（光学专业论文）激光微细加工研究.pdf

摘要 近年来，随着激光微细加工技术的完善以及加工工艺的成熟，激光微细加工 的种类日益丰富，已经广泛应用到各种制造工业领域当中。在这种情况下，研究 激光微细加工的相关工艺技术无疑具有重要意义。 本论文建立了激光精密调阻和激光微细焊接的物理模型，分析了激光与材料 作用的热效应，研究了激光调阻以及激光焊接的相关工艺技术。根据理论分析， 提出了实验的方案，并对其进行了实验研究。 通过严格控制温度在2 1 0 c ，电流2 2 2 a ，q 频率5 0 k h z ，中间延时2 0 m s ， 功率1 0 4 w 时得到线宽2 0 闺的调阻样品。提出采用激光熔覆焊接的方法对调阻 样品的引脚进行引线焊接，并对激光熔覆焊接工艺做了理论研究。 关键词：激光微细加工激光精密调阻激光微细焊接 i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fl a s e r m i c r o p r o c c s s i n g , t h eq u a l i t yo fi tb e c o m eb e t t e ra n dt h ec a t e g o r yo f i tb e c m cm o l e i t i sp o p u l a ri nm a n ya r e a l ；u n d e rt h i ss i t u a t i o n , t h er e s e a r c ho fl a s e rm i c r o p r o c e s s i n gi s s i g n i f i c a n t t h e p h y s i c a lm o d e l st od e s c r t l ) et h ed m t a t e r i s t i c so ft h el a s e rr e s i s t o rt r i m m i n g a n dl a s e rw e l d i n ga r ee s t a b l i s h e d i t st h e r m a le f f e c tb e t w e e nl a s c ra n dm a t e r i a l sa r c d i s c u e s s e d o nt h eb a s eo ft h et l 坨d 矾删a n a l y s i s ，ao o n c r e t ed e s i g ni ss n g g e s t e d , a n d d os o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 、j l i r h e nt h et e m p e r a t u r ei s2 1 0 c , c u r r e n ti s2 2 2 九q - s w i t c hf r e q u e n c yi s5 0 k h z m i d d l ed e l a yi s2 0 m s , t h el a s e rp o w e ri s1 0 4 w , l a s e rr e s i s t o rt r i m m i n gs a m p l ei s a c h i e v e dw i t hl i n ew i d t h2 0 m t h r o u g ht h et h e o r i t i c la n a l y s e s ，am e t h o do f l a s e rc l a d 血gi ss u g g e s t e d k e yw o r d s ：- 强i m b q 啊，俚吲吨h 蟹r n d h 睡埘h 喀k = w e k l 啤 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，激光微细加工研究是本人在指导教师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者签名：翕4 茎趟年王月坐日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：盗基篮。，丝墨年王月旦日 指导导师签名： 鱼! ! 年l 月三l 日 第一章绪论 1 1 激光微细加工技术简介 现代制造技术己经是一个国家经济发展的重要手段之一，不少国家十分重视 现代制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞 争能力。