一、前言

自從1960年第一臺(tái)激光出現(xiàn)以來，激光的研究和應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展。它在高精度測(cè)量、材料結(jié)構(gòu)分析、信息存儲(chǔ)與通訊等方面得到了廣泛的應(yīng)用。高向性、高光度激光可廣泛用于加工制造業(yè)。近20年來，隨著激光設(shè)備、新型受激輻射光源及相關(guān)工藝的不斷創(chuàng)新與優(yōu)化，激光制造技術(shù)已滲透到許多高科技領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開始替代或改造一些傳統(tǒng)加工產(chǎn)業(yè)。

1987年，美國(guó)科學(xué)家提出了微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開發(fā)計(jì)劃，標(biāo)志著人類微機(jī)械研究進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元。微機(jī)械制造技術(shù)主要包括半導(dǎo)體加工技術(shù)、微光刻電鑄模工藝、超精密機(jī)械加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。這些微細(xì)加工方法中，從小到小，從小到小，都是通過能量處理的直接作用。特種加工是以電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能等形式進(jìn)行的。常見的加工方法有：電火花、超聲、電子束、離子束、電解等。近幾年來，發(fā)展了一種新型的微細(xì)加工技術(shù)：包括立體光刻技術(shù)、光掩膜技術(shù)等。用激光進(jìn)行微細(xì)加工具有很大的應(yīng)用潛力和誘人的發(fā)展前景。

為了適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，滿足微細(xì)制造的需要，研制高性能的激光源。近十年來，激光微細(xì)加工技術(shù)作為激光加工技術(shù)的一個(gè)分支受到廣泛關(guān)注。原因之一是越來越多的高效率激光器出現(xiàn)。比如，具有極高峰功率和超短脈沖的固態(tài)激光、高光束質(zhì)量的二極泵Nd:YAG激光器等。二是數(shù)控操作平臺(tái)速度快，精度高。但是，一個(gè)更為重要的原因是工業(yè)需求的持續(xù)增長(zhǎng)。適用于微電子加工、半導(dǎo)體穿孔、寄存器剪切、電路修理的激光微加工技術(shù)。通常激光微加工是指數(shù)至數(shù)百微米的加工過程。光束的寬度是飛秒(fs)和納秒(ns)之間。從遠(yuǎn)紅外線到X射線的寬頻范圍。當(dāng)前三大領(lǐng)域主要應(yīng)用于微電子、微機(jī)械、微光學(xué)加工。伴隨著激光微細(xì)加工技術(shù)的不斷成熟，必將在更廣泛的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。

二、激光微細(xì)加工的應(yīng)用：

由于電子產(chǎn)品越來越輕便、小型化，由于單位體積信息(高密度)和單位時(shí)間處理速度(高速)的增加，對(duì)微電子封裝技術(shù)的新需求也在增加。舉例來說，現(xiàn)代的手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的互連距離大約為1200根。改進(jìn)封裝工藝的關(guān)鍵是在不同層間留有微孔，既能實(shí)現(xiàn)表面安裝裝置與下方信號(hào)板的高速連接，又能有效地減小封裝面積。

另外，隨著近幾年全球手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手提電腦等便攜式電子產(chǎn)品趨向于向輕、細(xì)、短、小的方向發(fā)展，印刷電路板(PCB)逐漸出現(xiàn)了積層多功能特性，主要是高密度互連技術(shù)。孔板(via)是多層PCB中的一個(gè)重要部件，其有效性能已經(jīng)成為多層PCB的一個(gè)重要部件?，F(xiàn)在，打孔成本一般占PCB板成本的30%-40%。對(duì)于高速、高密度的PCB設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者總是希望孔洞越小越好，這樣不僅可以留下更多的布線空間。過孔越小，越適合高速電路。常規(guī)機(jī)鉆的最小尺寸僅為100μm，顯然無法滿足要求，而采用激光微孔加工新方法。當(dāng)前，CO2激光器可在工業(yè)上獲得直徑30-40微米的微孔，也可通過紫外激光切割機(jī)加工出10微米的微孔。

