歡迎光深圳市新進(jìn)光通訊有限公司官網(wǎng)!
深圳新進(jìn)光通訊有限公司14年專(zhuān)注光通信設備.研發(fā).生產(chǎn)廠(chǎng)家
全國咨詢(xún)熱線(xiàn):13699751714
聯(lián)系我們
深圳市新進(jìn)光通訊有限公司
全國免費服務(wù)熱線(xiàn):0755-29536993
手機:13699751714
郵箱:sale3@fipos.cn
地址 :深圳市龍華新區福城街道大富工業(yè)區章閣科技園B棟4樓
聯(lián)系人:吳先生
行業(yè)動(dòng)態(tài)

常見(jiàn)激光微加工技術(shù)及其進(jìn)展

時(shí)間:2018-09-01 23:37:03 來(lái)源: 點(diǎn)擊:次

  一、引言

  自1960年第一臺激光器問(wèn)世以來(lái),激光的研究及其在各個(gè)領(lǐng)域的應用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測量、物質(zhì)結構分析、信息存儲及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應用。激光的高方向性和高亮度可廣泛應用于加工制造業(yè)。隨著(zhù)激光器件、新型受激輻射光源,以及相應工藝的不斷革新與優(yōu)化,尤其是近20年來(lái),激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè),并開(kāi)始取代或改造某些傳統的加工業(yè)。

  1987年美國科學(xué)家提出了微機電系統(MEMS)發(fā)展計劃,這標志著(zhù)人類(lèi)對微機械的研究進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)代。目前,應用于微機械的制造技術(shù)主要有半導體加工技術(shù)、微光刻電鑄模造(LIGA)工藝、超精密機械加工技術(shù)以及特種微加工技術(shù)等。其中,特種微加工方法是通過(guò)加工能量的直接作用,實(shí)現小至逐個(gè)分子或原子的去除加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能等能量形式進(jìn)行加工的,常用的方法有:電火花加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工、電解加工等等。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)一種可實(shí)現微小加工的新方法:光成型法,包括立體光刻工藝、光掩膜層工藝等。其中利用激光進(jìn)行微加工顯示出巨大的應用潛力和誘人的發(fā)展前景。

  為適應21世紀高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿(mǎn)足微觀(guān)制造的需要,研究和開(kāi)發(fā)高性能激光源勢在必行。作為激光加工的一個(gè)分支,激光微加工在過(guò)去十年被廣泛關(guān)注。其中原因之一是由于更加有效的激光源不斷涌現。比如具有非常高峰值功率和超短脈沖固體激光,有很高光束質(zhì)量的二極泵浦的Nd:YAG激光器等。另外一個(gè)原因是有了更為精確、高速的數控操作平臺。但一個(gè)更為重要的原因是不斷涌現的工業(yè)需求。在微電子加工中,半導體層的穿孔、寄存器的剪切和電路修復都用到激光微加工技術(shù)。激光微加工一般所指加工尺寸在幾個(gè)到幾百微米的工藝過(guò)程。激光脈沖的寬度在飛秒(fs)到納秒(ns)之間。激光波長(cháng)從遠紅外到X射線(xiàn)的很寬波段范圍。目前主要應用于微電子、微機械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。隨著(zhù)激光微加工技術(shù)的發(fā)展和成熟,將在更廣的領(lǐng)域得到推廣和應用。

  二、激光微加工技術(shù)的主要應用

  隨著(zhù)電子產(chǎn)品朝著(zhù)便攜式、小型化的方向發(fā)展,單位體積信息的提高(高密度)和單位時(shí)間處理速度的提高(高速化)對微電子封裝技術(shù)提出不斷增長(cháng)的新需求。例如現代手機和數碼相機每平方厘米安裝大約為1200條互連線(xiàn)。提高芯片封裝水平的關(guān)鍵之處就是在不同層面的線(xiàn)路之間保留微型過(guò)孔的存在,這樣通過(guò)微型過(guò)孔不僅提供了表面安裝器件與下面信號面板之間的高速連接,而且有效地減小了封裝面積。

  另一方面,隨著(zhù)近年來(lái)全球手機、數碼相機和筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小的趨勢發(fā)展,印制線(xiàn)路板(PCB)逐步呈現出以高密度互連技術(shù)為主體的積層化、多功能化特征。為了有效地保證各層間的電氣連接以及外部器件的固定,過(guò)孔(via)已成為多層PCB的重要組成部分之一。目前鉆孔的費用通常占PCB制板費用的30%-40%。在高速、高密度的PCB設計時(shí),設計者總是希望過(guò)孔越小越好,這樣板上不僅可以留有更多的布線(xiàn)空間。而且過(guò)孔越小,越適合用于高速電路。傳統的機械鉆孔最小的尺寸僅為100μm,這顯然已不能滿(mǎn)足要求,代而取之的是一種新型的激光微型過(guò)孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工業(yè)上可獲得過(guò)孔直徑達到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm左右的小孔。

