皮秒激光氧化鋁陶瓷微孔加工工藝*

杜大明，曹明軒，甘宏海，吳勇華，王 穎，王 敏，劉 浩，袁銘輝

(1.五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529000；2.廣東粵港澳大灣區硬科技創新研究院，廣東 廣州 510000；3.香港科技大學 機械及航空航天工程系，香港 999077)

氧化鋁(Al2O3)陶瓷是常見的電子陶瓷基板材料，屬于難加工的硬脆性材料[1-2]。陶瓷材料硬度高，耐磨性好。傳統磨削加工過程存在溫度升高、切削力大、加工成本高、砂輪磨損嚴重等問題，在一定程度上限制了陶瓷材料的發展與應用。激光陶瓷微加工具有非接觸、熱影響小、效率高等優點[3-5]，這種加工方式可以有效避免刀具磨損和對工件施加切削力[6-8]。激光加工已逐漸成為一種重要的陶瓷加工方法。

短脈沖(毫秒、納秒)激光和超短脈沖(皮秒、飛秒)激光在陶瓷加工中已被廣泛研究。毫秒激光在陶瓷上鉆孔過程中熱效應明顯，孔周邊的飛濺和孔側壁表面的重鑄層嚴重，厚度達幾十微米[9-11]。Zhang等[12]在氧化鋁陶瓷上進行毫秒級激光鉆孔試驗發現，激光脈沖寬度越長或重復頻率越高，越容易形成裂紋，裂紋的長度也越長。通過降低脈沖占空比、增加冷卻氣體壓力和散焦，可以有效降低熱影響區的拉應力和裂紋長度。Xie等[13]在研究納秒激光加工氮化鋁陶瓷的過程中發現，當激光能量高到足以破壞材料的化學鍵時，會發生光化學燒蝕，有效避免了熱作用引起的氧化和碳化，但是毫秒和納秒激光加工后的孔壁上仍有重鑄層，需要化學刻蝕等后處理去除[14]。隨著日益增長的精密加工需求，超短脈沖激光加工成為了陶瓷精密加工領域的研究熱點。Narazaki等利用脈沖寬度可調的激光器(0.4～400 ps)，對不同熱導率的陶瓷材料進行了微孔加工試驗，發現高導熱陶瓷的熱影響區大小與激光脈沖寬度存在顯著的關聯性，而低導熱陶瓷則沒有類似的關聯性，不存在“冷加工”窗口[15]。Kim等[16]和Perrie等[17]研究了氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷的飛秒激光燒蝕過程，得出燒蝕前后陶瓷材料的特性似乎保持不變的結論。進一步研究發現，飛秒激光加工所產生的碎片主要由直徑為20 nm～1 μm、平均直徑為300 nm的氧化鋁單晶納米顆粒組成。與短脈沖激光加工[18-19]的熱作用材料去除機制相比，超快激光的加工機制主要基于光化學效應、多光子吸收[20]以及光電離和碰撞電離[21]，這顯著降低了熱影響。盡管如此，飛秒激光加工仍然不可避免地產生熱應力，導致基材出現裂紋現象[22]。而且，關于超快激光陶瓷微孔加工的報道多以飛秒激光器作為輻射源。飛秒激光器的結構相對復雜，造價較高，且長期工作穩定性仍需進一步優化；而皮秒激光器造價低，穩定性好，已在硬脆材料微加工領域取得了廣泛的應用。

本文以氧化鋁陶瓷作為試驗對象，采用皮秒脈沖激光結合環切加工的方式，系統研究了激光功率、離焦量和掃描速度對微孔質量(錐度、熱影響區、重鑄層)的影響規律，通過微觀圖像討論了激光加工氧化鋁陶瓷的機理。通過合理的工藝優化，實現了對不同孔徑、不同錐度微孔的精細加工，為氧化鋁陶瓷精密加工的工業應用提供了有價值的借鑒和參考。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

