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真正的微加工--激光微加工系统

2007-10-16 10:34
人在旅途20
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                                                            Greg Anderson

火花飞溅的图像以及大型的五轴激光系统的精确性已经成为工业领域内熟知的特点,正如设备制造商们在大型工具展,比如在芝加哥每两年举行一次的IMTS上所展示的。最近,一系列新的激光工具已经开始成为人们关注的中心,即激光微加工系统。

这些激光产品为实现目前工业制造中复杂的要求提供了技术途径。目前的工业制造中要求具有超高精度,工具尺寸几乎是无穷小。制造业中日益严格的要求已成为事实,不论你是在一个硬币大小的芯片上写几十亿个电子指令还是在生产一根头发丝大小的齿轮和支架。

                    
薄壁(0.010英寸)不锈钢焊接的样品,而后对管身和端盖进行抛光

激光微加工技术为一些用其他技术无法解决的问题提供了解决方案。比如,它使得加工过程无须进行零件接触,在零件上也没有机械作用力,此外,它能够得到几乎是无穷小且不会破裂的工具。可以使用不同波长的激光来加工特定的材料,而不影响同一个零件上的其他地方。激光器的能量可控性和输出的一致性使得它可以得到微米量级的加工深度。对激光加工来说,材料的硬度不是一个重要的问题,这样在陶瓷或者钻石上钻一个直径为0.005英寸的孔,就和在不锈钢、铜或FR4 PCB材料上钻孔一样了。因为激光束光斑小,能量可控,所以利用激光来焊接精细部件,如箔这类金属薄片,或者是进行密封焊接都没有问题。这样,极小的孔,甚至是盲孔,使用合适的波长和光学元件也能够很好的完成。激光技术最有用的特点之一就是激光束的波长。激光波长分为不同的颜色,可见光和不可见光。所有的材料吸收或者反射不同波长的光;硅,用于IC核心芯片(IC芯片的大脑)的制造,一般它不吸收大于1100 nm的光。玻璃,二氧化硅,或者常见的透明材料,能够透过红外波段的光(1064 nm),使得光波穿透材料且没有任何影响。CO2激光,波长为10,600 nm,能够被大部分的有机材料吸收而不管它们是什么颜色的。 

通常激光微加工系统利用了这些特点来做特别的工作。比如,在汽车收音机里的背光按钮中包括了一个塑料按钮,上面有一层白色油漆,在上面是一层黑色或者其他暗色。红外波长的(1064nm)激光能去除黑色油漆,它会被激光吸收,但是,激光在白色油漆上被反射,这样就不会破坏下面的白色。只要有一点光,你就能看到在“黑暗里发光”的收音机按钮了。

当你有一系列多色的包装用标签,需要写“生产日期”和批号作为必要的永久标记,在这里可使用CO2波长激光器(10,600 nm),它的光束可以被所有不论是白色的还是黑色的涂料和墨水吸收。

另一个问题是如何密封地焊接一个不锈钢的可移植起博器,它必须在一个真空室内被焊接。使用一个真空的手套盒,使用一套内置的手套来加载和处理零件,在该设施的顶部插入玻璃窗,然后使用红外波长(1064 nm)激光,它可以穿透玻璃,这样就在真空腔内的零件上得到了焊缝。 
 
                                  
                                   波长可选的加工过程的样品。
1064 nm激光烧蚀铸模化合物,但是保留了很小的焊线和焊点——IC失效分析

高频且连续带电的激光空腔,其调Q脉冲频率范围为1kHz到100kHz (有些脉冲激光甚至可以高达MHz范围),而低频脉冲激光器设计范围为10Hz到100Hz。调Q频率越低,停机时间就越长,每个脉冲的能量就越大。低的调Q频率被用于切割,打孔和加工制造。高频脉冲,其峰值功率较小,但是可用于焊接和熔化的平均功率更大,而切口和划线不会受到热影响区(HAZ)的负面效应。

在脉冲激光器中,每次激光器调制脉冲,就有一次激光能量被送出。这些脉冲通常其能量层次要高于调Q激光器,而且对能量的控制要更好。脉冲激光器的脉冲能量十分连续,可被用于许多情况,或者是要求有精确的深度控制的情况,或者是要求在难以加工的材料中钻深孔。

