淺談高速激光微加工的重要性

李峰西，索海生，邢振宏，高凱，陳中莉

（濟南森峰科技有限公司，山東 濟南 250101）

自激光加工技術出現以來，以其加工的精度高、無污染以及效率高等特點，應用越來越廣泛，發展也越來越迅速。由于激光的空間適應性和時間適應性非常好，且非常適合不同材質、形狀和大小的各種類型材料，非常適合自動化加工處理。尤其是高速激光微加工技術與數控技術相結合，是現代高端電子制造業加工的主要方向。

1 高速激光微加工概述

高速激光微加工通常需要旋轉激光束以切割和加工超過激光束直徑的孔，該工藝一般通過高速旋轉的轉鏡實現。轉鏡使用旋轉的導光結構以入射激光束為軸的通過平面透鏡旋轉，實現反射激光束切割加工的目的，通過調整平面透鏡與入射激光束的角度即可實現不同孔徑加工的目的。該種加工方式的結構和原理較為簡單，且激光的能量損失小，具有一定的加工優勢。但是由于在加工時，反射激光束不是以直角射入工件，而是有一定的傾斜角，因此加工后的孔徑內表面為錐形面而非直孔，因此難以滿足實際需求，因此需要對其進行一定的優化。也可以通過使用楔形棱鏡的方式代替平面鏡，對入射激光束進行反射，該工藝可以一定程度上改善錐形孔問題，但并不能完全避免。因此，在新階段，也有人應用旋轉組合棱鏡進行改進。這種結構是通過將兩個楔形棱鏡以斜面平行放置的方式對入射激光以軸線進行反射，該結構可以將激光束以直角射入加工件，因此避免了錐形孔的問題。但是也存在一定的缺點，即激光束經過兩次反射，損失的能量較多，且對兩個楔形棱鏡以斜面平行調節較為困難。

2 高速激光微加工技術原理和特點

2.1 高速激光微加工技術原理

高速激光微加工是利用激光的高溫特性對物質進行加工的一種技術，可以進行切割、焊接、打孔、表面微加工等工藝。作為現代高端加工技術廣泛應用于多個領域，可以有效提高加工的質量、精度、自動化程度，并且可以減少污染、節約材料損耗、降低勞動力消耗以及降低加工成本。由于高速激光微加工技術易于使用，具有能量密度高、加工對象范圍廣的特點，因此已經在多個行業普及應用。在高速激光微加工過程中需要通過激光束與材質表明的相對運動完成加工工藝。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，從而防止氣化、切斷和焊接等問題。最初的激光加工主要用于低功率微焊接，具體的焦點是高強度的激光輸出，使用激光透鏡進行聚焦，氣溫可達100000攝氏度，任何材料都可以熔化并立即蒸發，達到開孔和切割的目的，激光加工技術通常用于焊接材料以達到產生光能的熱效應。

2.2 高速激光微加工技術特點

高速激光加工技術使我們的生活變得非常美好，與傳統加工技術相比具有太多優勢。現在已被廣泛使用，并且很容易適應新產品，已經成為社會的主流加工技術之一。如今，越來越多的企業開始采用高速激光微加工技術，因為它涵蓋了光學、機械、電子、材料和其他學科。高速激光微加工技術的工作環境非常簡單，適應性非常高只需激光器可以正常工作即可應用，不需要其他設備和材料即可實現長期連續加工的目標，而且自動化程度高，人工干預要求低，可以在計算機技術結合應用與數控加工領域，非常方便。主要有如下特點：

（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熱影響區很小，因此加工效率非常高，可以實現對各類材料進行加工的目的。

（2）無須機械接觸：使用高速激光微加工，不需要直接接觸被加工材料，且無須機械作用，因此可以有效提高材料的利用率，降低材料損耗，也因此，導致的加工廢物較少，污染降低，對環境的影響低。

（3）激光直寫：激光直寫技術可以克服傳統加工模板的局限性，并且可以基于加成法和減成法以統一的方式完成加工。高速激光微加工技術的技術集成度非常高，特別適合小尺寸集成電路的生產、批量和快速試生產的要求。

（4）激光技術與計算機集成系統的結合：通過將高速激光微加工技術與集成的計算機制造系統相結合，可以確保加工更加準確，還可以確保高速激光微加工技術易于導向和聚焦，從而使用戶可以頻繁地更改不同的加工方式以適應加工要求。

