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超快激光开辟加工应用新天地

导读: 自1960年代激光技术问世以来,其应用范围早已愈来愈广,激光在加工方面具有加工精细、生产效率高、适用范围广及易自动化等优点,因此对很多应用产业包括印刷电路板、太阳能电池和平面显示器产业等,特别具有影响力。

  自1960年代激光技术问世以来,其应用范围早已愈来愈广,激光在加工方面具有加工精细、生产效率高、适用范围广及易自动化等优点,因此对很多应用产业包括印刷电路板、太阳能电池和平面显示器产业等,特别具有影响力。而受近年3C产品朝向「轻薄短小」与「多功整合」发展趋势影响,「微制程」更成为电子产业再升级的关键,而激光具有可在物件极微小区域范围内进行加工动作的特性,可用来取代一些传统制程所无法完成的工作项目,因此特别受到广泛注目。

  微激光加工制程技术依激光光脉冲宽度可区分为:飞秒级(fs)、皮秒级(ps)及奈秒级(ns)激光等,一般次皮秒级和飞秒级属於超快激光加工。飞秒级激光由美国Clark-MXR公司生产的激光加工机为主,产品尺寸精度可达奈米等级(约50nm)。相较於传统激光(奈秒级)容易发生热效应的微裂缝、融熔残渣、重铸区、精度差的缺点,飞秒激光所具备的超强、超快、超微物理特性,使其在IC半导体、显示器、生医、太阳光电、微机电等产业深具突破性的应用潜力。

  超短脉冲激光(或称超快激光)之所以能达成高品质之微加工制程乃因於此超短脉冲於加工物质上的作用机制。超短脉冲的光交互作用机制与传统激光脉冲完全不同,以下我们将基於相同的微加工过程而唯有脉冲时间不同的基础下做详细比较。

  首先,我们可以了解微加工的品质强烈地取决於工件上的热堆积程度,或更精准地说是依热的能量所留在材料上所带来的破坏。而超短脉冲则远远比任何标准要来的短的多,所以能量并没有足够的时间经由热传导等机制扩散至加工点外的区域。如此高的能量在如此快的时间内聚积在材料中,将导致所谓电浆化的反应,此电浆随即从材料中以高能量气体形式带着大部分的热能飞散而出。过程中,材料是由固态不经液态直接转换成气态溅散,所以几乎没残留什麽热在材料上,加工品质因此非常理想。没有任何其他的加工模式能够产生如此高的能态,所以拥有此独特能力的超快激光才能达成有别於传统激光加工所达不到的加工精度。

  首先我们要先了解传统激光加工的原理,如此我们才能更进一步理解超快激光加工技术的不同之处。当然我们必须阐明这些是很复杂的,甚至有些部分在物理上来说都还不是完全地被了解了。尽管如此,我们确实了解到极短脉冲在物质上的交互作用与传统激光加工是完全不一样的。例如,我们已经知道超快激光脉冲在物质的交互作用上具有极高的再现性(我们将在後面讨论其原因),这一发一发具再现性的结果也使得微加工能获得极高的品质。

  首先要从了解一些我们不是那麽熟悉的时间尺度开始,以下是一些短时间的尺度定义:毫秒、微秒、奈秒、皮秒及飞秒。飞秒是奈秒的百万分之一。是的!那是一个非常快的时间,所以我们称其为"超快"。一般常见的传统激光加工机的激光脉冲大约是几个奈秒,所以飞秒激光的脉冲大约仅有百万分之一,那麽短、那麽快!

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