常见的激光微加工技术及其进展

一，引言自1960年激光器问世以来，激光器的研究及其在各个领域的应用发展迅速。它的高连贯性已广泛用于高精度测量，材料结构分析，信息存储和通信领域。激光的高方向性和高亮度可广泛用于加工和制造中。随着激光设备的不断创新和优化，新型的受激辐射光源及相应工艺的发展，特别是在过去的20年中，激光制造技术已渗透到许多高科技领域和行业，并开始替代或改造一些传统技术。加工业。 1987年，美国科学家提出了微机电系统（MEMS）的发展计划，标志着人类对微机械研究的新纪元。目前，用于微机械的制造技术主要包括半导体加工技术，微光刻电铸成型（LIGA）工艺，超精密机械加工技术和特殊的微加工技术。其中，特殊的微细加工方法是通过直接处理能量的作用来实现小分子或原子的去除。特殊处理使用电能，热能，光能，声能，化学能和其他能量形式进行处理。常用的方法有：电火花加工，超声加工，电子束加工，离子束加工，电解加工等。近年来，已经开发出一种可以实现微加工的新方法：包括三维光刻在内的光成形方法。工艺，光掩模层工艺等。其中，将激光用于微加工显示出巨大的应用潜力和诱人的发展前景。为了满足21世纪的高科技产业化和满足微制造的需求，高性能激光源的研究和开发势在必行。在过去的十年中，作为激光加工的一个分支，激光微加工受到了广泛的关注。原因之一是更高效的激光源不断涌现。例如，具有非常高的峰值功率和超短脉冲的固体激光器，以及具有非常高的光束质量，二极管泵浦的Nd：YAG激光器等。另一个原因是存在一个更高速度的CNC操作平台。但是一个更重要的原因是工业需求的增长。在微电子加工中，激光微加工技术用于半导体层的穿孔，寄存器的切割和电路的修复。激光微加工通常是指加工尺寸为几微米至几百微米的工艺。激光脉冲的宽度在飞秒（fs）和纳秒（ns）之间。激光波长范围从远红外到X射线。目前，它主要用于微电子，微机械和微光学加工的三个主要领域。随着激光微加工技术的发展和成熟，它将在更广阔的领域得到推广和应用。二，激光微加工技术的主要应用随着电子产品向便携式和小型化方向发展，不断提出单位体积信息（高密度）的增加和单位时间信息处理（高速）的增加。微电子封装技术。不断增长的新需求。例如，现代的移动电话和数码相机每平方厘米安装大约1200条互连线。提高芯片封装水平的关键是在不同水平的线之间保留微通孔的存在。这不仅可以通过微通孔在表面安装器件和下面的信号面板之间提供高速连接，而且可以有效地减小封装面积。另一方面，随着近年来诸如移动电话，数码相机和笔记本计算机的便携式电子产品向轻，薄，短和小的发展，印刷电路板（PCB）已逐渐以高密度互连技术出现。作为主体。具有多层和多功能的特点。为了有效地确保各层之间的电连接和外部设备的固定，通孔已成为重要的技术之一。多层PCB的组成部分。当前的钻孔成本通常占PCB制造成本的30％-40％。在高速，高密度PCB的设计中，设计人员始终希望通孔尽可能小，这样不仅可以在板上增加布线空间。通孔越小，越适合高速电路。传统机械钻孔的最小尺寸仅为100μm，显然不能满足要求。相反，它是一种新型的激光微孔加工方法。目前，在工业上使用CO2激光加工可以获得通孔直径为30-40μm的小孔，或者使用UV激光加工约10μm的小孔。激光微加工技术可用于设备制造，汽车和航空航天精密制造以及各种微加工行业中的激光切割，钻孔，雕刻，划线，热熔，焊接等，例如20微米以上的喷墨打印机。尺寸喷墨端口的处理。使用诸如微压，研磨和抛光之类的激光表面处理技术来处理各种微光学元件，并且还通过非晶化来改变结构的结构，例如激光填充的多孔玻璃和玻璃陶瓷。然后，通过协调外部机械力，在软化阶段，通过等离子辅助微成型加工微光学组件。常用的激光微加工技术激光微加工技术具有非接触，选择性加工，热影响面积小，精度高，重复率高，零件尺寸大，形状加工灵活等优点。实际上，激光微加工技术的特点是“直接写入处理”，从而简化了工艺并实现了微机械的快速原型制造。另外，该方法没有诸如腐蚀的环境污染问题，可以将其描述为绿色制造。在微机械制造中使用的激光微加工技术有两种：1）材料去除微加工技术，例如激光直写微加工，激光LIGA等； 2）材料堆叠微加工技术，例如激光微立体光刻，激光辅助沉积， 2.1激光直写技术准分子激光波长短，聚焦光斑直径小，功率密度高，非常适合微加工和半导体材料加工。在准分子激光微加工系统中，大多数采用掩模投影处理，或者可以使用聚焦点蚀刻工件而不使用掩模，将准分子激光技术与数控技术相结合，并将激光束扫描与XY工作台集成。沿Z方向的相对运动和微进给可以直接在基材上扫描并写入精细图形，或处理三维精细结构。目前，准分子激光直接写入法可用于加工线宽为几微米，高纵横比的精细结构。此外，使用与快速原型制造（RP）类似的准分子激光技术，以及对三维微加工进行逐层扫描也取得了良好的效果。 2.2激光LIGA技术它采用准分子激光深蚀刻代替载体光刻，从而避免了高精度载体射线掩模制造，套筒雕刻对准等技术难题。同时，激光光源的经济性和广泛使用它比同步加速器光源好得多，这大大降低了LIGA工艺的制造成本，并使LIGA技术得到广泛应用。尽管激光LIGA技术在处理高直径比的微型零件时不如射线载体，但对于一般的微型零件加工来说是完全可以接受的。此外，激光LIGA工艺不需要像射线光刻那样的化学蚀刻和显影，而是``直接写蚀刻''，没有化学蚀刻的横向腐蚀腐蚀作用，因此加工边缘陡峭，精度高，并且光刻性能优于同时进行的射线光刻。 2.3激光微立体光刻技术（mSL）是从先进的立体光刻快速成型技术（SLA）在微制造领域的应用。由于其高精度和小型化，因此被称为微立体光刻技术（mSL）。与其他微机械加工技术相比，微立体光刻的特点是不受微器件形状或系统结构的限制。它可以处理包括自由曲面在内的任何三维结构，并且可以一次形成不同的微零件，从而节省了微组装过程，如图2所示。此外，该技术还具有处理时间短，低成本和自动化处理，为微机的批量生产创造了有利条件。该技术的局限性在于两个方面：精度低。目前，基于快速成型微加工技术的水平精度约为1mm，垂直方向约为3mm。显然，这种精度无法与基于集成电路的硅微机械加工相比。