当前，美国、日本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重 要原因之一，就是他们把它看作是现代国家经济上获得成功的关键因素。同样， 现代制造技术，特别是精密加工技术，对于成为“世界加工厂”的中国的国民经 济发展意义重大“，。 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。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、 陶瓷合硬金属等材料，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。按照光与 物质相互作用的机理，大体上可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两 类。热加工对金属材料进行焊接、表面强化和切割等极为有利，冷加工则对化学 沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化比较适合。 加工技术可以分为4 个层次：一般加工、微细加工伽工精度0 1 m m l t | i n ) 、 精密加工( 加工精度1 岫- 0 1 岫) 和超精密加工( 加工精度高于0 1 p m ) 。精密加工 的工具有金刚石、立方氮化硼、陶瓷等刀具、磨具等工具，而电子束、离子束和 激光束等非传统加工方法是精密加工的一个重要的富有前途的方向 f l - - 1 4 | 。 微细加工技术发展的标志之一就是加工线宽不断缩小，朝着亚微米、纳米的 目标迈进。与此同时，准分子激光微加工、激光微成型、双光子激光加工、飞秒 激光微加工等加工手段发挥着各自的优势，在理论、和应用两个方面都蓬勃发展。 1 1 1 。三束”微细加工技术的进展 1 、光学光刻：光学光刻法一直是u l s i 工业生产的主流，现已成功地用于 0 2 5 t t m 的2 5 6 md r a m 研制与生产。使用波长为1 9 3 n m 的a r f 准分子激光光源， 其分辨率可达到o 1 ，使用移相掩膜，分辨率可达到0 0 8 s t u n 。聚焦激光束暴 光技术己迅速发展，己能做出0 5 9 i n 的线条，并在集成光学等特殊器件制作中得 到应用。 2 、x 光光刻：与光学光刻法一样，x 光光刻也是一种适应于工业生产的光 刻方法，现已制出5 0 r i m 的细线条，成功地用于0 2 5 1 - t n a 的2 5 6 ks r a m 生产。 理论分析表明等倍曝光方式实用的极限分辨率为0 0 7 r i m 。工艺实现的主要困难 是掩膜制作和纳米精度的套准。另一方面，x 射线缩小投影曝光原理上没有限制， 然而光学系统的材料及设计存在许多问题，离实用化很远。 3 、电子束光刻：束斑己聚焦到l n m 以下，采用p m m a 以实现8 r i m 的图形， 已达到高分子抗蚀剂的极限。利用n a c l 、m g f 、l i f 、a i f 等卤化物抗蚀剂，已 作到l n m 的图形，接近加工极限。但灵敏度太低，仅为前者的1 3 0 - - 1 1 0 。电子 束光刻有极高的分辨率，又可以在计算机控制下产生任意图形，是理想的纳米加 工手段，工艺实现的困难是效率低，目前不能满足工业生产的需要。 4 、离子束加工：束斑可以聚焦到1 0 0 n m 以内，但离子束加工生产效率不够 高，选择比不高。 1 1 2 激光加工的特点 1 9 6 0 年，随着第一台红宝石激光器的诞生，引发了激光、光电子等新兴学 科的兴起，同时促进了微电子、通讯等信息科学的发展和应用。激光具有高亮度、 单色性、高相干性和良好的方向性等特点，在光机电系统中得到广泛的应用，同 时在微细加工中具有明显的优越性。主要表现在以下几个方面： 1 、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 、功率密度高。激光加工的功率密度可达1 0 s w e m ，大大缩短了加工时间。 3 、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。 4 、自动化程度高。激光光源、光学器件、光电转换器俘、光电控制器件和 成套设备种类繁多，很方便的进行数据采集、数据处理、自动控制。并且光电转 换技术的成熟使其控制系统与计算机接口方便，使得加工系统有更高的自动化程 度，更利于工业生产。 1 2 激光微细加工的应用 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 2 以及通讯等方面的应用推动了2 0 世纪的信息产业革命下面介绍了激光微加工 在各个领域的应用“1 。 