  激光微加工技術(shù)在設備制造業(yè)、汽車(chē)以及航空精密制造業(yè)和各種微細加工業(yè)中可用激光進(jìn)行切割、鉆孔、雕刻、劃線(xiàn)、熱滲透、焊接等,如20多微米大小的噴墨打印機的噴墨口的加工。利用諸如微壓型、打磨拋光等激光表面處理技術(shù)來(lái)加工多種微型光學(xué)元件,也可通過(guò)諸如激光填充多孔玻璃,玻璃陶瓷的非晶化來(lái)改變組織結構,然后,通過(guò)調和外部機械力,再在軟化階段依靠等離子體輔助進(jìn)行微成形來(lái)加工微光學(xué)元件。

  常用激光微加工技術(shù)

  激光微加工技術(shù)具有非接觸、有選擇性加工、熱影響區域小、高精度與高重復率、高的零件尺寸與形狀的加工柔性等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上,激光微加工技術(shù)最大的特點(diǎn)是“直寫(xiě)”加工,簡(jiǎn)化了工藝,實(shí)現了微型機械的快速成型制造。此外,該方法沒(méi)有諸如腐蝕等方法帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題,可謂“綠色制造”。在微機械制造中采用的激光微加工技術(shù)有兩類(lèi):

  1)材料去除微加工技術(shù),如激光直寫(xiě)微加工、激光LIGA等;

  2)材料堆積微加工技術(shù),如激光微細立體光刻、激光輔助沉積、激光選區燒結等。

  2.1激光直寫(xiě)技術(shù)

  準分子激光波長(cháng)短、聚焦光斑直徑小、功率密度高,非常適合于微加工和半導體材料加工。在準分子激光微加工系統中,大多采用掩膜投影加工,也可以不用掩膜,直接利用聚焦光斑刻蝕工件,將準分子激光技術(shù)與數控技術(shù)相結合,綜合激光光束掃描與X-Y工作臺的相對運動(dòng)以及Z方向的微進(jìn)給,可以直接在基體材料上掃描刻寫(xiě)出微細圖形,或加工出三維微細結構。目前采用準分子激光直寫(xiě)方式可加工出線(xiàn)寬為數微米的高深寬比微細結構。另外,利用準分子激光采取類(lèi)似快速成型(RP)制造技術(shù),采用逐層掃描的方式進(jìn)行三維微加工的研究也已取得較好結果。

  2.2激光LIGA技術(shù)

  它采用準分子激光深層刻蝕代替載射線(xiàn)光刻,從而避開(kāi)了高精密的載射線(xiàn)掩膜制作、套刻對準等技術(shù)難題,同時(shí)激光光源的經(jīng)濟性和使用的廣泛性大大優(yōu)于同步輻射載光源,從而大大降低LIGA工藝的制造成本,使LIGA技術(shù)得以廣泛應用。盡管激光LIGA技術(shù)在加工微構件高徑比方面比載射線(xiàn)差,但對于一般的微構件加工完全可以接受。此外,激光LIGA工藝不像載射線(xiàn)光刻需要化學(xué)腐蝕顯影,而是“直寫(xiě)”刻蝕,不存在化學(xué)腐蝕的橫向浸潤腐蝕影響,因而加工邊緣陡直,精度高,光刻性能優(yōu)于同步載射線(xiàn)光刻。

  2.3激光微立體光刻(mSL)技術(shù)

  它是立體光刻(SLA)工藝這一先進(jìn)的快速成型技術(shù)應用到微制造領(lǐng)域中衍生出來(lái)的一種加工技術(shù),因其加工的高精度與微型化,故稱(chēng)為微立體光刻(Microstere-olithography或mSL)。同其他微加工技術(shù)相比,微立體光刻技術(shù)最大的特點(diǎn)是不受微型器件或系統結構形狀的限制,可以加工包含自由曲面在內的任意三維結構,并且可以將不同的微部件一次成型,省去微裝配環(huán)節,如圖2所示。此外,該技術(shù)還有加工時(shí)間短、成本低、加工過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),為微機械批量化生產(chǎn)創(chuàng )造了有利條件。該技術(shù)的局限性在于兩方面:

  精度較低,目前基于快速成型的微加工技術(shù)的最高水平方向的精度在1mm左右,而垂直方向大約為3mm,顯然這一精度無(wú)法同基于集成電路的硅微加工工藝相比。