它可以應(yīng)用于設(shè)備、汽車、航空精密制造及各種微加工行業(yè)的切削、鉆、雕、標(biāo)、熱滲透、焊等。例如對(duì)20微米以上噴墨打印機(jī)進(jìn)行噴墨處理。采用微壓力、拋光等激光表面處理技術(shù)對(duì)各種微光學(xué)元件進(jìn)行加工，或用激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶態(tài)改變其組織結(jié)構(gòu)，再通過機(jī)械力的調(diào)和，軟化階段的等離子體輔助微工微光學(xué)元件。

激光微細(xì)加工常用工藝：

該技術(shù)具有非接觸、選擇性加工、熱影響范圍小、精度高、重復(fù)頻率高、零件尺寸和形狀高等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)激光微加工技術(shù)最大的特點(diǎn)就是直寫加工，簡(jiǎn)化工藝，實(shí)現(xiàn)微電腦的快速成型制造。此外，此法不會(huì)產(chǎn)生腐蝕等環(huán)境污染問題，可謂綠色制造。激光微細(xì)加工技術(shù)被應(yīng)用于微機(jī)械制造中：

1)激光直寫微加工、激光LIGA及其它材料的微加工；

2)激光微立體光刻、激光輔助沉積、激光選區(qū)燒結(jié)等材料堆積微加工技術(shù)。

2.1激光直寫技術(shù)。

準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)，聚焦光斑直徑小，功率密度高，非常適用于微加工和半導(dǎo)體材料的加工。大多數(shù)的準(zhǔn)分子激光微細(xì)加工系統(tǒng)都是通過膜片投影加工的，也可以直接利用聚焦光斑刻蝕件，把準(zhǔn)分子激光技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合。利用X-Y平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和Z方向的微進(jìn)給，可以直接掃描刻在基體材料上或加工三維微細(xì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，準(zhǔn)分子激光直寫技術(shù)可加工高深寬比微、線寬數(shù)微細(xì)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，利用準(zhǔn)分子激光結(jié)合類似的快速成形(RP)制造技術(shù)，對(duì)分層掃描三維微加工進(jìn)行了研究。

2.2激光LIGA工藝。

用準(zhǔn)分子激光深蝕替代載射光刻，解決了高精度載射線掩膜片制作、套刻對(duì)準(zhǔn)等技術(shù)難題。與此同時(shí)，激光光源在LIGA技術(shù)上的應(yīng)用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同步輻射載光源，大大降低了LIGA技術(shù)的制造成本。雖然激光LIGA技術(shù)在高徑比加工微構(gòu)件的高徑比上有很大差異，但它完全可以接受微構(gòu)件的加工。另外，激光LIGA技術(shù)無需化學(xué)腐蝕顯影，而直接刻蝕，不受化學(xué)腐蝕的橫向滲透和腐蝕。所以，加工邊陡、精度高、光刻性能好于同步載射光刻。

2.3激光微立體光刻技術(shù)。

該技術(shù)是一種應(yīng)用于微制造領(lǐng)域的先進(jìn)快速成型技術(shù)，并將其應(yīng)用到三維光刻技術(shù)中。微細(xì)三維光刻技術(shù)因其高精度的微細(xì)加工而被稱為微細(xì)三維光刻。相對(duì)于其它微細(xì)加工技術(shù)，微立體光刻技術(shù)的最大特點(diǎn)是不受微裝置或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形狀的限制。該系統(tǒng)可加工任意三維結(jié)構(gòu)，包括自由曲面，可一次形成不同的微部件，節(jié)約了微裝配環(huán)節(jié)。另外，該工藝具有處理時(shí)間短、成本低、工藝自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，為微型計(jì)算機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。這種方法有兩個(gè)局限。

精度較低：

基于快速成形的微細(xì)加工技術(shù)，目前最大水平精度在1mm左右，垂直方向在3mm左右。很明顯，這種精度不能與基于集成電路的硅微加工技術(shù)相比較。

其使用受到一定程度的限制，現(xiàn)有的樹脂材料在電性能、機(jī)械性能、熱學(xué)性能等方面都與硅材料存在著差距。近幾年來，我國(guó)大力研究開發(fā)了激光微立體光刻。關(guān)于提高精確度和效率的發(fā)展方向如下：

