PZT陶瓷的激光加工研究

杨松涛，张文斌，裴章琴，程秀全、赵立华

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

PZT陶瓷的激光加工研究

杨松涛，张文斌，裴章琴，程秀全、赵立华

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

介绍了压电陶瓷的分类特性和加工方式，以及激光在压电陶瓷加工中的原理和应用，通过分析计算解决了激光加工过程中的精度误差问题，提高了加工精度和效率，取得了良好的加工效果；研究结果可以应用于相关激光加工设备的升级和改进。

压电陶瓷；激光加工；精度

具有优良性能的压电陶瓷（PZT）的超精密加工作为新课题己成为普遍关注的新焦点。压电陶瓷在电子、医疗、光学、仪器仪表、航空航天和民用等行业用来制造高技术产品的前景十分广阔。

压电陶瓷虽然具有其他材料无法比拟的优越性能，但因它具有脆性的缺点，且加工困难，在一定程度上又限制了它的使用范围。激光加工尤其是超短脉冲“冷激光”加工，具有无接触加工、光斑小、能量集中，效率快，加工精度高等优点，正好克服压电陶瓷脆性难以加工的缺点，在压电陶瓷加工领域得到越来越广泛的应用。

1　压电陶瓷的加工方式

压电陶瓷可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电陶瓷在工程中得到了广泛的应用。对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。压电陶瓷的这种特性使其广泛应用于电子、医疗、光学、仪器仪表、航空航天和民用等领域。

压电陶瓷虽然具有其他材料无法比拟的优越性能，但是它也有自己最显著的缺点、即脆性，表现为在外力作用下不发生显著变形即告破坏，这一严重弱点使其在实际应用中很容易造成灾难性后果，因此在一定程度上又限制了它的使用范围。除了脆性这一最大弱点外，它还存在加工极困难，很难像普通材料一样对陶瓷进行机械加工。要实现压电陶瓷所具备的优异性能，就必须加工成具有一定精度的形状和尺寸，因此，研究压电陶瓷的加工技术，特别是精密、超精密加工技术具有重大的应用价值，也有很大的现实意义。

加工压电陶瓷的方法主要包括以下几种：刻蚀加工（湿法刻蚀和干法刻蚀）、机械加工、激光加工以及其它加工方法（如电火花加工）等。加工方式对比见表1。

表1　加工方式对比

与其它加工方式相比，紫外激光除了无接触加工、光斑小、能量集中、自动化程度高等优点外，同时其具有波长短、单脉冲能量大，可以和压电陶瓷材料发生光化学消融（“冷加工”），热影响小，加工精度更高。紫外激光凭借其独特的加工优势，同时与高精度快速运动系统相结合，加工效率高，质量更好，是理想的加工方式。随着生产技术的进步，紫外激光器及光学元器件成本大大降低，激光加工设备在压电陶瓷等领域得到越来越广泛的应用。图1所示JHQ-400激光划切机。

图1　JHQ-400激光加工设备

2　激光加工设计

2.1光化学消融

光化学消融又称为光解剥离作用。如果激光的光子能量足够高，当材料受到激光辐射时，材料表面很薄的一层（厚约0.1 μm）吸收脉冲能量。这一部分微小体积的材料吸收高峰值功率的脉冲后，会导致材料内部电子键的断裂，生成的分子碎片扩散形成等离子体，这些向外扩散的等离子体可以将多余的能量从材料带走，因此，对加工区域附近的材料几乎没有损害。

图2为光化学消融示意图。

图2　光化学消融

通过光化学消融深度与入射激光能量密度的关系曲线可以得到当激光能量密度达到8.66 J/cm2时，激光光化学消融深度大于5 μm。如图3所示。

图3　光化学消融深度-入射激光能量密度的关系曲线

2.2光斑直径

激光束聚焦光斑直径（1/e2）由激光波长、光束耦合质量、聚焦物镜焦距（它影响加工区域范围）和聚焦系统光圈孔径确定（以高斯光束近似）（见图4）。

图4　聚焦光斑直径

其中，

d─聚焦光斑直径，

λ─激光波长（355 nm），

f─聚焦物镜焦距（103 mm），

M2─光束质量（1.3），

D─光束聚焦前直径（8 mm），

k─校正因子（理想值1.27；因光圈或物镜处衍射，较典型值1.83），

由此计算得：d=0.355×103×1.3×1.83/8= 10.9 μm，

通过计算，当激光光斑直径为10.9 μm，激光重复频率150 kHz，激光输出平均功率3.3 W，激光能量密度达到8.66 J/cm2时，激光光化学消融深度大于5 μm，实现PZT陶瓷金属电极层的激光刻蚀。

