走出實(shí)驗(yàn)室：飛秒激光打開(kāi)微細(xì)加工應(yīng)用大門

　　曾經(jīng)是資金豐厚的研究實(shí)驗(yàn)室專屬的飛秒激光器，如今正開(kāi)始在一系列工業(yè)微細(xì)加工應(yīng)用中日漸受到歡迎。根據(jù)應(yīng)用或材料的不同，融合了飛秒激光器的微型加工設(shè)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(fèi)電子、醫(yī)療、汽車市場(chǎng)以及其它眾多市場(chǎng)的需求。推動(dòng)這種趨勢(shì)的是越來(lái)越小、功率更強(qiáng)大、涵蓋的波長(zhǎng)范圍更廣，而價(jià)格卻變得更低的飛秒激光器。

　　超快脈沖激光器通常脈沖長(zhǎng)度小于1納秒。飛秒激光器則更進(jìn)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(lái)，這個(gè)時(shí)間究竟有多短呢?一種方法是比較激光器開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間。常規(guī)使用模型一般是100飛秒的激光脈沖，重復(fù)頻率為100KHz。如果將100飛秒轉(zhuǎn)化為1秒，相當(dāng)于下一個(gè)脈沖要在3.5年后才發(fā)生!因而，這有效地將熱量對(duì)材料產(chǎn)生影響的時(shí)間縮短到最低限度，并最大程度地延長(zhǎng)了材料的熱釋放時(shí)間。

　　與其它類型的激光器相比，飛秒激光器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。其關(guān)鍵是熱影響區(qū)域(HAZ)一般會(huì)比納秒或皮秒激光器更小(圖1)。周邊區(qū)域沒(méi)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(shí)也被用來(lái)改善汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品的強(qiáng)度和品質(zhì)當(dāng)加工用于手機(jī)、平板電腦或可穿戴設(shè)備用的硬化玻璃等脆性材料時(shí)，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(jìn)行后續(xù)加工，因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)域(HAZ)幾乎可以忽略不計(jì)。用納秒激光器加工的樣本(b)會(huì)出現(xiàn)較大的模糊區(qū)域，需要進(jìn)行額外的加工。

　　飛秒激光器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)源于其所具有的高強(qiáng)度(超過(guò)1012W/cm2)幾乎能在原子水平上分割材料。本質(zhì)上，這會(huì)形成微等離子體，而材料也在由此產(chǎn)生的擴(kuò)張作用下被去除。結(jié)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(yīng)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(lái)打造顯示器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還包括偏光鏡、彩色濾光片、防護(hù)玻璃罩和觸摸屏。激光器提供了通過(guò)可重復(fù)、無(wú)接觸的加工手段來(lái)加速工藝流程以及提高生產(chǎn)率的方式。同時(shí)，激光器的運(yùn)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(shì)。

　　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(lǐng)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(shí)耐高溫，因而成為手機(jī)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(gè)領(lǐng)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(gè)不銹鋼箔上清潔、無(wú)碎屑的切割孔凸顯了飛秒激光器對(duì)薄型材料加工的優(yōu)勢(shì)。

　　在強(qiáng)化玻璃產(chǎn)品的加工方面，飛秒激光微細(xì)加工設(shè)備可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(shí)現(xiàn)高速加工，并且提供出色的邊緣質(zhì)量和強(qiáng)度。

　　薄型材料的去除

　　集成電路復(fù)雜性和密集度的提高，給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了新的加工挑戰(zhàn)。如，半導(dǎo)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(shí)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(yīng)用的首選工具。例如，在選擇性激光燒結(jié)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(duì)打標(biāo)和雕刻的影響

　　采用標(biāo)準(zhǔn)和防偽解決方案實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品商標(biāo)識(shí)別和可追蹤性對(duì)于現(xiàn)代制造手段而言是十分必要的。就很多應(yīng)用而言，對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行激光打標(biāo)是非常有吸引力的解決方案。但是，對(duì)于低脈沖激光系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，打標(biāo)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(zhǎng)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(huì)傳遞到周邊材料上。激光打標(biāo)過(guò)程因而也不會(huì)受到熱量影響，微裂紋便不會(huì)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(huì)出現(xiàn)微裂紋