浅谈高速激光微加工的重要性

2021-07-15李峰西索海生邢振宏高凯陈中莉

中国设备工程 2021年13期

李峰西，索海生，邢振宏，高凯，陈中莉

（济南森峰科技有限公司，山东济南 250101）

自激光加工技术出现以来，以其加工的精度高、无污染以及效率高等特点，应用越来越广泛，发展也越来越迅速。由于激光的空间适应性和时间适应性非常好，且非常适合不同材质、形状和大小的各种类型材料，非常适合自动化加工处理。尤其是高速激光微加工技术与数控技术相结合，是现代高端电子制造业加工的主要方向。

1 高速激光微加工概述

高速激光微加工通常需要旋转激光束以切割和加工超过激光束直径的孔，该工艺一般通过高速旋转的转镜实现。转镜使用旋转的导光结构以入射激光束为轴的通过平面透镜旋转，实现反射激光束切割加工的目的，通过调整平面透镜与入射激光束的角度即可实现不同孔径加工的目的。该种加工方式的结构和原理较为简单，且激光的能量损失小，具有一定的加工优势。但是由于在加工时，反射激光束不是以直角射入工件，而是有一定的倾斜角，因此加工后的孔径内表面为锥形面而非直孔，因此难以满足实际需求，因此需要对其进行一定的优化。也可以通过使用楔形棱镜的方式代替平面镜，对入射激光束进行反射，该工艺可以一定程度上改善锥形孔问题，但并不能完全避免。因此，在新阶段，也有人应用旋转组合棱镜进行改进。这种结构是通过将两个楔形棱镜以斜面平行放置的方式对入射激光以轴线进行反射，该结构可以将激光束以直角射入加工件，因此避免了锥形孔的问题。但是也存在一定的缺点，即激光束经过两次反射，损失的能量较多，且对两个楔形棱镜以斜面平行调节较为困难。

2 高速激光微加工技术原理和特点

2.1 高速激光微加工技术原理

高速激光微加工是利用激光的高温特性对物质进行加工的一种技术，可以进行切割、焊接、打孔、表面微加工等工艺。作为现代高端加工技术广泛应用于多个领域，可以有效提高加工的质量、精度、自动化程度，并且可以减少污染、节约材料损耗、降低劳动力消耗以及降低加工成本。由于高速激光微加工技术易于使用，具有能量密度高、加工对象范围广的特点，因此已经在多个行业普及应用。在高速激光微加工过程中需要通过激光束与材质表明的相对运动完成加工工艺。在激光加工中，照射高能量密度的激光束的目的是使材料熔化，从而防止气化、切断和焊接等问题。最初的激光加工主要用于低功率微焊接，具体的焦点是高强度的激光输出，使用激光透镜进行聚焦，气温可达100000摄氏度，任何材料都可以熔化并立即蒸发，达到开孔和切割的目的，激光加工技术通常用于焊接材料以达到产生光能的热效应。

2.2 高速激光微加工技术特点

高速激光加工技术使我们的生活变得非常美好，与传统加工技术相比具有太多优势。现在已被广泛使用，并且很容易适应新产品，已经成为社会的主流加工技术之一。如今，越来越多的企业开始采用高速激光微加工技术，因为它涵盖了光学、机械、电子、材料和其他学科。高速激光微加工技术的工作环境非常简单，适应性非常高只需激光器可以正常工作即可应用，不需要其他设备和材料即可实现长期连续加工的目标，而且自动化程度高，人工干预要求低，可以在计算机技术结合应用与数控加工领域，非常方便。主要有如下特点：

（1）高速激光微加工效率高：由于激光束的能量密度非常高且热影响区很小，因此加工效率非常高，可以实现对各类材料进行加工的目的。

（2）无须机械接触：使用高速激光微加工，不需要直接接触被加工材料，且无须机械作用，因此可以有效提高材料的利用率，降低材料损耗，也因此，导致的加工废物较少，污染降低，对环境的影响低。