l 微电子部件 ( 1 ) 准分子激光 应用：b g a 打孔、柔性电路打孔、切割、开槽，典型材料：塑料。 应用：m c m ，t a b 窗、和互连孔，典型材料：塑料、陶瓷、硅片。 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：b g a 打孔，柔性电路打孔、切割、开槽，典型材料：塑料。 应用：m c m ，t a b 窗，和互连孔，典型材料：塑料，陶瓷，硅。 ( 3 ) - - 极管泵固体激光 应用：高值打孔，典型材料：塑料、金属料。 ( 4 ) c o ：激光( 封闭，慢流或1 e a ) 应用：调谐石英振荡器，典型材料：无机物。 应用：激光电路元件切割、电路元件划线，典型材料：陶瓷。 应用：大平面刚性或柔性电路打孔、切割、开槽，典型材料：塑料。 2 半导体制造 ( 1 ) 准分子激光 应用：紫外光刻机，用于d r a m 和逻辑产品，典型材料：抗蚀剂。 应用：集成电路修复，典型材料：塑料、金属。 应用：薄膜去除，典型材料：金属、氧化物。 应用：半导体诊断仪器，典型材料：金属、陶瓷，塑料。 应用：晶片清洁，典型材料：硅。 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：集成电路修复，典型材料：塑料、硅、金属。 应用：薄膜去除、掩模修复，典型材料：金属、无机物。 应用：半导体诊断仪器，典型材料：金属、陶瓷、塑料。 应用：电阻电容修整，典型材料：厚薄膜。 ( 3 ) 二极管泵固体激光 应用：集成电路修复，典型材料：塑料。 应用：薄膜去除，典型材料：金属，氧化物。 应用：掩模修复，典型材料：金属，无机物。 应用：半导体诊断仪器( 如晶片检验) ，典型材料：金属，陶瓷，塑料。 应用：电阻电容修整，厚薄膜。 ( 4 ) c 0 2 ( 封闭，慢流或 i r a ) 应用：激光切割、修整，典型材料：硅。 3 3 数据存储器件 o ) 准分子激光 应用；导线剥除，典型材料：塑料，玻璃。 应用：空气轴承( 用于拾音头) 、修整，典型材料：硅。 应用：微型打孔，典型材料：硅、无机物、陶瓷、塑料。 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：打微孔，典型材料：塑料。 ( 3 ) 二极管泵固体激光 应用：磁盘刻制，典型材料：金属，陶瓷。 应用：软盘随动系统刻蚀，典型材料：金属。 应用：打微孔，典型材料：塑料。 ( 4 ) c 0 z ( 封闭，慢流或t e a ) 应用：激光导线剥除，典型材料：塑料。 4 医疗器件，诊断 ( 1 ) 准分子激光 应用：血管造形、心脏血管、神经导管的微型打孔、气球血管造形设备的微 型打孔、电生理学上的绝缘物质去除、电生理学上的电极成像、用于d n a 分析 的微观。流体学，典型材料：塑料。 应用：静脉滴管小孔加工，典型材料：金属。 应用：口腔喷雾的喷嘴，典型材料：金属、陶瓷、塑料。 应用：标准漏孔检测，典型材料：塑料、金属。 应用：用于d n a 分析的显微注射，典型材料：塑料、无机物。 应用：血液细胞幻灯片显示，典型材料：塑料、金属、陶瓷、无机物。 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：医疗扩张、用于癌症和病理学检测的医疗诊断工具，典型材料：金属。 ( 3 ) 二极管泵浦固体激光 应用：医疗扩张、医疗诊断工具，典型材料：金属。 2 澍闭，慢流或1 e 畸 应用：激光静脉滴管的小孔加工、气体小孔，典型材料：塑料。 5 通信 o ) 准分子激光 应用：移动电话互连，典型材料：塑料。 应用：光纤光栅制作、光缆外层剥除，典型材料：无机物。 应用：光学电路，典型材料：玻璃。 ( 2 ) 灯泵固体激光 4 应用：移动电话互连，典型材料：塑料，金属。 ( 3 ) 二极管泵浦固体激光 应用：移动电话互连，典型材料：塑料，金属。 ( 4 ) c 0 2 ( 封闭，慢流或i a ) 激光 应用：光学电路，典型材料：玻璃、硅。 6 计算机外设 o ) 准分子激光 应用：平面板显示器退火，典型材料：硅。 应用：喷墨打印机头，典型材料：塑料。 应用：a m “d 成像，典型材料：金属。 ( 2 内+ 泵固体激光 应用：显示器件的选择性外层去除，典型材料：金属氧化物。 应用：磁带储存器件，典型材料：陶瓷。 1 3 激光微细加工国内外发展状况 1 国外现状 激光精密打孔：随着技术的进步，传统的打孔方法在许多场合己不能满足需 求。例如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔；在硬而脆的红、蓝 宝石上加工几百微米直径的深孔等，用常规的机械加工方法无法实现。