走出实验室：飞秒激光打开微细加工的大门

曾经是资金丰厚的研究实验室专属的飞秒激光器，如今正开始在一系列工业微细加工应用中日渐受到欢迎。根据应用或材料的不同，融合了飞秒激光器的微型加工设备为制造商提供了以更有利可图的方式加工更小、更薄部件的手段，以满足消费电子、医疗、汽车市场以及其它众多市场的需求。推动这种趋势的是越来越小、功率更强大、涵盖的波长范围更广，而价格却变得更低的飞秒激光器。

　　超快脉冲激光器通常脉冲长度小于1纳秒。飞秒激光器则更进一步，可以在30飞秒至800飞秒的周期内产生高品质的超快脉冲。在人类看来，这个时间究竟有多短呢？一种方法是比较激光器开启和关闭的时间。常规使用模型一般是100飞秒的激光脉冲，重复频率为100KHz。如果将100飞秒转化为1秒，相当于下一个脉冲要在3.5年后才发生！因而，这有效地将热量对材料产生影响的时间缩短到最低限度，并最大程度地延长了材料的热释放时间。

　　与其它类型的激光器相比，飞秒激光器具有诸多优点。其关键是热影响区域(HAZ)一般会比纳秒或皮秒激光器更小（图1）。周边区域没有热损伤的消融工艺（被称为冷消融）被指定用于加工支架，同时也被用来改善汽车和消费电子产品的强度和品质当加工用于手机、平板电脑或可穿戴设备用的硬化玻璃等脆性材料时，这一工艺可以最大限度地减少微裂纹的形成。

　　图1：用飞秒激光器在不锈钢样品(a)上加工槽口。不需要进行后续加工，因为热影响区域（HAZ）几乎可以忽略不计。用纳秒激光器加工的样本(b)会出现较大的模糊区域，需要进行额外的加工。

　　飞秒激光器的另一个优势源于其所具有的高强度（超过1012W/cm2）几乎能在原子水平上分割材料。本质上，这会形成微等离子体，而材料也在由此产生的扩张作用下被去除。结果是产生的碎屑很少，有利于高纵横比深孔钻削加工等应用。

　　超薄及难加工材料的加工

　　具有各种形状和尺寸的现代显示器采用薄玻璃板、薄膜、铝箔来打造显示器的结构，同时还包括偏光镜、彩色滤光片、防护玻璃罩和触摸屏。激光器提供了通过可重复、无接触的加工手段来加速工艺流程以及提高生产率的方式。同时，激光器的运用还使得新产品能够接轨超薄玻璃、保形切割或全新材料组合等多种新趋势。

　　氮化铝、氧化铝、氮化硅和氧化锆等陶瓷材料已成为在很多领域颇受欢迎的高性能材料。它们具有很好的电气绝缘性能，同时耐高温，因而成为手机天线及高性能发光二极管（LED）封装等产品不可分割的一部分。

　　钻削和切割陶瓷是飞秒激光器彰显卓越性能的一个领域。生产商可以获得高品质的几何形状。所加工的孔具有精密的形态、光滑的内壁，最大限度地降低了表面碎屑的产生（图2）。由于后续加工需求很少甚至可免，飞秒激光器往往能够大幅提高生产率以及降低生产成本。

　　图2：这个不锈钢箔上清洁、无碎屑的切割孔凸显了飞秒激光器对薄型材料加工的优势。

　　在强化玻璃产品的加工方面，飞秒激光微细加工设备可以很容易地实现对于机械系统来说极具挑战的高品质直线切割、曲线切割和内部切割。高峰值功率的飞秒激光器可实现高速加工，并且提供出色的边缘质量和强度。

　　薄型材料的去除

　　集成电路复杂性和密集度的提高，给半导体行业带来了新的加工挑战。如，半导体晶圆的厚度在持续变薄，材料使用更多样化，尺寸更小型化。所有这些特征将传统制造方法逼到了极限的边缘。

　　由于能实现所要求的材料加工品质和精度，超快激光器成为这些新应用的首选工具。例如，在选择性激光烧结加工中，有可能在不影响底层的情况下，切除厚度仅为十分之几纳米的极薄的一层材料。

　　尽可能降低对打标和雕刻的影响

　　采用标准和防伪解决方案实现产品商标识别和可追踪性对于现代制造手段而言是十分必要的。就很多应用而言，对材料内部进行激光打标是非常有吸引力的解决方案。但是，对于低脉冲激光系统来说，打标激光器的脉冲周期足以引发材料因受热而产生微裂纹，从而影响品质和长期可靠性。相较之下，飞秒激光器在很短的脉冲周期内积聚了能量，热量不会传递到周边材料上。激光打标过程因而也不会受到热量影响，微裂纹便不会形成（图3）。

　　图3：在100微米的钴铬（CoCr）线缆上的这些盲孔显示，飞秒激光器可以消融表面，并且不会出现微裂纹
 

与其它技术相比，激光打标有诸多优势，包括外观更一致、耐久性好，容易使用。激光打标可以获得美观的效果，主要是因为可以产生色彩对比度高、光学密度均匀的标记。根据加工类型和材料的不同，可以形成深黑色和亮白色的激光标记。耐久性和外观质量对于频繁使用的产品如智能手机、可穿戴设备来说尤其重要。飞秒脉冲长度通过减少表面影响，扩大了激光打标的应用范围，并可用于薄型材料。

　　金属表面材料的精密去除工艺是让打标产品在视觉上产生对比效果的一种常用方法。飞秒激光器由于峰值功率高，可以对许多材料进行高效雕刻，并可以有效提高功率，同时保持表面质量。由于热量不会积聚在材料内部，因此可对具有不同表面机理的材料进行不同深度的高品质加工，赋予产品与众不同的外观。

　　飞秒激光工具解决方案

　　不管是什么应用，或激光脉冲周期如何，激光器成功实现微细加工涉及精密定制激光脉冲周期和功率密度等诸多要素，以获得预期效果。这需要深刻了解激光器与材料的相互作用机制，以调整变量如脉冲长度、脉冲能量、光斑大小，激光技术或其它因素。当根据手头的任务对这些因素进行恰当的调整后，飞秒激光工具便可以成为许多应用的首选工具。

　　如果需要选用飞秒激光器，要寻找对激光器与材料特性具有丰富知识，并且能对短期、大量应用提供支持的供应商。许多制造商错误地认为，所有激光器都是相同的。而事实上，由于光学器件略有不同，每一个激光器都与其它激光器在功能方面略有不同。因此，生产线中的每一个工具都应由激光工具供应商进行精确校准，以调整这些变量，确保结果稳定一致。

　　就像超快激光器可以轻轻碰触表面一样，我们还未全面发现并挖掘飞秒激光器所有潜在的应用领域。但有一点是可以肯定的，随着系统和设备愈发趋向小型化和复杂化，飞秒激光器将越来越多地被应用到这类产品的加工中去。