PZT陶瓷的激光加工研究

楊松濤，張文斌，裴章琴，程秀全、趙立華

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

PZT陶瓷的激光加工研究

楊松濤，張文斌，裴章琴，程秀全、趙立華

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

介紹了壓電陶瓷的分類特性和加工方式，以及激光在壓電陶瓷加工中的原理和應用，通過分析計算解決了激光加工過程中的精度誤差問題，提高了加工精度和效率，取得了良好的加工效果；研究結果可以應用于相關激光加工設備的升級和改進。

壓電陶瓷；激光加工；精度

具有優良性能的壓電陶瓷（PZT）的超精密加工作為新課題己成為普遍關注的新焦點。壓電陶瓷在電子、醫療、光學、儀器儀表、航空航天和民用等行業用來制造高技術產品的前景十分廣闊。

壓電陶瓷雖然具有其他材料無法比擬的優越性能，但因它具有脆性的缺點，且加工困難，在一定程度上又限制了它的使用范圍。激光加工尤其是超短脈沖“冷激光”加工，具有無接觸加工、光斑小、能量集中，效率快，加工精度高等優點，正好克服壓電陶瓷脆性難以加工的缺點，在壓電陶瓷加工領域得到越來越廣泛的應用。

1　壓電陶瓷的加工方式

壓電陶瓷可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用產生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電陶瓷在工程中得到了廣泛的應用。對壓電陶瓷施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。壓電陶瓷的這種特性使其廣泛應用于電子、醫療、光學、儀器儀表、航空航天和民用等領域。

壓電陶瓷雖然具有其他材料無法比擬的優越性能，但是它也有自己最顯著的缺點、即脆性，表現為在外力作用下不發生顯著變形即告破壞，這一嚴重弱點使其在實際應用中很容易造成災難性后果，因此在一定程度上又限制了它的使用范圍。除了脆性這一最大弱點外，它還存在加工極困難，很難像普通材料一樣對陶瓷進行機械加工。要實現壓電陶瓷所具備的優異性能，就必須加工成具有一定精度的形狀和尺寸，因此，研究壓電陶瓷的加工技術，特別是精密、超精密加工技術具有重大的應用價值，也有很大的現實意義。

加工壓電陶瓷的方法主要包括以下幾種：刻蝕加工（濕法刻蝕和干法刻蝕）、機械加工、激光加工以及其它加工方法（如電火花加工）等。加工方式對比見表1。

表1　加工方式對比

與其它加工方式相比，紫外激光除了無接觸加工、光斑小、能量集中、自動化程度高等優點外，同時其具有波長短、單脈沖能量大，可以和壓電陶瓷材料發生光化學消融（“冷加工”），熱影響小，加工精度更高。紫外激光憑借其獨特的加工優勢，同時與高精度快速運動系統相結合，加工效率高，質量更好，是理想的加工方式。隨著生產技術的進步，紫外激光器及光學元器件成本大大降低，激光加工設備在壓電陶瓷等領域得到越來越廣泛的應用。圖1所示JHQ-400激光劃切機。

圖1　JHQ-400激光加工設備

2　激光加工設計

2.1光化學消融

光化學消融又稱為光解剝離作用。如果激光的光子能量足夠高，當材料受到激光輻射時，材料表面很薄的一層（厚約0.1 μm）吸收脈沖能量。這一部分微小體積的材料吸收高峰值功率的脈沖后，會導致材料內部電子鍵的斷裂，生成的分子碎片擴散形成等離子體，這些向外擴散的等離子體可以將多余的能量從材料帶走，因此，對加工區域附近的材料幾乎沒有損害。

圖2為光化學消融示意圖。

圖2　光化學消融

通過光化學消融深度與入射激光能量密度的關系曲線可以得到當激光能量密度達到8.66 J/cm2時，激光光化學消融深度大于5 μm。如圖3所示。

圖3　光化學消融深度-入射激光能量密度的關系曲線

2.2光斑直徑

激光束聚焦光斑直徑（1/e2）由激光波長、光束耦合質量、聚焦物鏡焦距（它影響加工區域范圍）和聚焦系統光圈孔徑確定（以高斯光束近似）（見圖4）。

圖4　聚焦光斑直徑

其中，

d─聚焦光斑直徑，

λ─激光波長（355 nm），

f─聚焦物鏡焦距（103 mm），

M2─光束質量（1.3），

D─光束聚焦前直徑（8 mm），

k─校正因子（理想值1.27；因光圈或物鏡處衍射，較典型值1.83），

由此計算得：d=0.355×103×1.3×1.83/8= 10.9 μm，

通過計算，當激光光斑直徑為10.9 μm，激光重復頻率150 kHz，激光輸出平均功率3.3 W，激光能量密度達到8.66 J/cm2時，激光光化學消融深度大于5 μm，實現PZT陶瓷金屬電極層的激光刻蝕。