  使用材料受到一定的限制,目前的樹(shù)脂材料在電性能、機械性能、熱性能方面與硅材料相比有一定差距。近年來(lái),激光微立體光刻技術(shù)得到了大力研究與開(kāi)發(fā)。在提高精度與效率方面有如下發(fā)展方向:

  1)以面曝光代替點(diǎn)曝光,從而進(jìn)一步縮短加工時(shí)間,提高生產(chǎn)效率;

  2)在材料方面,研究開(kāi)發(fā)出更高分辨率的光固化樹(shù)脂,如已研制出的雙光近紅外光聚合樹(shù)脂為高精度制造奠定了良好基礎;

  3)在工藝方面,研究開(kāi)發(fā)無(wú)需任何支撐結構或犧牲層的工藝以及與平面微加工工藝的集成,從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝,提高加工精度與生產(chǎn)柔性。

  2.4激光輔助氣相沉積(LCVD)技術(shù)在化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝

  固化微成型的兩種零件中,固態(tài)物質(zhì)從氣相通過(guò)化學(xué)反應沉積在基片表面上。用激光輔助化學(xué)氣相沉積來(lái)制作三維微結構,是將聚焦激光微光束通過(guò)定域加熱基片,啟動(dòng)并維持CVD過(guò)程,在沉積過(guò)程中通過(guò)移動(dòng)基片或激光束,將固體結構以很高的分辨率沉積塑型。塑造幾何形狀時(shí)不受平面投影和平面掃描的局限,能制作出復雜幾何形狀的立體微結構。以特定方式運動(dòng)工件臺并使激光焦斑運動(dòng)速度始終與晶體生長(cháng)速度相同,即可做出所需的微結構。

  2.5激光選區燒結技術(shù)(SLS)

  它是快速成型技術(shù)的一種,具有可加工材料范圍廣且可制作任意復雜三維形狀的獨特優(yōu)勢。目前,人們嘗試用SLS工藝進(jìn)行微機械的制造。在SLS工藝中,首先在計算機上完成符合需要的三維CAD模型,再用分層軟件對其進(jìn)行分層得到各層截面,采用自動(dòng)控制技術(shù),使激光有選擇地燒結出與計算機內零件截面相對應部分的粉末,使粉末經(jīng)燒結融化冷卻凝固成型。完成一層燒結后再進(jìn)行下一層燒結,且兩層之間燒結相連。如此層層燒結、堆積,結果燒結部分恰好是與CAD原型一致的實(shí)體,而未燒結部分則是松散粉末,可以起到支撐的作用,并在最后很容易清理掉。燒結系統的精度受以下因素的影響:激光功率、激光焦斑直徑、掃描速度、粉末顆粒直徑、粉末的各向異性以及燒結過(guò)程中的溫度控制等。用SLS工藝進(jìn)行三維成形,還可以在一個(gè)微結構內集成多種材料完成一定的功能。

  其他激光微加工技術(shù)

  脈沖激光刻蝕成型是激光技術(shù)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域,它采用短波長(cháng)的倍頻激光或皮秒、飛秒激光結合高精度數控機床,刻蝕加工各種材料。用短脈沖在這些材料表面刻蝕,再將材料去除,其表面形成的微結構的質(zhì)量比用長(cháng)脈沖加工高得多。2001年德國HEIDELBERGINSTRUMENTS采用三倍頻(波長(cháng)354.7nm),獲得最小可達5mm的聚焦光斑,最小可加工特征尺寸為10mm,精度為1mm。圖5為脈沖激光刻蝕在WC/Co上加工的三維形狀。激光焦斑直徑5mm,x,y方向進(jìn)給5mm。每層去除1.3mm,平均表面粗糙度為0.16mm。激光微切割成形,原理上與激光刻蝕相同,也是采用倍頻或飛秒激光為光源,對光束精細聚焦,精確控制能量的輸入,熱影響小,進(jìn)行微細去除切割成形。

  三、超短脈沖激光在微加工技術(shù)的最新進(jìn)展

  CO2激光和YAG激光是連續和長(cháng)脈沖激光,主要靠聚焦形成高能量密度,從而在局部產(chǎn)生高溫來(lái)燒蝕材料,基本上屬于熱加工范疇,加工精度有限。準分子激光則依靠其短波長(cháng)(紫外)與材料進(jìn)行光化學(xué)相互作用,其特征尺度可達到微米量級,但準分子激光器所需的氣體是腐蝕性的,難以操控,而且,高強紫外激光對加工系統的光學(xué)元件容易造成損傷,其應用因而受到限制。隨著(zhù)對激光領(lǐng)域的深入研究,激光脈沖的時(shí)域寬度被壓縮得越來(lái)越短,從納秒(10-9s)量級到了皮秒(10-12s)量級直至飛秒(10-l5s)量級。