而激光束 的瞬时功率密度高达1 0 s w e m ，可在短时间内将材料加热到熔点或沸点，在上述 材料上实现打孔与电子束、电解、电火花、和机械打孔相比，激光打孔质量好、 重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。国外在激光 精密打孔已经达到很高的水平。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行 打孔，可以加工直径从2 0 l a i n 到8 0 i t m 的微孔，并且其直径与深度之比可达1 ： 8 0 。 激光精密切割：与传统切割法相比，激光精密切割有很多优点。例如，它能 开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小，并可以节省材 料1 5 0 3 0 。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，故适宜于切 割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切缝窄，所以特别 适宜于对细小部件作各种精密切割。瑞士某公司利用固体激光器进行精密切割， 其尺寸精度已经达到很高的水平。激光精密切割的一个典型应用就是切割印刷电 路板p c b 中表面安装用模板。传统的s m t 模板加工方法是化学刻蚀法，其致命 的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚，并且化学刻蚀法工序繁杂、加工周期 5 长、腐蚀介质污染环境。采用激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成 品模板进行再加工，特别是加工精度及缝隙密度明显优于前者，制作费也由早期 的远高于化学刻蚀到现在的略低于前者。但由于用于激光加工的整套设备技术含 量高，售价亦很高，目前仅美国、日本、德国等少数国家的几家公司能够生产整 机“。 激光精密焊接：激光焊接热影响区很窄，焊缝小，尤其可焊高熔点的材料和 异种金属，并且不需要添加材料。国外利用固体w 岖激光器进行缝焊和点焊， 已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可 减少热冲击，对电路管芯无影响，从而保证了集成电路管芯的质量。 2 国内现状 经过二十多年的努力，我国在激光精密加工工艺与成套设备方面，尤其是陶 瓷激光划片与微小型金属零件的激光点焊、缝焊与气密性焊接以及打标等领域有 了很大发展，但在应用市场广阔的微电子线路模板精密切割与刻蚀工艺、陶瓷片 与印刷电路板上各种规格尺寸的通孔、盲孔与异型孔、槽的激光精密加工等方面， 尚处于研究与开发阶段。 1 4 激光微加工的发展趋势 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，激光微加工有着广阔的 前景和强势竞争力。在其他方面，激光微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“1 。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。这种 想法也可以用到爆炸物的标记上。 2 激光光源的发展 大功率激光器在加工中具有生产效率高的特点，目前国内1 0 k w 的c 0 2 激 光器已经进入实用化；同时，优质、高效、稳定、可靠、廉价的激光器是精密加 工推广应用的前提，近年来，二极管泵浦激光器发展十分迅速，它具有转换效率 高、工作稳定性好、光束质量好、体积小等一系列优点，很有可能成为下一代激 光精密加工的主要激光器。 3 一体化、小型化的加工系统 激光微加工的发展趋势之一就是加工系统小型化，加工系统集成化是激光微 加工发展的又一重要趋势。二极管泵浦激光器转换效率高、工作稳定性好、光束 质量好、体积小，在系统小型化方面将会有极大的竞争力；微控制器( 国内又称 6 单片机) 在一体化、小型化的加工系统中的数据采集、数据处理、系统控制中起 着核心的作用。 4 智能化加工系统 智能化首先表现在加工系统过程的自动化和智能化，它包括：激光光源的自 动控制、光路的自动控制、加工工件运动的自动控制、自动检测以及过程中的故 障报警与处理等内容当然，一些系统可能包含上述的部分功能。这些功能保证 了加工系统的可靠性和实用性。智能化还表现在加工系统的功能上，应包括：图 象检测、图象识别、加工的目标值的自动获取、加工效果的自动评价以及友好的 人、机晃面等功能。这些功能能够提升产品的档次、提高系统的竞争力。 