光學(xué)零件加工技術(shù)

【專家解說】：由于激光具有方向性好，高能量和單色性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，自六十年代問世以來，就受到科研領(lǐng)域的高度重視，推動了諸多領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，尤其是激光在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的激光加工機(jī)在工業(yè)產(chǎn)品中，已得到了廣泛應(yīng)用，近年來在激光微加工方面也受到廣泛重視。 激光微加工對生產(chǎn)具有小孔或細(xì)小溝槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子器件、醫(yī)療和汽車制品有重大意義。因?yàn)檫@類產(chǎn)品孔的直徑和溝槽尺寸越來越小，而這些尺寸的公差越來越嚴(yán)格。只有激光才能滿足對微加工零件提出的從1μm到1mm的所有要求。激光加工熱作用區(qū)域小，可以準(zhǔn)確地控制加工范圍和深度，保證高的重復(fù)性，良好邊緣和廣泛的通用性[1]。 在微系統(tǒng)制造中，人們廣泛采用硅各向異性刻蝕和LIGA(利嗄)技術(shù)加工各種微型結(jié)構(gòu)。前者適合加工硅的二維結(jié)構(gòu)和小深寬比的三維結(jié)構(gòu)；后者能夠加工精密的三維結(jié)構(gòu)，不僅適用于硅而且也適用于加工金屬、塑料和陶瓷。然而這種技術(shù)要求的條件比較苛刻，它需要同步輻射X射線源，而且模的制作也很復(fù)雜，因此很難普及。還有一點(diǎn)也必須指出，LIGA工藝與IC不兼容，這在一定程度上限制了它的使用。 90年代初發(fā)展起來的激光微加工工藝既能加工出較為復(fù)雜的微型結(jié)構(gòu)，且所要求的條件又不那么苛刻，在實(shí)驗(yàn)室和工廠較容易實(shí)現(xiàn)[2]。 激光微加工所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域較寬，本文著重介紹激光束在UV（紫外）波段或532nm和1.06μm段激光微加工的應(yīng)用,工作狀態(tài)為脈沖狀態(tài),加工應(yīng)用的范圍為微電子和微機(jī)械（MEMS）。激光束的其它應(yīng)用不在本文贅述。 2.脈沖激光直接微加工技術(shù) 脈沖激光直接微加工技術(shù)是利用高能量激光脈沖對固體直接加工，主要是基于激光燒蝕過程。在燒蝕過程中，固體材料所吸收的激光能量使材料從加工表面噴射出來。激光和固體間的燒蝕作用與固體材料以及脈沖激光參數(shù)密切相關(guān)。脈沖激光參數(shù)主要包括激光的波長、脈沖寬度和脈沖強(qiáng)度。在適宜的條件下，幾乎所有的固體材料脈沖激光都能夠加工，而且現(xiàn)在經(jīng)研究已經(jīng)建立了多種材料的脈沖激光加工參數(shù)[3]。 圖一(a)所示的是一種常見的準(zhǔn)分子激光加工設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)。激光光束經(jīng)過一系列器件，包括快門、可調(diào)衰減器、光束整形器和歸一化器，最后照射到掩模上。在這個結(jié)構(gòu)中，光束整形器改變光束形狀，使其近似為正方形，然后歸一化器再把光分成許多光束，每束光從不同方向照射掩模（圖一(b)）。這不僅提高了光照射的均勻性，同時也引入了離軸元件。離軸光照射可以完成垂直結(jié)構(gòu)甚至鉆蝕結(jié)構(gòu)的加工，而使用傳統(tǒng)的平面光照射無法加工出這樣的結(jié)構(gòu)。在整個系統(tǒng)中一般需要一些輔助設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)直，比如CCD視頻傳感器或獨(dú)立的非線性顯微鏡。 脈沖激光直接微加工技術(shù)的主要特點(diǎn)之一是能夠加工復(fù)雜的三維表面輪廓。對不同的掩模進(jìn)行多次曝光可以加工階梯式多級結(jié)構(gòu)，而在曝光時間內(nèi)掃描掩?？