走出實驗室：飛秒激光打開微細加工應用大門

　　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