国内在激光加工的工艺与设备方面虽然与国外存在较大差距，但是如果我们 在原有基础上不断提高激光器的光束质量和加工精度，结合材料的加工工艺研 究，就可以推动激光加工技术的迅速发展，并最终使激光精密加工形成较大规模 的产业。 1 5 本文研究内容 随着汽车制造业的发展，对车用精密质量流量传感器的要求越来越高。针对 该传感器的研制，我们和北京航空航天大学合作，研究质量流量传感器中所必须 的激光精密调阻和激光微细焊接技术的相关工艺。本文的主要研究内容包括以下 两个方面： 1 针对激光调阻工艺参数对激光调阻精度的影响这一问题，讨论刻线质量的 工艺参数。根据理论分析，构建调阻精度、调阻工艺参数之间的数学表达式：通 过实验研究，给出最佳刻线质量的工艺参数。 2 通过结合国内外对激光焊接工艺的研究，对调阻后所得元件进行引线微细 焊接；针对铂金属的焊接难点，提出激光熔覆焊接的方法进行实验研究。 7 第二章激光与材料作用的物理基础 激光与材料相互作用首先是从入射激光被材料反射和吸收开始的。激光束入 射于均匀、各向同性靶物质时，部分能量被周围气体( 或微粒) 和靶表面所散射或 反射，进入靶物质的激光能量部分被吸收，其余部分则穿透靶物质而继续传播。 真空环境中入射激光束的总能量( 功率) 是反射( 散射) 、吸收和折射( 透射) 三部分 之和，入射波电磁场强度即为反射和折射( 透射) 光束电磁场强度的向量和。对于 金属和电介质，我们可以用电动力学的理论计算它们对激光束的反射和吸收特 性，但真实材料对激光的反射和吸收数据与其入射表面状况、温度、样品纯度、 压力、应变及环境状况有关，情况比较复杂，主要依靠实验测量。 本章将从课题研究需要出发，从材料对激光的反射、吸收和激光对材料的热 效应两个方面阐述激光与材料作用的物理过程，为进一步的研究提供了理论依 据。 2 1 材料对激光的反射和吸收 2 1 1 能量的变化过程 研究激光与材料相互作用过程中的能量变化，其目的是为了说明激光与材料 作用时，激光将能量传递给各种材料的机理。显然，激光与材料的能量转化仍要 遵从能量守恒法则1 。 毛_ e 删+ e 嗳搜+ e 遗过 ( 2 1 ) 式中岛一入射到材料表面的激光能量 e 剃被材料反射的能量 e 暇收被材料吸收的能量 e 透过激光透过材料后仍保留的能量 式( 2 1 ) 可转化为 1 ：鳖+ 堕+ 堕。r + 口+ t ( 2 2 ) e oe oe o 式( 2 2 ) 中r 为反射系数，口为吸收系数，t 为透射系数。 8 对激光不透明的材料，其e 意过= 0 ，则 1 = r + a ( 2 3 ) 激光能量被材料吸收后，激光的强度减弱。实践证明，对于各向同性的均匀 物质来说，强度为i 的入射激光通过厚度为d 】【的薄层后，其激光强度的相对减 少量d 矾与吸收层厚度d x 成正比：d l i “d x ，即 j r 竺。盘如 ( 2 4 ) j 式( 2 4 ) 中正比系数a 为吸收系数。 设入射到材料表面的激光强度为i d ，将式( 2 4 ) 从o 到x 积分，即求得入射到 距表面为x 处的激光强度i i - i o e 一( 2 j ) 式( 2 5 ) 称为l a m b c r t - b c c r - b o u g u e r 定律，它说明两点； 第一、随激光入射到材料内部深度的增加，激光强度将以几何指数减弱。 第二、激光通过厚度l a 的物质后，其光强将减少为。这说明材料吸收 激光的能力应归结为其吸收系数口的数值。口的常用单位是c m - 1 下面将具体介绍激光与金属之间的相互作用方式。 2 1 2 金属和电介质对激光反射与吸收的经典电磁理论 激光作为电磁波在介质中的传播可用麦克斯韦o l a ，c 1 1 ) 方程组描述，设激 光在介质中的电场强度为e ，频率为，介质的介电常数为s ，磁导率p ，电导 率盯，真空中光速为c ，介质中光速为e n 。n 为折射率，引入复折射系数元雄= n - i k ， 开反映经过时间推迟后的相位补偿关系，其中消光系数f 反映了电磁波幅度的衰 减特性，n 、k 一般与入射光的波长有关。激光为单色电磁横波，其电场强度是 e _ e o e x p i w ( t n ( ，d c ) 】，这里t 是时间，r 为空间位置向量，i 是激光传播方 向的单位向量。把e 的表达式代入麦克斯韦方程组即可得出反映电磁波传播特 性的复折射系数与介质物理常数的关系： 厅2 竺 2 七2 竺 2 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 对于电介质，口= o ，n 2 = _ f l ，l ，k = 0 也就是说激光在纯粹电介质中的传播速度慢 子真空光速c ，并且其强度部发生衰减。