  飛秒脈沖激光具有以下兩個(gè)特點(diǎn):(1)脈沖持續時(shí)間短。飛秒脈沖的持續時(shí)間可以短至幾個(gè)飛秒,而光在1fs內僅僅傳播0.3μm,比大多數細胞的直徑還要短;(2)峰值功率極高。飛秒激光將脈沖能量集中在幾個(gè)至幾百個(gè)飛秒的極短時(shí)間內,因此其峰值功率很高。例如,將lμJ的能量集中在幾個(gè)飛秒時(shí)間內并會(huì )聚成10μm的光斑,其光功率密度可達到1018W/cm2,將其換算成電場(chǎng)強度則為2×1012V/m,為氫原子中庫侖場(chǎng)強(5×1011V/m)的4倍,這就有可能將電子從原子中直接剝離出來(lái)。

  從激光與透明材料的相互作用機理來(lái)看,脈沖寬度從連續激光到幾十皮秒,損傷機制為雪崩電離過(guò)程,依賴(lài)與初始的電子密度,而材料中的初始電子密度由于材料中雜質(zhì)分布的不均勻而變化很大。因此,損傷閾值變化也很大。對長(cháng)脈沖激光損傷閾值定義為可引起損傷幾率為50%的激光能流密度,即長(cháng)脈沖激光損傷閾值是一個(gè)統計值。超短脈沖激光的場(chǎng)強極高,束縛電子可以同時(shí)吸收n個(gè)光子直接從束縛能級躍遷到自由能級。超短脈沖激光引起的損傷雖然也是雪崩電離過(guò)程,但其電子由多光子電離過(guò)程產(chǎn)生,不再依賴(lài)于材料中的初始電子密度,因此,損傷閾值是精確值。脈沖激光的損傷閾值是隨脈沖寬度下降而明顯減小,到了皮秒量級,下降速率變緩,到飛秒量級時(shí)已基本不變。

  另外,由于超短脈沖激光的損傷閾值很精確,因此將激光的能量控制在正好等于或略高于損傷閾值,則只有高于損傷閾值的部分產(chǎn)生燒蝕,可進(jìn)行低于衍射極限的亞微米加工。飛秒激光可產(chǎn)生超高光強、具有精確且較低的損傷閾值,很小的熱影響區、幾乎可精密加工所有種類(lèi)材料,并且,加工精度極高,可進(jìn)行亞微米尺寸的精密加工。

  激光微加工生產(chǎn)效率高,成本低,加工質(zhì)量穩定可靠,具有良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。飛秒激光以其獨特的脈沖持續時(shí)間短、峰值功率高等優(yōu)越性能正在打破以往傳統的激光加工方法,開(kāi)創(chuàng )了材料超精細、無(wú)熱損傷和3D空間加工和處理的新領(lǐng)域。飛秒激光加工技術(shù)應用包括微電子學(xué)、光子晶體器件、高信息傳輸速度(1Tbit/s)的光纖通訊器件、微機械加工、新型三維光存儲器、以及微細醫療器件制作和細胞生物工程技術(shù)等方面具有廣泛應用前景??梢灶A言,激光微制造技術(shù)必將以其無(wú)可替代的優(yōu)勢成為21世紀迅速發(fā)展的一項高新技術(shù)。

  結束語(yǔ)

  在工業(yè)化時(shí)代,世界各國均以制造出大型機器而自豪;在信息化時(shí)代,各先進(jìn)工業(yè)國家,均致力于微觀(guān)物質(zhì)的研究,并制造越來(lái)越小的機械;而進(jìn)入納米科技時(shí)代,為了適應國防、航空航天、醫學(xué)和生物工程等方面的發(fā)展,微加工是當今制造業(yè)最為活躍的研究方向之一,微機械技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為一個(gè)國家綜合實(shí)力的衡量標準之一。激光微加工技術(shù)在微加工技術(shù)中越來(lái)越顯示出其獨特的優(yōu)越性,具有廣闊的發(fā)展前景,我國必須開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的激光微制造技術(shù),才能在未來(lái)的高科技領(lǐng)域占有一席之地。

  
在線(xiàn)客服
聯(lián)系方式

熱線(xiàn)電話(huà)

13699751714

上班時(shí)間

周一到周五

公司電話(huà)

0755-29536993

二維碼
線(xiàn)
久久精品国产欧美激情无码_亚洲AV无码一区东京热久久妖精_亚洲有码在线观看_午夜无码人妻AV大片色欲