激光微细加工技术的研究与应用激光微细加工技术的研究与应用摘要激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，使其达到加工的目的。

激光微细加工技术是指加工精度O.1mm_lμm的激光加工技术。

激光微加工的应用范围十分广泛，尤其在集成电路芯片的制造、计算机外设以及通讯等方面的应用推动了信息产业革命，在电子、仪表、航空航天工业中，激光微细加工可以高效率高质量地完成微细小孔、划片微调、切割、焊接以及标记等加工，其中以准分子激光的应用最为广泛，准分子激光除做常规的钻、切、划加工外，还可用掩模法直接在工件上生成图案。

目前的研究进展已经显示，激光微技术是有发展潜力的三维微制造技术，将可能成为微系统制造的主流技术之一，并已是激光加工技术及产业发展研究开发的重点之一。

激光微技术将是21世纪高新技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一。

关键词：激光微细加工；制造技术；优点；应用；孔加工；发展趋势一、激光微细加工技术简介激光加工是将激光束作用于物体表面而引起物体形状或性能改变的加工过程，其实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，使其达到加工的目的。

加工技术可以分为4个层次：一般加工、微细加工(加工精度O.1mm_lμm)、精密加工(加工精度1μm -O.1μm)和超精密加工(加工精度高于O.1pm)。

激光具有高单色性、高方向性和高亮度的优点 . 在理论上将相干光聚焦后形成直径为亚微米级的光点 , 温度高达 10000 ℃以上 , 可在千分之几秒内急剧熔化和汽化各种材料。

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料 ( 包括金属与非金属) 进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。

激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术。

其工作原理：激光器由激光工作物质、激励能源、全反射镜和部分反射镜构成的光谐振腔组成，当工作物质被光或放电电流等能源激发后 , 在一定的条件下可以使光得到放大 , 并通过光谐振腔的作用产生光的振荡 , 由光谐振腔的部分反射镜输出激光，由激光器发射的激光束通过透镜聚焦到工件的待加工表面 , 对工件进行各种加工。

激光加工技术不仅可以方便地加工硅、金刚石、石英、人造金刚石、玻璃、陶瓷和硬金属等材料，也可以对容易产生塑性流动的低硬度聚合物材料进行精确的加工。

激光加工同样也适合于精密和形状复杂的零件的加工，同时，激光加工还适用于表面的亚微米加工，能够加工传统方法难以实现的孔或空腔。

二、激光微细加工技术的优点1．激光微细加工条件较易满足。

尽管电子束、X射线、离子束具有更短波长、更高的分辨率，但它们在曝光源、掩膜、抗蚀剂、成象光学系统等方面存在极大困难，与此相比，激光加工条件容易满足，具有明显的经济性和现实性。

2．激光微细加工对象广泛。

可以用于多种材料的加工，如金属、有机物、无机物、陶瓷等，在加工中可以控制激光的作用深度、作用时间，扩展了应用范围。

3．激光微细加工是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。

绿色制造是人类社会可持续发展战略在加工业的体现。

例如 : 在大规模生产中激光微细制造成本低、生产效率高；根据生产流程进行编程控制(自动化) ；可接近或达到冷加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的适应性强 , 且不受电磁干扰 , 对制造工具和生产环境的要求大大降低；噪声低；不产生任何有害的射线与残剩 , 生产过程对环境污染小等等。

4．激光微细加工是一种智能化制造技术。

加工系统智能化已成为必然的发展趋势。

由于激光输出的可控制性 , 因此制造过程能通过软件实行自动化流程的智能控制。

带有实时检测、反馈处理的加工系统可根据生产性质的需要 , 实行加工台的定位控制 , 还可通过激光的光纤传输实行加工头的机器手定位控制 , 从而实现高效的自动化、智能化激光制造。

比如 , 汽车车身覆盖件的三维定位切割、车身骨构架的焊接、齿轮盘及其他零部件的焊接加工等 , 已形成激光加工、组装一条龙的生产线。

5．激光微细加工是一种更精密的制造技术。

在微细加工中对于微小元件、印刷电路板集成电路、微电子元件和微小生物传感器等的制作 , 激光微细加工是唯一的不可替代的技术。

6．激光微细加工是一种无接触加工的制造技术。

激光微细加工透过空气 , 惰性气体和透明体对工件加工实现无接触加工 , 并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调 , 因此可以实现多种加工的目的；它可以对多种金属、非金属加工 , 特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料。

7．工艺先进。

激光加工过程中无“刀具”磨损 , 无“切削力”作用于工件；激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工 , 对非激光照射部位没有或影响极小。

因此 , 其热影响区小 , 工件热变形小 , 后续加工量小；它可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。

8．由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换 , 极易与数控系统配合 , 对复杂工件进行加工 , 因此它是一种极为灵活的加工方法。

9．生产效率高 , 加工质量稳定可靠 , 经济效益和社会效益好。

例如 , 美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽 , 不到 4 h 即可高质量完成 , 而原来采用电火花加工则需要 9 h 以上。

