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                      準分子激光技術不斷擴大在制造業微加工中的應用

                      2011-10-21 22:26:17

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                          準分子激光技術(準分子激光氣體產生激光)在制造業微加工應用不斷擴大,包括鉆石等激光打標、材料表面改性、高碳鋼淬火、三維加工。準分子激光技術在微加工中可以得到小孔,刻線,以及其他三維復雜的圖案,如果結合有效反饋( 比如,用激光測量)來控制光的輸入,加工精度在深度方向可達亞微米量級。準分子激光氣體使用短波長使得側向的精度可達亞微米量級;然而,實現亞微米量級不僅依賴于激光性能。它還要求高重復率的運動控制,通常使用帶空氣軸承的平臺來移動基底和鏡片,鏡片移動需要考慮到足夠的焦深,同時,實際加工時需要足夠大的視場。準分子激光氣體尤其適合大面積,集中且重復性強的圖案。例如,在多片模塊上打孔的過程。目前,在這方面的應用中,固態或者CO2激光器與振鏡掃描相結合的技術占了主導地位。然而,當生產量增大時,電子元件的結構(包括微通道)會被縮小。在高密度元件數量增多,微通道尺寸卻減小的這個方面,準分子激光圖像制作相比其他直接寫入技術就更具有競爭力。舉例來說,利用光掩膜技術與底層的“步進和重復”運動相結合的過程,準分子激光器每秒可以得到>10000個過孔。大規模的并行打孔能力 (如圖1) 還被用來生產過濾器,被用來在噴墨打印機中進行微粒過濾,該特點還被用于生產新一代的醫學呼吸器,它目前正接受美國食品與藥物管理局(FDA)的評估。
                          微型化的細胞培養工具(通常被稱為“芯片上的實驗室”),是利用248 nm的準分子激光氣體在聚碳酸酯和其他塑料上制作而成的。這里,可以使用單束激光來得到微型坑和微通道,以及微米量級的通孔(如圖4)。然后使用金屬沉積技術來密閉這些通孔,從而起到密封和導電兩方面效果。 
                          另一個快速發展的應用領域是薄膜直接制備圖形。在這個過程中,激光能量穿過薄膜,基底材料與薄膜的交界處被底部材料吸收。在交界面處,材料在短時間內被蒸發,導致了該處薄膜被去除。這個準分子“TFA”(薄膜燒蝕過程)在薄膜厚度小于1微米時結果最佳。在這些情況中,對薄膜進行去除/制圖操作所需的能量小于蒸發同樣體積的相同材料所需的能量。實際的例子包括在絕緣基底上的金屬薄膜(厚度達1000 nm),它被用于射頻識別電路(RFID)和醫療傳感器上。需要的話,金屬薄膜的厚度可以通過低成本的電鍍過程來增加。其他組合還包括在金屬上加工絕緣體,在陶瓷上加工聚合物,甚至在聚合物上加工聚合物。大部分的應用是采用卷帶式(reel-to-reel)的操作方式,在這里每片薄膜由單個激光脈沖進行加工。 
                      準分子激光器的獨特性還在于它們可以加工表面和亞表面的材料;其中一個例子是高碳鋼零件的淬火過程。未經退火時,這些鋼包含了鐵和碳的較大晶體。使用308 nm的準分子激光器可以在微觀層面上,使表面的金屬層升到共熔區之上,讓原子可以自由在金屬內遷移。對于碳素鋼來說,這個過程僅涉及碳和鐵。這里的硬化過程是將相同的主要元素留在表面,而核心材料仍然保持未淬火時的延展性。 
                          對于其他高度可淬火性合金材料,比如鉻(或者其他金屬)可以移到表面,從而形成獨特的表面,比如該表面可能更堅硬,更具有防化學品腐蝕能力,更為光滑。同時,整個零件本身不受影響,仍然保持這些鋼材特有的延展性。308 nm的準分子激光被用于鑄鐵柴油機引擎的汽缸套以得到摩擦力很小的表面。這項Audi公司開發的應用在本刊2005年2月刊中有具體介紹。 
                      另一個表面加工的應用是對CVD金剛石晶片進行微加工和磨平操作,因為其多晶的本質導致了表面不平整。193 nm適用于加工高純度的金剛石。高精度微加工的實例包括了對磨損表面,線切割模,散熱片以及切割工具等進行三維微加工。在線性化的過程中,193 nm或者248 nm的準分子激光被整形成直線狀,然后被定位,以便在臨界角或者小于臨界角情況下對整個表面進行作用。簡單的光學理論表明,平整的表面會產生全反射,而不平整的表面點會導致激光被材料所吸收。這樣得到的結果是平滑的表面,整個過程是個自中斷過程。 
                          使用準分子激光技術所進行的工業加工任務各不相同,這就促使了準分子激光氣體在準分子激光技術產品具有更廣的輸出特性。本質上,所有的應用都要求具有高可靠性,激光壽命更長,運轉成本更低。在三方面主要應用的促進下,激光器制造商已經取得了大量重要的技術進步。新一代的準分子激光器維護間隔時間更長,自動調節能力更先進,所需支的擁有成本也更低。廣州世源氣體等國內氣體公司在準分子激光氣體的國產化,讓準分子激光技術在中國的鉆激光打標、材料表面處理、高碳鋼的淬火、三維加工等制造業微加工的應用更加廣泛。
                       
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