3　加工過程

紫外激光加工時，由于激光首脈沖輸出能量大，在激光加工的起始點位置存在嚴重的熱效應，也就是所謂的“火柴頭”現象，嚴重影響了產品的加工效果，這就需要給激光增加開關延時，避免激光首脈沖。同時充分考慮激光輸出系統和運動系統之間的協調同步性，把激光、工作臺運動有機結合在一起，并優化相互的匹配參數，從而在整個工作區域內獲得高速度、高精度、高質量的加工效果。如果激光控制與工作臺運動控制出現不協調的現象，會導致激光加工不完整或者激光加工定位誤差大。

激光在加工時，由于加工速度會影響切槽的深度和寬度，所以必須保證激光加工時工作臺速度恒定，從而保證整體加工質量一致。同時，激光器開啟的一段很短的時間內（小于1秒），其各種參數，如激光功率、激光重復頻率等參數也不能達到預定值（如圖5、6），因此，需要在激光加工過程中，屏蔽掉激光器參數不穩定的這段時間。

圖5　激光加工中屏蔽工作臺運動加速、減速段

圖6　激光加工中屏蔽激光器參數不穩定段

我們在工作臺運動和激光開關的時序上考慮了激光和工作臺運動的動態特性，如工作臺的響應時間、激光的響應時間以及被加工的物體對激光的敏感程度等。為此，我們在矢量段開始和結束處插入必需的延時。利用這些延時，可以很好地協調工作臺運動和激光開關的關系。見圖7所示。

工作臺系統與激光器的協同控制是保證高質量劃切的關鍵。

圖7　激光控制時序圖

針對PZT陶瓷，加工虛線、盲槽、切斷以及其它加工圖形（如圖8所示），當激光光斑直徑為10.9 μm，激光重復頻率為150 kHz，激光輸出平均功率3.3 W，激光能量密度達到8.66 J/cm2時，激光光化學消融深度大于5 μm，實現PZT陶瓷金屬電極層的激光刻蝕。通過精密控制激光的輸出參數和運動控制系統相結合，在陶瓷表面鍍層刻蝕出寬度和深度精度極高的圖形，從而改變壓電陶瓷的電性能，滿足PZT陶瓷的加工要求，其中深度誤差達到±3 μm，位置定位精度達到±3 μm，長度誤差達到±5 μm。加工效果如圖9所示。

圖8　激光加工示意圖

圖9　激光加工效果

工作臺系統與激光器的協同控制，由于激光開關延時誤差，以及運動控制系統理論速度與實際速度的偏差，導致在加工過程中加工圖形出現長度精度誤差以及定位精度誤差，伴隨著工作臺運動速度的增大，誤差越大，導致激光加工圖形達不到精度要求，如表2所示。

對長度誤差與定位精度誤差數據分別進行擬合處理分析（見圖10），得到誤差擬合曲線。長度補償擬合公式y1=4.5989x+0.0385，定位補償擬合公式y2=6.4286x+1.9231，得到的公式，分別帶入加工程序，檢驗滿足激光加工的精度要求。定位精度±3 μm，長度誤差±5 μm，消除了激光加工過程中的誤差，提高加工質量。

表2　加工精度補償

圖10　精度補償曲線

通過測量計算，得到激光補償公式，消除了激光加工過程中的誤差，特別是激光高速加工過程中產生的誤差，極大地提高激光設備的加工效率和加工質量，達到并超過用戶的加工要求，對JHQ-400紫外激光設備的推廣應用起到積極的促進作用。

4　結束語

通過PZT陶瓷激光加工工藝的研究，得到實現PZT電極的激光加工條件，解決激光加工工藝過程中存在的問題，改進加工運動工作臺系統與激光器的協同控制，極大地提高了激光加工的精度和加工效率，克服了PZT陶瓷加工難題，為PZT陶瓷激光加工的大批量生產奠定了堅實的基礎，還可以推廣應用到相關半導體激光加工產業，對激光加工設備應用起到積極的推動作用。

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

楊松濤（1984-），男，工程師，河南武陟人，畢業于哈爾濱工業大學，現任職于中國電子科技集團第四十五研究所，現從事激光加工設備研發工作。