1)采用面片曝光代替點(diǎn)曝光，進(jìn)一步縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；

2)材料方面，研制了分辨率較高的光固化樹脂，例如雙光近紅外聚合樹脂，為高精度制造奠定了良好的基礎(chǔ)；

3)在工藝方面，研究開發(fā)無支承或犧牲層的工藝，并與平面微加工技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝，提高加工精度和生產(chǎn)靈活性。

利用激光輔助氣相淀積(LCVD)(LCVD)是一種激光輔助的方法。

該固形件在固化微成型過程中，通過氣相化學(xué)反應(yīng)沉積于襯底表面。該三維顯微結(jié)構(gòu)利用激光輔助化學(xué)氣相沉積，在一定范圍內(nèi)加熱基體，啟動(dòng)和維持CVD過程，使沉積基板或激光束形成固體結(jié)構(gòu)。造型中，沒有平面投影和平面掃描的限制，能夠生成復(fù)雜幾何形狀的三維微結(jié)構(gòu)。用一種特殊的方式移動(dòng)工件臺(tái)，使得光束的速度總是和晶體一樣快，這樣就形成了期望的微觀結(jié)構(gòu)。

2.5激光選區(qū)燒結(jié)工藝(SLS)

這是一種快速成形技術(shù)，具有廣泛可加工材料范圍和制造任何復(fù)雜三維形狀的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在，人們?cè)谟肧LS技術(shù)制造微型機(jī)械。SLS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，先在計(jì)算機(jī)上完成所需的三維CAD模型，再利用層次化軟件分層獲取各個(gè)層段，利用自動(dòng)控制技術(shù)，使激光選擇性地?zé)Y(jié)與計(jì)算機(jī)零件截面相對(duì)應(yīng)的粉體，通過燒結(jié)、熔化、冷卻和凝固。在下一層燒結(jié)完成后，兩層燒結(jié)連接。所以，燒結(jié)部分和CAD原型是一致的，而未燒成的部分是松散的粉末，可以作為支撐，最終容易清潔。燒結(jié)機(jī)的精度主要取決于燒結(jié)機(jī)的功率、焦徑、掃描速度、粉體粒徑、粉體各向異性、燒結(jié)溫度等因素。利用SLS工藝進(jìn)行三維造型，也可以把各種材料集成在一個(gè)微結(jié)構(gòu)中，完成某種功能。

其他激光微加工工藝

本文介紹了脈沖激光刻蝕成形技術(shù)的最新進(jìn)展。利用短波長(zhǎng)倍頻激光或皮秒、飛秒激光與高精度數(shù)控機(jī)床，對(duì)各種材料進(jìn)行刻蝕。短脈沖對(duì)這些材料表面進(jìn)行腐蝕，然后除去材料，其表面形成的微觀結(jié)構(gòu)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于長(zhǎng)脈沖加工。2001年，德國(guó)HEIDELBERGINSTRUMENTS于2001年使用三倍頻(波長(zhǎng)354.7nm)獲得5mm的聚焦光斑，加工尺寸為10mm，精度1mm。在x、y方向上的激光焦斑直徑5毫米。其表面平均粗糙度為0.16毫米，表面粗糙度為0.16毫米。與激光刻蝕原理相同的激光微切割成形，還采用倍頻或飛秒激光作為光源，聚焦光束精確控制能量輸入，熱影響小，精密切割成型。

微細(xì)加工技術(shù)在超短脈沖激光方面的最新發(fā)展

二氧化碳。YAG激光是一種連續(xù)的。長(zhǎng)脈沖激光，主要依靠焦點(diǎn)形成高能密度，導(dǎo)致局部高溫?zé)g材料，基本屬于熱加工類別，加工精度有限。準(zhǔn)分子激光通過短波紫外光作用，可以對(duì)材料進(jìn)行光化處理，特征尺度可達(dá)微米級(jí)，但準(zhǔn)分子激光對(duì)氣體的腐蝕非常嚴(yán)重，且難以控制，且紫外強(qiáng)激光易損壞，且應(yīng)用范圍有限。隨著激光領(lǐng)域的深入研究，脈沖在時(shí)間上逐漸變小，從納秒(10-9s)到皮秒(10-12s)再到飛秒(10-l5s)。