（3）激光直写：激光直写技术可以克服传统加工模板的局限性，并且可以基于加成法和减成法以统一的方式完成加工。高速激光微加工技术的技术集成度非常高，特别适合小尺寸集成电路的生产、批量和快速试生产的要求。

（4）激光技术与计算机集成系统的结合：通过将高速激光微加工技术与集成的计算机制造系统相结合，可以确保加工更加准确，还可以确保高速激光微加工技术易于导向和聚焦，从而使用户可以频繁地更改不同的加工方式以适应加工要求。

3 高速激光微加工的优化

由于实际应用中激光微加工存在一些缺陷，需要对转镜结构进行改进，以提高高速微加工的效率和质量。优化后的转镜结构主要包括光学镜、镜筒及其支承旋转装置。光学镜是可以透射所使用的激光的平面透镜，例如平面石英透镜、平面水晶透镜等，由两根同轴线的支承轴夹持透镜，并且两个支撑轴分别组装在旋转镜筒壁上的同轴线孔，形成平面透镜的回转轴承；用于调节角度的旋转杆活动地连接至平板透镜支架，并且杆的另一端延伸至镜筒壁的外部。在杆的外圆形表面上设有螺纹，该螺纹与圆形镜筒的壁中的孔的内螺纹重合。新型的高速激光微加工转镜装置，可以根据激光加工过程中的需要调节平面透镜的角度。当激光束的轴和平面透镜的入射平面不垂直穿过平面透镜并撞击工件表面时，此时可通过平面透镜的功能使入射光束的轴平移并且方向保持不变，使激光束的轴垂直于工件的表面，由于加工而成的孔也为直孔，且由于采用平面透镜其能量损失较小。如图1所示。

图1 优化后的转镜结构

4 高速激光微加工技术的应用

随着科学技术的进步，现代社会越来越重视精密仪器，越来越多的电子工业产品正朝着小型化和精密化发展。例如，现代手机的集成电路结构密布超过上千条电路。提高封装芯片水平的关键在于在不同电路之间实现微型过孔加工，微型过孔之间的不仅可以提供高速连接，而且可以减小封装面积。随着现代电子设备的需求越来越大，应用越来越广，高速激光微加工的应用范围也越来越大。现阶段高速激光微加工主要有以下应用。

4.1 激光微调

使用激光束聚焦获得所需的能量密度并通过控制汽化选择的材料部分，以便进一步确保电子器件的制造精度，即为激光微调技术。激光微调广泛用于调整电阻器、电容器。石英晶体、集成电路等，可以实现精密加工的目的，且对周围结构的影响较小，能量消耗低，且不会导致环境污染，是高速激光微加工的常用加工方式之一。相比其他的加工方式，激光微调的优势非常突出，且融合了多个学科的知识，如光学、电子学等，且随着技术的发展，可以与信息技术进行融合，从而越来越智能自动化，加工效率也越来越高。

4.2 激光打孔

激光打孔是高速激光微加工最常用的加工方式之一，比如，激光打孔最常见的应用是各类银行卡中的IC芯片封装，此外，还有多层电路板的过孔加工等。相比其他打孔方式，激光打孔技术成本更低，且灵活性和适应性较强，现阶段已成为主要的打孔技术。

4.3 激光清洗

现阶段有两种主要的激光清洗机制。（1）激光能量被周围的颗粒和清洗剂吸收，导致清洗剂迅速加热并爆炸性蒸发，因此可以直接冲洗材料表面上的颗粒以达到清洗目的。（2）不需要清洗剂，而仅需要激光照射材料表面。激光吸收的能量产生热量，将颗粒从表面冲走。此方法需要高精度激光，也被称为干激光清洗方法。而且，随着集成电路的密度的不断提高，如果制造过程中被微粒污染，将导致严重的材料短缺。传统的化学清洗方法、机械清洗方法和超声清洗方法对处理材料表面的微粒效果不佳，且易造成材料损坏。激光清洗方法能够以非研磨、非接触和非热的方式清洗多种材料，从而有效地从材料表面清除小颗粒，而不会导致模板的破裂。因此，进行激光清洗是目前最有效、最安全的方法。