激光器的脉宽是在设计激光器腔体时就固定了的,很可能这是在微加工中最为重要的特性之一。在激光器的每个脉冲中,不论它是调Q激光器(工作在1KHz到100KHz)或者是脉冲激光器(工作在1Hz到100Hz),都有一个周期时间,在这段时间内脉冲的实际能量被释放。这段时间间隔对激光器系统的任何过程来说都是至关重要的。如果脉宽很短,少于60纳秒,在目标材料上就会有烧蚀或者汽化过程产生,热影响区域很小。许多关键的微加工过程可能对激光通过附近的区域或者组件没有热影响。在使用中的电气设备上可以直接得到激光切口,而除了所需要的效果外,不会对它的电气特性带来其他改变。

更长的脉宽,大于100 ns,每个脉冲有更小的峰值功率,但是因为能量在那里的时间更长,所以这些脉冲可以提供在很多激光应用中有用的特性。当材料过于敏感,而不能忍受更短脉宽的更高能量的冲击,比如钻石打孔或者切割,或者材料需要吸收更多热量或激光来获得切割和划线时更干净的边缘质量,如ITO微修时所要求的那样,更长脉宽就是有利而非有害的了。

激光束一个明显的优势就是不论光束有多小(甚至小于25微米),它都不会在工件内破裂,它也不会在零件内部加工时变钝。这种非接触式的加工特点有着许多方面的优势。

零件上没有应用任何力矩,所以只需很少量且不昂贵的固定装置。许多系统都不使用固定装置:零件被放置在视觉系统中,确定了位置和角度后被输入发射激光的计算控制系统,而后对零件进行加工。其他系统允许操作员在摄像机下放置一个零件,然后CAD图像被“拖动和放置”到正确的位置,然后进行零件加工。

无限小的加工工具的想法很合乎人们的需要,因为在传统的加工,特别是微加工中,工具越小,相应的困难就越大。传统的工具会断裂,小的钻头会折弯或者移位,而铣刀甚至放电加工中的电极只对某一些最小特征尺寸起作用。

利用改变波长和光学装置,激光光斑大小可被调整到任意尺寸。小到25微米的切口宽度和小到25微米的小孔都成为可能,此外,通过使用掩膜和象平面的光学装置,可以实现特征尺寸在微米甚至亚微米量级。

许多微加工应用涉及了精确的深度控制(达微米和亚微米精度),例如润滑油膜的凹腔,或者是液体循环设备的柔性材料上打的沟道。 
 
                
  脉宽和热影响区效应的实例——陶瓷上的15微米的小孔。
左边的小孔是由皮秒紫外激光得到的,右边是由飞秒紫外激光得到的。


其他的例子可能需要在微米量级的误差内移除物质层以保护下面的部分,例如在一个微型多层混合电路版中去掉铜的一层,而不破坏下面的其他层。另一个例子是在多线电缆中去除外面的绝缘层而不影响里面电线的绝缘性,而且整条电缆直径只有200微米,绝缘层的厚度在微米量级。

太硬而不能用传统技术来加工的材料是激光微加工的主要备选材料。比如钻石,它被用于工业领域的很多场合,也被用于珠宝业和化妆品业。激光技术被用于生产水喷嘴,以及用于拉丝的硬模。对于水切割系统中的喷嘴,利用激光技术,小孔被打在一个钻石嵌入头上。这些喷嘴要承受的压力超过55,000 psi,水的流速为3000 ft/s。小孔直径范围为50-400微米。

为了得到很细的丝,人们通过拉丝硬模对材料进行拨丝作业;这就是为什么在这些条件下要选择金刚石。

依赖激光技术来进行生产制造的另一个例子是,在硬质材料(如Hastalloy)上钻很小的孔或很深的孔,从而得到喷气发动机叶片上的散热孔。在这项应用中,使用了脉冲激光来进行冲击钻孔。这项技术使用了重复形式的脉冲,每个具有稳定高能量的脉冲都去除了固定数量的材料。

激光焊接系统具有的小尺寸光斑和可控的、稳定的能量使得它成为一些传统MIG焊接,TIG焊接,气体焊接或者送丝设备所不适用场合中的理想选择。

直径为1.88 mm薄壁型的圆柱状电子晶体,它的壁厚可以仅为125微米,内部的组件封装必须被焊到一起,使得盖子可以位于柱体内部大约一半的位置。实现这个焊接又不会带来过多热量的唯一方法就是使用聚焦的激光束。

今天,在制造业的高技术含量领域,甚至在许多传统生产的低技术含量领域,激光微加工系统的使用是无穷无尽的。这里所提到的激光技术基本特点和例子只是对这个快速进步的制造工具的一些初步介绍。

Greg Anderson是Control Systemation Inc. (CSI)公司(Orlando, FL)的总裁,该公司是激光微加工系统的供应商。网址www.controlsystemation.com

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