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激光材料加工之十大里程碑事件(上)

        这是一项艰巨的任务——评选出在50年激光发展史暨40年工业激光材料加工史中的十大里程碑事件——因为可选的项目很多,且每一项都有被认可、受赞誉之处。但是对于这项工作,如果你抱着这样的信念,即这些里程碑事件曾经并将继续在激光市场的众多应用中发挥重要作用,那么评选工作就能变得简单一点。
        
        评选的准则如下:新应用是否为工业激光加工带来新的突破;在其介入时期,该应用是否创造出主要的商业市场;以及相关激光设备的发展是否衍生了新产品制造技术。
        
        前两种选择及最早期的商业化产品几乎同时在20世纪70年代初被发展成为商业化流程,都受到美国航天局太空计划的推动。其背后的需求是:微型的电子零件将被发射进入太空。 
         
        1.密封 
         
        电子继电器的密封由电子电路行业小型化的需求驱动,是在1973-1975年期间由多家美国激光公司使其商业化;Raytheon,GTE Sylvania,Holobeam和Korad公司当时都互相竞争(现在这些公司都已退出了激光业),试图从国防部和美国航天局的承包商手中获得早期的设备定单。 

图1、早期的微型电气继电器外壳
(Raytheon公司) 

        这些公司将科研的脉冲Nd:YAG激光器商业化,使用精密聚焦光束在薄壁继电器封装的边缘进行重叠的点焊(见图1),在可控的空气系统下进行密封,这是一项激光焊接低热输入的完美应用。 

        该激光系统首次于1973年在市场上销售,激光密封包装封口成为一个主要的业务,并衍生出今天的固体激光器用于可植入医疗设备密封的技术。此应用带来了更可靠的Nd:YAG激光器、精密的运动系统以及计算机过程控制。而且,更重要的是,促使设备供应商开始考虑制造能够在工业环境中生存下来的激光设备。
        
        激光密封在工业激光行业发展中所扮演的角色,即使说它更重要也不过分。在这个应用建立之前,激光器一直被认为是种实验室设备,正在寻求商业市场;设备供应商简单地把这些实验室设备安置在工业环境中。而它们迅速成为了供应商的高级工业化单元,可以承担多班生产作业的严格要求。工业激光密封及下一个应用一起奠定了今天数十亿美元工业激光器市场的基础。 
         
        2.陶瓷基板划线 
         
        微型电子产品也有减少重量的需求,这创造了对更小的微电子基板材料的需求,以便在基板上组成复杂的混合半导体电路。被选择的材料是一种薄的、高纯度烧制氧化铝,易于在生产环境中进行加工。当电路沉积后,利用CO2脉冲激光器在芯片边缘划出一系列的小孔,将陶瓷板分割开来。操作工在划线后分割部件,以用于进一步的组装。
        
        1968年,美国西电公司改进了该工艺使用的技术,1970年相干公司开始售卖低功率CO2激光器。1970年代末,一家名为Lasermation的费城加工车间第一次把经激光划片的陶瓷混合电路卖给贝尔电话公司。一年之内,Lasermation向100多家美国顶尖的电子公司销售了陶瓷混合电路。截至1974年,每天激光钻孔数量估计达20亿个。库尔斯(美国)公司等陶瓷制造商成了激光划片工艺的主力用户,到了这十年的最后阶段,许多合同加工车间都收到大量生产刻划基板的定单。1970年代末和1980年代初期,美国有超过12家加工车间每年生产出成千上万数量的基板。 

图2、激光钻孔和陶瓷基板划线
(Lumonics公司)         

        从那时开始到现在,合同加工车间生产了数百万个基板。其中一家顶尖的车间——美国Laserage技术有限公司,开发出了一种激光打孔技术,允许大批量加工电气应用的通孔(见图2)。设备供应商如Photon Sources公司研发出了更好的控制硬件和软件,以便像Laserage公司这样的用户能利用多重光束处理技术,将光束分成4个加工光束,大大提高生产效率。从这项应用当中,激光设计得以进步,分光束技术提高了生产力,污水也得到控制,并发展出精密的高速运动系统。
        
        此项应用的一个分支——在1970年兴起利用Nd:YAG激光器切割硅晶片,源于Quantronix 公司推出的一种系统,采用1968年在贝尔实验室开发的一个概念。两个工艺的不同之处在于晶片切割采用连续的细线,而在氧化铝上利用间距很小的一系列钻孔。这两个工艺在后续都需要依赖手工来分离划线后的产品。 

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