激光强度i 即垂直于传播方向的单位面 积上通过的电磁波功率，i - c n e 2 1 4 = 。根据l a m b e r t - b c c r - b o u s u e r 定律，光强 1 随传播距离z 指数衰减，l ( z ) - 1 ( 0 ) e x p ( 一凹) ，口称为介质对激光的线性吸收系 数，从e 幅度的表达式即可得到 a 。丝。丝垫( 2 8 )a l 一- o l z 5 j cn a 九 式中氓一知，a 和分别是介质和真空中的激光的波长，常数6 。1 a 具有长 度量纲，表示光强衰减c 倍的传播距离，称为电磁波在介质中传播的趋肤深度或 吸收深度。 本课题研究的情况主要为垂直正入射，所以主要考虑激光自真空中正入射于 介质表面的情况，入射、反射和折射光束的电场向量分别以上角标i 、r 和t 表示。 光在界面处反射、折射时，传播距离为零，无位相推迟，只需考虑各波振幅的向 量关系。由麦克斯韦方程导出正入射时， 或。掣e ，磊兰反 ( 2 9 ) 玎+ p撑+ 反射光束与入射光束强度之比称为反射率： r 一眩，乓卜踹 亿 通常群- 1 ，电介质中 r - ( n 一1 ) 2 肋+ 驴 ( 2 1 1 ) 电磁理论表明，若物体对某种频率光的吸收系数很大时，它对该频率光的反 射率也很大，例如石英对于波长8 5 研的红外线有强反射。这种现象可用来确定 物体远红外吸收带的位置，或用来分离出某些频率范围内的红外光束。激光通过 介质1 入射于介质2 时，这两种介质界面处的反射率是 n 筹黼 旺 ( ，h + n 2 ) 2 + ( 毛+ 七2 ) 2 如果介质很厚或者吸收系数很大，进入的激光几乎被全部吸收，定义该介质对入 1 0 射激光的吸收率为a - 1 - r - 南 2 1 3 影响吸收率的因素 影响吸收率的因素主要有材料、激光波长、温度、表面粗糙度、涂层等几方 面。 1 、波长对吸收率的影响 一般对于金属来说，波长越短，吸收率越高，如图2 1 所示。导电性好的材 料c u 、a g 、p t 等，对于c 0 2 和婚激光来说，反射率都很高，这就增加了激 光加工的困难。铁与不锈钢的吸收率随波长的变化基本上是相同的，说明主要是 f c 元素起作用表二1 是金属材料吸收率与波长的关系 6 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 0 0 图z 1 波长与材料吸收率的关系 表2 - 1 金属材料吸收率与波长关系 材料a r红宝石y a gc 0 2 a lo 0 9o 1 10 0 80 0 1 9 c u0 5 60 1 7o 1 00 0 1 5 u 0 s 8o 0 7o 0 1 7 f e 0 6 80 6 4 0 0 3 5 f b 0 3 80 3 50 1 60 0 4 5 n i0 5 80 3 20 2 60 0 3 p to 2 lo 1 50 1 10 0 3 6 a g 0 0 50 0 40 0 40 0 1 4 2 温度对吸收率的影响 材料对激光的吸收率随温度的升高而增大。金属材料在室温时的吸收率均很 小，当温度升高至熔点时，吸收率可达成4 0 - 5 0 ；如果温度接近沸点，其吸收 率可达9 0 左右。并且，激光功率越大，金属的吸收率越高。金属的吸收率与激 光波长和金属的直流电阻率存在如下关系式“”： a 一0 3 6 5 ( p a ) o 2 ( 2 1 3 ) 彳口) = a ( 2 0 0 c x l + 曰c r _ 2 0 0 c ) ) ( 2 1 4 ) 式中b 为常数。以上讨论是在真空条件下发生的；实际的激光焊接中，由于金 属温度升高，表面氧化加重，也会增大吸收率。图2 2 给出了一些金属的吸收率 随温度的变化曲线。 吸收率a ( ) 图2 2 吸收率随温度的变化曲线 3 表面涂层及镀层、表面状态对吸收率的影响 利用涂层来提高激光热处理的光能利用效率，已是激光热处理业应用的必要 措施。涂层材料对激光有很高的吸收率，常用的有石墨、碳黑等，其吸收率均在 7 0 左右。由于光的反射作用，对表面反射率大或透明材料的加工，可预先进行 氧化、色化或打毛处理。本课题中由于铂的热导率过大，而且对光的反射率极大， 不易集中能量，尤其表现在焊接实验上，可以通过使用n i 基纳米粉末涂覆焊接 的工艺来解决“”。 另外，激光入射到材料表面时，材料表面的感应光栅结构和电子反射对吸收 率有一定影响。 2 2 激光对固体材料的热效应 对于激光加热不透明固体材料引起的升温、熔化、气化( 或声化) 等问题，是 激光加工、热处理等技术和材料、结构的激光破坏效应的物理基拙，涉及光学、 热物理、连续介质力学和材料学多方面的内容，主要依靠实验研究。 