3　加工过程

紫外激光加工时，由于激光首脉冲输出能量大，在激光加工的起始点位置存在严重的热效应，也就是所谓的“火柴头”现象，严重影响了产品的加工效果，这就需要给激光增加开关延时，避免激光首脉冲。同时充分考虑激光输出系统和运动系统之间的协调同步性，把激光、工作台运动有机结合在一起，并优化相互的匹配参数，从而在整个工作区域内获得高速度、高精度、高质量的加工效果。如果激光控制与工作台运动控制出现不协调的现象，会导致激光加工不完整或者激光加工定位误差大。

激光在加工时，由于加工速度会影响切槽的深度和宽度，所以必须保证激光加工时工作台速度恒定，从而保证整体加工质量一致。同时，激光器开启的一段很短的时间内（小于1秒），其各种参数，如激光功率、激光重复频率等参数也不能达到预定值（如图5、6），因此，需要在激光加工过程中，屏蔽掉激光器参数不稳定的这段时间。

图5　激光加工中屏蔽工作台运动加速、减速段

图6　激光加工中屏蔽激光器参数不稳定段

我们在工作台运动和激光开关的时序上考虑了激光和工作台运动的动态特性，如工作台的响应时间、激光的响应时间以及被加工的物体对激光的敏感程度等。为此，我们在矢量段开始和结束处插入必需的延时。利用这些延时，可以很好地协调工作台运动和激光开关的关系。见图7所示。

工作台系统与激光器的协同控制是保证高质量划切的关键。

图7　激光控制时序图

针对PZT陶瓷，加工虚线、盲槽、切断以及其它加工图形（如图8所示），当激光光斑直径为10.9 μm，激光重复频率为150 kHz，激光输出平均功率3.3 W，激光能量密度达到8.66 J/cm2时，激光光化学消融深度大于5 μm，实现PZT陶瓷金属电极层的激光刻蚀。通过精密控制激光的输出参数和运动控制系统相结合，在陶瓷表面镀层刻蚀出宽度和深度精度极高的图形，从而改变压电陶瓷的电性能，满足PZT陶瓷的加工要求，其中深度误差达到±3 μm，位置定位精度达到±3 μm，长度误差达到±5 μm。加工效果如图9所示。

图8　激光加工示意图

图9　激光加工效果

工作台系统与激光器的协同控制，由于激光开关延时误差，以及运动控制系统理论速度与实际速度的偏差，导致在加工过程中加工图形出现长度精度误差以及定位精度误差，伴随着工作台运动速度的增大，误差越大，导致激光加工图形达不到精度要求，如表2所示。

对长度误差与定位精度误差数据分别进行拟合处理分析（见图10），得到误差拟合曲线。长度补偿拟合公式y1=4.5989x+0.0385，定位补偿拟合公式y2=6.4286x+1.9231，得到的公式，分别带入加工程序，检验满足激光加工的精度要求。定位精度±3 μm，长度误差±5 μm，消除了激光加工过程中的误差，提高加工质量。

表2　加工精度补偿

图10　精度补偿曲线

通过测量计算，得到激光补偿公式，消除了激光加工过程中的误差，特别是激光高速加工过程中产生的误差，极大地提高激光设备的加工效率和加工质量，达到并超过用户的加工要求，对JHQ-400紫外激光设备的推广应用起到积极的促进作用。

4　结束语

通过PZT陶瓷激光加工工艺的研究，得到实现PZT电极的激光加工条件，解决激光加工工艺过程中存在的问题，改进加工运动工作台系统与激光器的协同控制，极大地提高了激光加工的精度和加工效率，克服了PZT陶瓷加工难题，为PZT陶瓷激光加工的大批量生产奠定了坚实的基础，还可以推广应用到相关半导体激光加工产业，对激光加工设备应用起到积极的推动作用。

Research of Laser Processing on Piezoelectric Ceramic

YANG Songtao，ZHANG Wenbin，PEI Zhangqin，CHENG Xiuquan，ZHAO Lihua

（The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China）

Characteristics and processing method of piezoelectric ceramic were introduced in the paper. The principle and use of laser will be discussed in the piezoelectric ceramic's processing.by analyzing and calculating，the problems of precision have been solved.The precision and efficiency of process were enhanced completely in order to get well effect.This function has changed the single machining mode and expanded the application of laser machining equipment.

Piezoelectric ceramic；Laser processing；Precision

TN29

B

1004-4507（2016）10-0033-05

2016-09-12

杨松涛（1984-），男，工程师，河南武陟人，毕业于哈尔滨工业大学，现任职于中国电子科技集团第四十五研究所，现从事激光加工设备研发工作。