梢酝瓿蛇B續(xù)切削，也可以用半色調(diào)掩模直接進(jìn)行投影燒蝕來完成連續(xù)切削[4]。掩模和工件一般都安裝在步進(jìn)馬達(dá)控制的精密移動平臺上，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動掃描操作。在加工過程中可以改變其它脈沖激光參數(shù)，比如激光光通量和重復(fù)頻率。此外，還可以通過改變數(shù)值孔徑NA來改變離軸照射的最大視角，見圖一(b)，從而可以在恒定的激光光通量條件下加工不同側(cè)壁角度的結(jié)構(gòu)。 圖一(a)準(zhǔn)分子激光加工設(shè)備框圖 (b)光學(xué)系統(tǒng)圖 脈沖激光直接微加工技術(shù)的另一個特點(diǎn)是可以加工多種材料[5]，尤其適用于聚合物材料的加工。大多數(shù)聚合物在激光的頻譜內(nèi)都有很強(qiáng)的能量吸收，保證了激光與工件間的能量耦合，而相對較低的熱傳導(dǎo)性又保證了燒蝕過程中的熱量擴(kuò)散和受熱影響的區(qū)域很小。大多數(shù)情況下，可以得到很好的表面光潔度，附加損失(熔化和碎屑)也可達(dá)到最小，這是許多其它材料不具備的特性。例如，由于金屬的反射率和熱傳導(dǎo)率較高，用脈沖激光加工具有很高的燒蝕閥值，加工過程中有嚴(yán)重的附加損耗。但是，如果加工對象是沉積在導(dǎo)熱性較差的基體表面的金屬薄膜時，用脈沖激光就可以得到很好的加工效果。 脈沖激光直接加工MEMS器件中最成功的例子是噴墨打印頭的加工[6]。另外，脈沖激光很高的峰值功率和3D結(jié)構(gòu)加工能力也可應(yīng)用到微流控芯片的加工中。微流控芯片中的主要部件，像微通道、微過濾器、微攪拌器和微反應(yīng)器都需要3D結(jié)構(gòu)(或至少2.5D)。此外，作為微流控芯片的材料，聚合物比硅基底的材料更適于用脈沖激光進(jìn)行微加工。 MEMS直接加工的例子最近也有報(bào)道，如在硅底上制作雙壓電晶片微執(zhí)行器[7]以及多層磁性材料執(zhí)行器[8]等。另外，飛秒激光微加工技術(shù)發(fā)展也很快[9]。由于飛秒激光有很高的能量密度，這使得它在MEMS加工中的某些方面具有很好的應(yīng)用前景，比如利用標(biāo)準(zhǔn)的透明材料與高能量多光子的劇烈作用可以在透光材料上加工微結(jié)構(gòu)。 2.1直接加工 這里所用的術(shù)語“直接加工”是用來描述用激光束聚焦點(diǎn)來進(jìn)行材料加工的過程。這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于對高精度和小尺寸有要求的微機(jī)械加工，包括燃料注入器的鉆孔、氣體傳感器的鉆孔、太陽能電池的刻畫以及MEMS的原型處理。工件是用檢流掃描儀和可移動平臺隨著光束移動，同時用激光加工，從而得到預(yù)期的圖案。加工速度通過調(diào)節(jié)檢流掃描儀可達(dá)10ms-1 [10]。 圖二：（a）用檢流掃描儀和X-Y可移動平臺的直接加工的示意圖 （b）MicrAlater M1000 直接加工的激光器設(shè)備 2.2 鉆孔 使用在X-Y平臺或檢流掃描儀上的聚焦激光束的一系列的孔的加工在燃料注入器、氣體傳感器、微小電路板和探測器卡片的鉆孔都有廣泛應(yīng)用。圖三顯示的就是用來IC（integrated circuit）測試的探測器卡片的一部分。100μm孔是在500μm厚的硅氮化物晶體上用355nm的ND:YAG激光鉆孔的。使用AblataCAM軟件能將文件直接轉(zhuǎn)化成激光器設(shè)備加工過程。利用這項(xiàng)技術(shù)能在探測器卡片上加工幾乎任何形狀的孔。 圖三：（a）在硅氮晶體探測器卡片上的用來IC測試的100μm孔 b）在硬質(zhì)鋼上用來燃料注入的孔 發(fā)動機(jī)對低損耗和更佳的燃料利用率需求，引起對更小的孔和更厚的有壁燃料注入器的深入研究。由于傳統(tǒng)EMD技術(shù)對于柴油機(jī)注入器的鉆孔的限制，使得激光加工技術(shù)成為下一代柴油機(jī)引擎的關(guān)鍵技術(shù)?？