仅此一项 , 每台发动机的造价可省 5 万美元。

激光切割钢件工效可提高 8～20 倍 , 材料可节省 15 %～30 % , 大幅度降低了生产成本 , 并且加工精度高 , 产品质量稳定可靠。

10．激光微细加工的另一个主要优点是其固有的加工灵活性 , 这为各种微细结构的加工生产提供了极大的可能性。

采用激光微细加工能制造各种形状的微棱镜以满足反射型、透射型等各种不同几何分布的需要。

例如加工多角形棱镜或连续变化的由许多小平面构成的棱镜 , 这些结构用精密机械加工的方法是不可能的。

随着日益增多的、具有多功能装置的如光学器件、微机械系统、电子线路和互连组件等系统的设计和开发 , 以及这种先进装置加工工艺技术的不断成熟 , 激光微细加工将在这些装置的加工中起着至关重要的作用 , 能实现前所未有的特殊的性能技术及要求。

三、激光微细加工技术应用在电子、仪表、航空航天工业中，激光微细加工可以高效率高质量地完成微细小孔、划片微调、切割、焊接以及标记等加工，其中尤以准分子激光的应用最为广泛，准分子激光除做常规的钻、切、划加工外，还可用掩模法直接在工件上生咸图案。

激光微细加工的一个主要优点是其固有的加工灵活性，这为各种微细结构的加工生产提供了极大的可能性。

例如，在显示器件加工应用中，可用准分子激光器微细加工系统执行加工透明导电氧化物(例如铟锡氧化物）电极图案或其他图案；在聚合物中加工薄层结构和加工制造发光二极管(LED)器件；钻通互连器件，为多层结构系统钻通孔；加工诸如光学组件使用的微透镜之类的微细结构，例如，加工多角形棱镜或连续变化的由许多小平面构成的棱镜，这些结构用精密机械加工的方法是不可能的。

另外，准分子激光器发出的紫外激光对聚合物微细加工有极好的性能，因此采用准分子激光微细加工系统进行加工。

利用掩模投影技术直接烧蚀各种聚合物样品，能制造出各种符合要求的结构。

近期在微细加工领域中又开发了激光清洗和激光作为夹持工具（镊子）的研究，激光清洗是指去除超净超光滑表面污染微粒，其原理是激光能量被微粒表面或人为的清洗介质（如水）吸收后产生爆炸性汽化时，把微粒从表面上除去，该法可有效地用于半导体器件、激光陀螺的研制中，激光镊子主要用于有机材料的微粒搬运和固定，其原理是微米量级的有机微粒在激光的束腰处，要受一对极子力或折射力（当微粒>l μm时）的作用，这些力都是把微粒拉向激光的束腰（光最强处）中心处，因此，可惜移动或固定激光束来夹持微粒。

高强度材料的微细加工，若采用机械加工方法，则刀具强度往往不够；若采用蚀刻方法，则效率太低；但采用激光微细加工，就能大大弥补这些不足。

例如，利用紫外激光进行金属材料的微细加工在微电子、航空发动机和其他工业领域已得到了应用。

紫外激光能提供短持续、高峰值的脉冲，能够使激光加工过程中的热影响区域得到有效控制，从而可利用升华为主的方法对材料进行去除加工，又如，利用超短脉冲激光进行加工时，热损伤的影响几近消失，从而可得到亚微米级的加工特征精度。

现以孔加工为例，介绍激光微细加工技术的应用。

激光制孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。

随着近代工业和科学技术的迅速发展，传统的加工方法已不能满足某些工艺需求，例如，在高熔点金属板上加工微米量级孔径，在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔：在红、蓝宝石上加工几十微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等，这一类的加工任务用常规的机械加工方法很难，有时甚至是不可能的。

而用激光打孔则不难实现，激光束在空间和时间上的高度集中，可以将光斑赢径缩小到微米级从而获得很高的功率密度，几乎可以对任何材料进行激光制孔，激光制孔技术与机械钻孔、电火花加工等常规打孔手段相比，具有显著的优点：制孔速度快，效率高，经济效益好；可获得大的深径比；可在硬、脆、软等各种材料上进行；无工具损耗；适合于数量多、高密度的群孔加工；可在难以加工的材料倾斜面上加工小孔等。

激光制孔的最小孔径已达0.002ｍｍ，已成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔，达到无再铸层、无微裂纹的效果，早期激光钻孔采用定点冲击法，使加工的孔深和孔径均受到限制。

接着出现了旋切钻孔法，这不仅消除了孔径限制，且由于有辅助吹气，加工区呈半敞开式，熔融物易排出，故孔的表面质量好。

对于分布有大量相同规格小孔的零件，特别是回转体，当前又发展了飞行打孔法，即激光对一个孔位加工一个脉冲后，不管孔是否打通，工件都利用光脉冲间隙快速运动（移动或转动）到下一个孔位，如此进行多次循环对同一位置多次冲击，直至完成所有孔的加工，其优点是激光脉冲间隙的时间被用作零件孔的位移，可大大提高加工速度。

钻孔速度目前为每秒数10孔，预计可达每秒500孔（亚毫米孔径）。

激光微细力口工在电子工业中的应用：电子工业中，加工尺度在1mm一lμm之间的主要加工内容有：精密标记、细导线剥离、表面毛化、精密微调、锻透镜列阵等。

四、激光微细加工的应用发展趋势1．不断扩宽的技术及应用领域在电子、半导体、通讯、光信息存储以及医疗方面，激光微细加工有着广阔的前景和强势竞争力。

在其他方面，激光微细加工的市场也在开拓。

目前反犯罪、反恐怖在世界上呼声很高。

纽曼公司正在进行一项利用微加工来帮助执法的开发研究把凸起字符刻到半自动手枪的撞针上，把这种字符压印到被手枪弹出的弹壳上，当用这支手枪进行犯罪时，为司法机关提供线索。