本文使用的皮秒激光加工系統(見圖1)主要由激光器、光束整形系統和控制系統等部分組成。激光器為蘇州英谷公司生產的全固態三波段皮秒激光器，其基本性能參數見表1。光束整形系統由2個四分之一波片、半波片、偏振分光棱鏡、擴束鏡和光闌組成。光束整形系統通過擴束鏡將光斑直徑增加到6 mm，再由光闌濾掉高斯光束邊緣部分的雜光，從而截取高能量的中心光束。調節波片位置可以改變激光的偏振態，使通過的光束變成利于加工的圓偏振態。經過整形的激光束由振鏡的場鏡(焦距為160 mm，聚焦光斑直徑為23 μm)聚集于材料表面，即可實現對材料的微孔加工。加工系統中的X-Y二維運動平臺能夠將待加工材料移動至指定加工位置。與Z軸同軸安裝的高分辨率CCD相機用于查找激光焦點位置和觀察激光制孔過程。為便于及時排除加工過程中的熔融、飛濺物，整個加工過程輔以飛塵清除裝置。

參數參數值中心波長/nm1 064脈沖寬度/ps15平均功率/W0～30單脈沖能量/μJ0～200重復頻率/kHz100～1 000光束質量因子/M2≤1.3

1.2 試驗方案

試驗樣品為厚度0.2 mm的氧化鋁陶瓷，主要物理性能參數如下：硬度為1 500 HV，密度為3.6 g/cm3，熱導率為25～30 W/(m·K)，燒結溫度為1 689 ℃。激光加工試驗于超凈間中進行。試驗中采用環切法(見圖2)進行微孔加工，激光束通過掃描振鏡由外環依次掃描到內環。圓環中心未被掃描的部分則在重力作用下自由脫落。預加工的微孔和聚焦光斑直徑均為μm量級，所以實際的微孔直徑將與目標微孔直徑有所差異，由如下公式測算。聚焦光斑的半徑為r，外環的半徑為R，則實際微孔的直徑D如下：

D=2(R+r)

(1)

待加工工件固定在數控工作臺上，觀察指示光(632 nm)并控制X-Y二維運動平臺可精確選擇待加工位置。上下調節固定在Z軸上的場鏡可改變聚焦光斑與工件的相對位置。試驗后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)、光學顯微鏡觀察和測量微孔出入口孔徑的大小、熱影響區和重鑄層等微孔質量的評價指標。

2 分析與討論

2.1 平均功率對微孔質量的影響

在超短脈沖激光制孔氧化鋁陶瓷的過程中，激光光子被材料中電子吸收，導致材料融化、剝落和膨脹沸騰等，實現材料的去除[23]。因此，平均功率對微孔孔徑與孔壁質量起到關鍵作用。圖3所示為不同平均功率打孔氧化鋁陶瓷的光學顯微圖像，由圖3可知，當平均功率為12 W時，微孔出口部分的材料沒有完全去除，微孔未能徹底打穿；當平均功率超過12 W時，焦點處材料被高能量激光束熔化，從出口噴出并帶走部分熔融金屬，導致出口孔徑增大。隨著功率的繼續增加，孔徑略微增加，錐度明顯降低。當功率提高到20 W之后，微孔錐度達到6.8°(見圖4)。這種孔徑的變化趨勢是因為有效聚焦光斑的直徑與激光能量成正比，激光束的能量呈高斯分布，其能量的空間分布如下[24]：

(2)

式中，Ep為單脈沖能量；s為距離激光束中心距離；w0為激光束腰半徑。當增加激光功率，s處的能量密度增大，當該位置的能量密度增加到材料的燒蝕閾值時，就能有效去除材料。有效聚焦光斑直徑的改變增加了焦深，降低了微孔的錐度。

在激光功率18 W、重復頻率100 kHz時，所制微孔的入口和出口微觀圖像如圖5所示，樣件表面

無微裂紋，孔壁質量良好。因為超快激光極短的脈沖寬度，在電子達到與晶格的熱平衡之前激光作用就已經結束。皮秒激光脈沖的能量首先被材料內熱容量小的自由電子吸收，導致熱載流子氣體(電子或電子空穴對)的形成，在極短的時間內，電子碰撞并迅速升溫，此后，電子通過向外輻射聲子傳遞能量給晶格，將晶格變成蒸汽或等離子體狀態。在這個過程中，基本沒有熱傳導。較高的激光功率可以迅速切透材料，提高加工效率，但也會造成微孔邊緣熱影響區和重鑄層的擴大，同時微孔出口周圍有部分碎屑突起，可能是沒有完全去除的氧化鋁陶瓷凝固融化物。