椎闹睆綖?0-100μm公差為±1.5μm，錐角小于0.5度。圖三（b）顯示的是用Nd:YAG激光器在532nm在柴油機(jī)注入器上加工的孔。 2.3太陽能板加工 在1.06μm波上工作的激光器設(shè)備，其典型的能量為幾十瓦，廣泛的應(yīng)用于薄膜太陽能板的玻璃底層上的精細(xì)線性雕合。這種過程和發(fā)射技術(shù)的結(jié)合與BTS能夠使太陽能板在高速的情況下能保持非常高的精度和準(zhǔn)確率。圖四（a）是無定型硅薄膜在雙激光系統(tǒng)（1.06μm和532nm）下的加工過程的示意圖。IR YAG激光束用來在ITO層上劃近似30μm寬的線，接著α－Si的沉積和可見YAG激光束在盤的附近穿過α－Si層來加工50μm直徑的相互連接。而ITO層是不受加工過程影響的。接著鋁電極層沉積，用可見光YAG激光來加工大概25μm寬的軌跡，來完成板的加工過程。太陽能板的樣板的部分加工過程如圖四所示。用580nm來加工400mm板的每一層大概需要1分鐘。 圖四：（a）用雙波長激光系統(tǒng)加工的太陽能板 b）在薄膜α－Si太陽能板上的劃線和相互連接的照片 3.最新研究動態(tài) 3.1用于微加工的UV激光鉆孔機(jī)械－Meister 1000DF MHI出品了最新DUV266nm激光鉆孔機(jī)Meister 1000DF，能在所有新的固體UV－YAG振蕩器上應(yīng)用。用Meister 1000DF能在不同材料、不同工作環(huán)境下進(jìn)行高質(zhì)量的微加工。特點(diǎn)：半導(dǎo)體泵浦固體激光器諧振腔能達(dá)到很高的壽命和具有很高的可靠性，高能量密度266nmUV輸出,能實(shí)現(xiàn)50－200μm直徑的微小鉆孔,高速和裝備了檢流掃描儀[11]。 圖五：加工應(yīng)用的樣品圖 （a）透孔： 直徑100μm 聚酰亞胺樹脂：厚度25μm （b）透孔：直徑100μm 陶瓷：厚度250μm 圖六：結(jié)構(gòu)圖 3.2 DPSS UV 激光器 高脈沖355nm激光器（LD泵浦 YV04 激光器+ SHG + THG）空氣冷卻。概要：這種激光器是緊湊和空氣冷卻類型的高循環(huán)脈沖DPSS UV激光器（355nm）。非線性晶體GdYCOB應(yīng)用于這種激光器（已由大阪大學(xué)發(fā)明）。因此能獲得高光束質(zhì)量和穩(wěn)定輸出。并且非常容易維護(hù)和操作，廣泛應(yīng)用于微加工、精確測量等等[12]。 3.3 DPSS綠色激光器 高脈沖532nm激光器（LD泵浦 YVO4激光器+ SHG) 空氣冷卻。概要：這種激光器是緊湊和空氣冷卻類型的高循環(huán)脈沖DPSS綠色激光器（532nm）。具有很好的輸出穩(wěn)定性和高光束質(zhì)量。并且易于維護(hù)和操作，能廣泛應(yīng)用于微加工、測量等等。 3.4 DPSS YVO4激光器 高脈沖1064nm激光器（LD泵浦 YVO4激光器）空氣冷卻。概要：這是一種緊湊、空氣冷卻以及易于維護(hù)的DPSS激光器。用LD泵浦并且用光纖輸出。由于在加工過程中有高重復(fù)性、熱張力等特點(diǎn)，因此能被小型化。所以能廣泛應(yīng)用于高速標(biāo)刻、激光加工和產(chǎn)生諧波的光源。 4.結(jié) 論 從加工材料范圍和3D加工靈活性方面，脈沖激光具有特有的加工能力。脈沖激光加工技術(shù)和其它微細(xì)加工的主流技術(shù)相結(jié)合可以為MEMS的未來發(fā)展提供重要的加工手段。脈沖激光加工技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有基于功能材料的微驅(qū)動器、微流控器件和系統(tǒng)。另外，脈沖激光還具有特有的微部件操控和連接能力，因此，對MEMS的集成和封裝技術(shù)也將作出巨大的貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn)： [1] 耿淑杰, 激光微加工的進(jìn)展[J]. 激光與紅外,1997,27(6):330-332. 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