2 2 1 材料的热物理性质 激光束加热各向同性的均匀物体，通过激光能量的吸收和热扩散，引起物体 边界和内部的热流运动，使得各处的温度不同程度地上升。激光加载条件、物体 的形状、初始和边界条件以及物体的热物理性质决定了物体温度场的时空变化。 激光加热计算中用到的物体热物理常数有：密度、比热容( 通常就是定压比热容) 、 热导率和物体的热扩散率等。 2 2 2 激光加热下物体的温度场 为了确定物体的温度场，必须给定激光加载条件，通常把被吸收的激光能量 或光强作为面热源( 表层吸收) 或体热源( 深层吸收) 处理。假定激光束垂直入射 于物体表面( x = o ) ，被加热物体位于右半空间( 工0 ) ，物体表面对激光的反射率 为r ( y ，z ，1 ) ，吸收系数为a ( x ，y ，z ，1 ) ，x - - 0 处入射激光束的功率密度( 光 强) 是i o ，z ；t ) ，物体内部的温度场t 可用热传导方程描述， j t p c 詈v o ，v 丁) + 0 - r ) a o e 4 + q ( 2 1 5 ) 哪 t 0 ，x 0 式中热物理常数p 、c 、k 可以与位置及温度有关，v 是梯度算子，q 是其他体热 源项。右部第二项是激光束深层吸收的体热源，如果a x l 或r - 1 ，用表面吸 收率a 代替( 1 r ) ，此体热源项可改用边界条件中的面热源表示： 毒一o ：七詈一砜，( ) ，z ) 光斑区域，咖 ( 2 1 6 ) 1 3 光斑处激光束的强度通常可以表示为空间分布i o ( y ，z ) 和无量纲时间波 形b ( t ) 的乘积。典型的波形b ( t ) 有阶梯波，矩形波，瞬时波，瞬时作用( 6 函数) ，三角波和梯形波，指数衰减波形，g a u s s 波形和重复频率波形等f 1 4 | 一 1 6 | 。 其他面热源以及常用的温度，热流和换热边界条件的提法和普通热血问题相同。 设t = o 为激光开始作用的时刻，t o - t ( x ，y ，z ；0 ) 是给定的初始温度分布。如 果初始时物体等温，( 2 - 1 5 ) 武计算的则是物体的温升r - r 一毛，以后我们只 考虑约定t o = o 的情况。这里假定物体的热物理性质与温度无关，也不出现相变。 将激光与物质的作用过程看作激光对半无限大物体的加热。在表面热源的作用 下，其热传导微分方程和边界条件可写为 1 r g t ( x , 一y , z , t ) v 2 t ( x ，y ，z ，f ) ( 2 1 7 ) al j t 乙= 0 ，一k 二 = a 妒p 仁，j ，) ( 2 - 1 8 ) o z z。i-：0t=0(2-19) 设激光的等效功率为p o ，其空间分布为高斯分布，方程组( 2 1 7 ) 一( 2 1 9 ) 有 如下解： t ( ，z ，f ) - d t ( 2 2 0 ) 式中，f o - 1 1 4 a a ，4 为热时间常熟；口为分布因子，a - 1 r 2 ；在r 处q 值 降为鼋0 e 。受热中心温度为 嗍铲南叫扩 旺2 - ， 本章小结 本章主要分析了激光加工过程的物理机理，包括金属材料对激光能量的吸收 和反射，材料的的热物理性质，以及材料在激光作用下的温度场情况；还分析了 影响吸收率的几点因素，为下一步的研究提供了理论基础。 1 4 第三章激光精密调阻的实验研究 激光精密调阻的两项关键技术指标为：调阻速度和调阻精度。调阻速度主要 与光束定向控制的振镜扫描速度、机械运动系统的电机运行速度有关；调阻精度 主要与光学系统的激光光束质量、光束定向控制系统的定位精度、调阻工艺参数 有关。 当激光调阻系统设计结束，所用器件确定以后，则相应的硬件指标就固定不 变了。也就是说，系统所选用的激光器光学设计决定了激光光束质量和激光功率 的稳定性；所选用的光束扫描器决定了激光光束定位精度和振镜的响应时闻。当 这些量确定以后，调阻精度则变为主要与调阻工艺参数有关。 本章针对调阻工艺参数对激光调阻精度的影响这一问题，讨论刻线质量的工 艺参数。根据理论分析计算构建调阻精度、调阻工艺参数之间的数学表达式：通 过实验研究，给出最佳刻线质量的工艺参数。 3 1 激光调阻的原理及特点 激光调阻就是利用激光工艺对电阻进行精密修整的加工手段。是一种集光 学、精密机械、计算机控制、精密测量等多种技术于一体的高技术加工手段，是 混合集成电路中利用激光对厚薄膜电阻进行精密修整的关键l i t ) - - l u l l 本课题是利用激光器发出的脉冲激光束聚焦成为很小的光点，达到适合的能 量密度，对实验材料( s i 基底镀s i 0 2 再镀2 o 五厚的铂层) 的表面进行切割， 使材料表面熔融、蒸发，以改变材料的有效导电面积或有效导电长度，达到制造 精密电阻元件的目的( 这种激光加工方式也属于激光调阻范畴) 。 