2.2 掃描速度與微孔質量的關系

環切制孔過程中，掃描速度與光斑重疊率存在密切的聯系。假設激光光斑的重疊率為μ，加工孔的直徑為D，激光的聚焦光斑半徑為R，重復頻率為ω，振鏡的掃描速度為V，則一個圓周上的光斑個數n所示如下：

(3)

光斑重疊率與掃描速度的關系如下：

(4)

光斑重疊率的大小直接影響微孔的加工質量，通常將光斑的重疊率控制在50%～95%，以保證激光輻照的材料全部去除[25]。利用式3和式4計算得，掃描速度應控制在100 mm/s～1 000 mm/s范圍內，以避免光斑重疊率對微孔質量的不利影響。

掃描速度與微孔孔徑的關系如圖6所示，微孔的錐度隨掃描速度的增大而增大，即微孔正反面的直徑差變大。這是因為掃描速率過快，聚焦光斑的重疊率將會過小，材料無法吸收足夠的激光能量，導致材料的去除率降低。利用SEM觀察了掃描速度600 mm/s時微孔的截面圖像，對比斷面(見圖6c)與孔壁面(見圖6d)的5 000倍放大圖樣發現，壓鑄成型的氧化鋁陶瓷致密度不高，顆粒間存在許多微孔。激光作用下孔壁材料的間隙和顆粒均變細小，說明氧化鋁陶瓷發生了熱相變過程。陶瓷材料的相變過程取決于激光參數(脈沖寬度、峰值功率)和材料的熱導率。氧化鋁陶瓷的熱導率較低(25～30 W/(m·K))，同時皮秒激光的峰值功率遠低于飛秒激光，導致材料去除過程以熱相變為主。

2.3 離焦量對微孔質量的影響

激光的離焦量(見圖7)是指聚焦光斑焦點處偏離加工材料表面的距離。設激光焦點與材料表面相距h，當光束焦點位于材料表面之下，即h<0時，稱為負離焦，反之稱為正離焦。

離焦量對環切制孔也有一定的影響(見圖8和圖9)。當h>0 mm，即正離焦時，微孔的錐度隨離焦量的增大先減小后增大(見圖8a)，但微孔的圓度會變差，這可能與離焦之后的聚焦光斑質量有關。當離焦量為0.6 mm時，側壁上的顆粒有熔化或再沉積現象(見圖8c和圖8d)。因為過大的離焦量會大大降低激光的能量密度，這意味著部分液態熔融物質將無法獲得足夠的熱能，從而凝結在微孔內壁，影響孔壁的加工質量。當h<0 mm時，隨著負離焦量的增加，微孔的出入口直徑均有所減小，這是由于離焦量大于材料厚度0.2 mm之后，激光束的能量密度大幅降低，導致此時只有一部分材料吸收很少的激光能量，導致液態物質增多[26]。大量熔融物在重力作用下自由滑落，部分液態物質在出口處直接凝固(見圖9d)，從而使出口孔徑較小。

3 結語

本文采用全固態激光器輸出1 030 nm的皮秒激光對0.2 mm氧化鋁陶瓷的精密微孔加工工藝進行了試驗研究，分析了激光功率、離焦量和掃描速度等對微孔錐度、熱影響區和重鑄層的影響。在功率18 W、掃描速度500 mm/s、重復頻率100 kHz、正離焦量0.5 mm的參數下，獲得了直徑100 μm的理想微孔效果。通過正交單因素試驗優化激光加工參數，將微孔的錐度控制在了6°以下。本試驗中采用的激光加工頭是掃描振鏡，場鏡的聚焦必然會給微

孔帶來一定的錐度，雖然優化參數可以進一步減小錐度，但始終無法得到零錐度的微孔。后續關于貝塞爾光束等加工零錐度微孔的加工工藝還有待進一步研究。