3 高速激光微加工的優化

由于實際應用中激光微加工存在一些缺陷，需要對轉鏡結構進行改進，以提高高速微加工的效率和質量。優化后的轉鏡結構主要包括光學鏡、鏡筒及其支承旋轉裝置。光學鏡是可以透射所使用的激光的平面透鏡，例如平面石英透鏡、平面水晶透鏡等，由兩根同軸線的支承軸夾持透鏡，并且兩個支撐軸分別組裝在旋轉鏡筒壁上的同軸線孔，形成平面透鏡的回轉軸承；用于調節角度的旋轉桿活動地連接至平板透鏡支架，并且桿的另一端延伸至鏡筒壁的外部。在桿的外圓形表面上設有螺紋，該螺紋與圓形鏡筒的壁中的孔的內螺紋重合。新型的高速激光微加工轉鏡裝置，可以根據激光加工過程中的需要調節平面透鏡的角度。當激光束的軸和平面透鏡的入射平面不垂直穿過平面透鏡并撞擊工件表面時，此時可通過平面透鏡的功能使入射光束的軸平移并且方向保持不變，使激光束的軸垂直于工件的表面，由于加工而成的孔也為直孔，且由于采用平面透鏡其能量損失較小。如圖1所示。

圖1 優化后的轉鏡結構

4 高速激光微加工技術的應用

隨著科學技術的進步，現代社會越來越重視精密儀器，越來越多的電子工業產品正朝著小型化和精密化發展。例如，現代手機的集成電路結構密布超過上千條電路。提高封裝芯片水平的關鍵在于在不同電路之間實現微型過孔加工，微型過孔之間的不僅可以提供高速連接，而且可以減小封裝面積。隨著現代電子設備的需求越來越大，應用越來越廣，高速激光微加工的應用范圍也越來越大。現階段高速激光微加工主要有以下應用。

4.1 激光微調

使用激光束聚焦獲得所需的能量密度并通過控制汽化選擇的材料部分，以便進一步確保電子器件的制造精度，即為激光微調技術。激光微調廣泛用于調整電阻器、電容器。石英晶體、集成電路等，可以實現精密加工的目的，且對周圍結構的影響較小，能量消耗低，且不會導致環境污染，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，激光微調的優勢非常突出，且融合了多個學科的知識，如光學、電子學等，且隨著技術的發展，可以與信息技術進行融合，從而越來越智能自動化，加工效率也越來越高。

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，激光打孔最常見的應用是各類銀行卡中的IC芯片封裝，此外，還有多層電路板的過孔加工等。相比其他打孔方式，激光打孔技術成本更低，且靈活性和適應性較強，現階段已成為主要的打孔技術。

4.3 激光清洗

現階段有兩種主要的激光清洗機制。（1）激光能量被周圍的顆粒和清洗劑吸收，導致清洗劑迅速加熱并爆炸性蒸發，因此可以直接沖洗材料表面上的顆粒以達到清洗目的。（2）不需要清洗劑，而僅需要激光照射材料表面。激光吸收的能量產生熱量，將顆粒從表面沖走。此方法需要高精度激光，也被稱為干激光清洗方法。而且，隨著集成電路的密度的不斷提高，如果制造過程中被微粒污染，將導致嚴重的材料短缺。傳統的化學清洗方法、機械清洗方法和超聲清洗方法對處理材料表面的微粒效果不佳，且易造成材料損壞。激光清洗方法能夠以非研磨、非接觸和非熱的方式清洗多種材料，從而有效地從材料表面清除小顆粒，而不會導致模板的破裂。因此，進行激光清洗是目前最有效、最安全的方法。

5 結語

由于高速激光微加工具有的應用優勢，世界各國對它的興趣日益濃厚。許多國家在研究高速激光微加工技術上投入了大量的人力和物力，許多研究機構正在不斷創新并努力突破一些技術瓶頸。

高速激光微加工技術取得了長足的進步，但仍然面臨著一些亟待解決的關鍵技術問題。如何更好地將高速激光微加工技術集成到生活加工應用的各個領域，以及如何快速廉價地實現加工目的，是廣泛使用高速激光微加工技術的先決條件。本文簡單介紹了高速激光微加工以及其優化研究，以期為相關應用提供參考。