飛秒脈沖激光主要有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)脈沖寬度短。飛秒脈沖的持續(xù)時(shí)間短至幾個(gè)飛秒，而在1fs內(nèi)僅能傳播0.3微米，比大部分細(xì)胞直徑短；2)峰值功率極高。飛秒激光把脈沖能量集中在幾至幾百個(gè)飛秒的極短時(shí)間內(nèi)，所以它的峰值功率是很高的。舉例來說，把lμJ的能量集中在幾個(gè)飛秒內(nèi)，聚集成10微米的光點(diǎn)，其光功率密度可以達(dá)到1018W/cm2，轉(zhuǎn)化為2×1012V/m/m。它是氫氣原子的庫(kù)侖場(chǎng)強(qiáng)度(5×1011V/m)的4倍，它有可能直接從原子上除去電子。

從激光與透光材料的作用機(jī)理來看，材料的損傷機(jī)制是雪崩電離過程，由初始電子密度決定，材料中雜質(zhì)分布不均勻，材料中初始電子密度變化很大。結(jié)果表明，損傷閾值有較大變化。長(zhǎng)脈沖激光損傷閾值是激光能量流50%，即長(zhǎng)脈沖激光損傷閾值是統(tǒng)計(jì)值。超短脈沖激光有很強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)度，束縛電子能對(duì)n個(gè)光子進(jìn)行吸收，并且直接由束縛能級(jí)躍升到自由能級(jí)。超短脈沖激光損傷過程雖然屬于雪崩電離過程，但是它的電子是通過多光子電離過程產(chǎn)生的，不再依賴于材料中的原始電子密度。所以損傷閾值是準(zhǔn)確的。當(dāng)脈寬減小時(shí)，脈沖激光的損傷閾值明顯減小。當(dāng)達(dá)到皮秒級(jí)別時(shí)，下落速度減慢，飛秒量級(jí)基本不變。

此外，由于超短脈沖激光具有較高的損傷閾值，使得其能量在等于或略高于損傷閾值，如果是部分燒蝕，則可以將其降低到衍射極限的亞微米加工。飛秒激光能產(chǎn)生超高的光強(qiáng)，精確的損傷閾值，低的熱影響范圍，幾乎可以精確的加工各種材料。并且具有極高的加工精度，能夠精確地加工亞微米尺寸。

激光器是一種高效、低成本、穩(wěn)定可靠的加工質(zhì)量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于飛秒激光獨(dú)特的短脈寬和高峰功率特性，飛秒激光突破了傳統(tǒng)的激光加工方法，開創(chuàng)了超細(xì)、無熱損、三維空間加工的新領(lǐng)域。飛秒激光加工技術(shù)主要應(yīng)用于微電子、光子晶體器件、光纖通信器件(1Tbit/s)、微細(xì)加工、三維光存儲(chǔ)、微醫(yī)療器件生產(chǎn)、細(xì)胞生物工程技術(shù)等?？梢?，激光微制造技術(shù)將以其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，成為21世紀(jì)飛速發(fā)展的高科技。

最后：

工業(yè)革命時(shí)代，世界各國(guó)以生產(chǎn)大機(jī)器為榮；在信息時(shí)代，先進(jìn)工業(yè)國(guó)家致力于微物質(zhì)的研究，制造更小的機(jī)器；在納米技術(shù)時(shí)代，為適應(yīng)國(guó)防、航空航天、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域的發(fā)展，微加工已經(jīng)成為當(dāng)前制造業(yè)中最活躍的研究方向之一，微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的標(biāo)志。在微細(xì)加工技術(shù)方面，激光微細(xì)加工技術(shù)表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有著廣闊的發(fā)展前景。為了在未來的高科技領(lǐng)域占據(jù)一席之地，中國(guó)必須發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光微制造技術(shù)。