飛秒激光器則更進一步，可以在30飛秒至800飛秒的周期內(nèi)產(chǎn)生高品質(zhì)的超快脈沖。在人類看來，這個時間究竟有多短呢？一種方法是比較激光器開啟和關閉的時間。常規(guī)使用模型一般是100飛秒的激光脈沖，重復頻率為100KHz。如果將100飛秒轉化為1秒，相當于下一個脈沖要在3.5年后才發(fā)生！因而，這有效地將熱量對材料產(chǎn)生影響的時間縮短到最低限度，并最大程度地延長了材料的熱釋放時間。

　　與其它類型的激光器相比，飛秒激光器具有諸多優(yōu)點。其關鍵是熱影響區(qū)域(HAZ)一般會比納秒或皮秒激光器更小（圖1）。周邊區(qū)域沒有熱損傷的消融工藝（被稱為冷消融）被指定用于加工支架，同時也被用來改善汽車和消費電子產(chǎn)品的強度和品質(zhì)當加工用于手機、平板電腦或可穿戴設備用的硬化玻璃等脆性材料時，這一工藝可以最大限度地減少微裂紋的形成。

　　圖1：用飛秒激光器在不銹鋼樣品(a)上加工槽口。不需要進行后續(xù)加工，因為熱影響區(qū)域（HAZ）幾乎可以忽略不計。用納秒激光器加工的樣本(b)會出現(xiàn)較大的模糊區(qū)域，需要進行額外的加工。

　　飛秒激光器的另一個優(yōu)勢源于其所具有的高強度（超過1012W/cm2）幾乎能在原子水平上分割材料。本質(zhì)上，這會形成微等離子體，而材料也在由此產(chǎn)生的擴張作用下被去除。結果是產(chǎn)生的碎屑很少，有利于高縱橫比深孔鉆削加工等應用。

　　超薄及難加工材料的加工

　　具有各種形狀和尺寸的現(xiàn)代顯示器采用薄玻璃板、薄膜、鋁箔來打造顯示器的結構，同時還包括偏光鏡、彩色濾光片、防護玻璃罩和觸摸屏。激光器提供了通過可重復、無接觸的加工手段來加速工藝流程以及提高生產(chǎn)率的方式。同時，激光器的運用還使得新產(chǎn)品能夠接軌超薄玻璃、保形切割或全新材料組合等多種新趨勢。

　　氮化鋁、氧化鋁、氮化硅和氧化鋯等陶瓷材料已成為在很多領域頗受歡迎的高性能材料。它們具有很好的電氣絕緣性能，同時耐高溫，因而成為手機天線及高性能發(fā)光二極管（LED）封裝等產(chǎn)品不可分割的一部分。

　　鉆削和切割陶瓷是飛秒激光器彰顯卓越性能的一個領域。生產(chǎn)商可以獲得高品質(zhì)的幾何形狀。所加工的孔具有精密的形態(tài)、光滑的內(nèi)壁，最大限度地降低了表面碎屑的產(chǎn)生（圖2）。由于后續(xù)加工需求很少甚至可免，飛秒激光器往往能夠大幅提高生產(chǎn)率以及降低生產(chǎn)成本。

　　圖2：這個不銹鋼箔上清潔、無碎屑的切割孔凸顯了飛秒激光器對薄型材料加工的優(yōu)勢。

　　在強化玻璃產(chǎn)品的加工方面，飛秒激光微細加工設備可以很容易地實現(xiàn)對于機械系統(tǒng)來說極具挑戰(zhàn)的高品質(zhì)直線切割、曲線切割和內(nèi)部切割。高峰值功率的飛秒激光器可實現(xiàn)高速加工，并且提供出色的邊緣質(zhì)量和強度。

　　薄型材料的去除

　　集成電路復雜性和密集度的提高，給半導體行業(yè)帶來了新的加工挑戰(zhàn)。如，半導體晶圓的厚度在持續(xù)變薄，材料使用更多樣化，尺寸更小型化。所有這些特征將傳統(tǒng)制造方法逼到了極限的邊緣。

　　由于能實現(xiàn)所要求的材料加工品質(zhì)和精度，超快激光器成為這些新應用的首選工具。例如，在選擇性激光燒結加工中，有可能在不影響底層的情況下，切除厚度僅為十分之幾納米的極薄的一層材料。

　　盡可能降低對打標和雕刻的影響

　　采用標準和防偽解決方案實現(xiàn)產(chǎn)品商標識別和可追蹤性對于現(xiàn)代制造手段而言是十分必要的。就很多應用而言，對材料內(nèi)部進行激光打標是非常有吸引力的解決方案。但是，對于低脈沖激光系統(tǒng)來說，打標激光器的脈沖周期足以引發(fā)材料因受熱而產(chǎn)生微裂紋，從而影響品質(zhì)和長期可靠性。相較之下，飛秒激光器在很短的脈沖周期內(nèi)積聚了能量，熱量不會傳遞到周邊材料上。激光打標過程因而也不會受到熱量影響，微裂紋便不會形成（圖3）。

　　圖3：在100微米的鈷鉻（CoCr）線纜上的這些盲孔顯示，飛秒激光器可以消融表面，并且不會出現(xiàn)微裂紋
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與其它技術相比，激光打標有諸多優(yōu)勢，包括外觀更一致、耐久性好，容易使用。激光打標可以獲得美觀的效果，主要是因為可以產(chǎn)生色彩對比度高、光學密度均勻的標記。根據(jù)加工類型和材料的不同，可以形成深黑色和亮白色的激光標記。耐久性和外觀質(zhì)量對于頻繁使用的產(chǎn)品如智能手機、可穿戴設備來說尤其重要。飛秒脈沖長度通過減少表面影響，擴大了激光打標的應用范圍，并可用于薄型材料。

　　金屬表面材料的精密去除工藝是讓打標產(chǎn)品在視覺上產(chǎn)生對比效果的一種常用方法。飛秒激光器由于峰值功率高，可以對許多材料進行高效雕刻，并可以有效提高功率，同時保持表面質(zhì)量。由于熱量不會積聚在材料內(nèi)部，因此可對具有不同表面機理的材料進行不同深度的高品質(zhì)加工，賦予產(chǎn)品與眾不同的外觀。

　　飛秒激光工具解決方案

　　不管是什么應用，或激光脈沖周期如何，激光器成功實現(xiàn)微細加工涉及精密定制激光脈沖周期和功率密度等諸多要素，以獲得預期效果。這需要深刻了解激光器與材料的相互作用機制，以調(diào)整變量如脈沖長度、脈沖能量、光斑大小，激光技術或其它因素。當根據(jù)手頭的任務對這些因素進行恰當?shù)恼{(diào)整后，飛秒激光工具便可以成為許多應用的首選工具。

　　如果需要選用飛秒激光器，要尋找對激光器與材料特性具有豐富知識，并且能對短期、大量應用提供支持的供應商。許多制造商錯誤地認為，所有激光器都是相同的。而事實上，由于光學器件略有不同，每一個激光器都與其它激光器在功能方面略有不同。因此，生產(chǎn)線中的每一個工具都應由激光工具供應商進行精確校準，以調(diào)整這些變量，確保結果穩(wěn)定一致。

　　就像超快激光器可以輕輕碰觸表面一樣，我們還未全面發(fā)現(xiàn)并挖掘飛秒激光器所有潛在的應用領域。但有一點是可以肯定的，隨著系統(tǒng)和設備愈發(fā)趨向小型化和復雜化，飛秒激光器將越來越多地被應用到這類產(chǎn)品的加工中去。

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