激光可聚焦成很小的光斑、能量集中、不产生污染、易于计算。调阻时首先 计算电阻的阻值，把数据和图形传送给计算机，计算机根据预先设计好的指令利 用光束定位器使激光按照一定的轨迹和路径切割电阻，直至阻值达到预定值。它 实现了激光加工过程的自动化，并具有高精度、高效率、工艺简便等特点。 激光调阻的特点： 1 激光调阻是通过激光照射到材料的表面，并使它熔融、蒸发，属于非接触 式加工，激光束能量密度高，加工速度快，因此对基板损伤小；且激光光束照射 的材料表面是局部的，属于局部加工，对周围污染和热影响小，调阻后阻值稳定， 漂移小。 2 激光束可以聚焦成非常细的光斑，而且可以边测量边加工，加工精度高， 重复精度好。 3 光束的能量和光束的扫描速度都是可以调节的，故激光调阻可以实现对不 同材料和不同形状的激光加工。 4 激光微调具有速度快，易于实现整个加工过程自动化等优点。调阻过程可 以完全由计算机控制自动完成，因而具有高速、高精度等一系列优点”。 3 2 影响调阻精度的因素分析 影响调阻精度的因素可分为两种：调阻系统以外的影响因素和与调阻系统有 关的影响因素，下面分别就这两种影响因素进行分析。 1 激光调阻系统以外的影响调阻精度的因素主要有以下四个方面”： ( 1 ) 电阻几何形状 常见的电阻形状如图3 1 所示，对环行和梯形电阻进行阻值微调，由于刻蚀 路径不在电流主通道上，阻值稳定性好，但由于调节方式是切断不同的环与梯的 组合，电阻增量为阶梯式，只能实现阻值的有级调节，调阻精度低；条形和帽型 的电阻能获得阻值的连续调节，实现高精度阻值修调，由于条形和帽型电阻的刻 蚀路径在电流主通道中，刻蚀路径对阻值影响较大，微调后的阻值稳定性不是很 好。 衄回 凸 环形电阻梯形电阻 条形电阻帽形电阻 图3 1 常见电阻形状 ( 2 ) 调阻控制模式 常用的调阻控制模式有预测调阻控制模式和追踪调阻控制模式，预测调阻控 制模式根据待刻蚀电阻的初始阻值与目标阻值的偏差确定刻蚀路径，以刻蚀路径 作为调阻控制条件，主要用于快速低精度的阻值修调过程中；追踪调阻控制模式 是在加工的过程中实时、在线测量待刻蚀电阻的阻值，根据电阻阻值确定调阻过 程控制，主要用于对精度要求较高的调阻场合。 ( 3 ) 刻蚀路径 激光在材料表面上的扫描路径称为刻蚀路径，激光调阻精度与刻蚀路径有 关。由于受激光束控制难易的影响，刻蚀路径一般为直线或直线的组合，图3 2 所示为条形电阻常用的刻蚀路径。 1 6 囝豆豆豆豆豆 l - c u t u - c u t z - c u t d o u b l e1 - c u t s e r p e n t i n e1 - c u t 图3 2 常用的刻蚀路径 其中i 型刻蚀路径调阻速度快，调阻精度低，阻值稳定性差；l 型刻蚀路径 调阻速度较慢，调阻精度较高，阻值稳定性较好；u 型刻蚀路径调阻速度慢，调 阻精度高，阻值稳定性好；z 型、双i 型、交叉i 型等刻蚀路径均为i 型刻蚀路 径的改进型，其调阻精度及稳定性均较i 型好，较l 型及u 型差。综合调阻精 度、调阻速度、阻值稳定性及激光束控制难易程度的影响，实际的调阻路径一般 采用l 型刻蚀路径。其中，垂直于电流方向的横向刻蚀对阻值影响较大，称为 粗调，平行于电流方向的纵向刻蚀对阻值影响较小，称为精调“。 ( 4 ) 微调后漂移 激光微调实质上是破坏加工，即对材料进行局部破坏，且在刻蚀路径边缘形 成新的材料，新的材料暴露在空气中，引起氧化，将导致阻值发生漂移；刻蚀路 径周围的热影响区( h e a t a f f e c t e dz o n e ，h a z ) 出现应力和微裂纹，在后续工艺 中，受热冲击裂纹将进一步扩大，热影响区的材料结构也将发生变化，也将导致 阻值发生偏移，德国柏林工程大学电子工程与计算机科学学院的 s c l f i m m a n z g l a u s 博士在他的博士论文中详细研究了热影响区对阻值稳定性的影 响。 2 与激光调阻系统有关的影响调阻精度的因素主要包括以下几个方面： ( 1 ) 激光功率 激光功率影响刻蚀路径的质量，在一定的振镜扫描速度下，功率过低，激光 无法刻透材料；功率过高，激光会刻透基片，影响电阻性能。因此为保证刻蚀路 径的质量，激光功率必须选择适当。除此以外，激光为减少熔融物在切缝处堆积， 应采用峰值功率比材料表层熔融阈值高3 石倍；为使加工稳定，功率输出稳定度 应高于1 。 ( 2 ) 激光频率和振镜扫描速度 激光调阻是以光斑为单位对材料进行光刻的。光斑的刻蚀步长直接影响调阻 精度，光斑的刻蚀步长越小，调阻精度越高。光斑的刻蚀步长由激光频率和振镜 扫描速度决定，因此激光频率和振镜扫描速度也将影响调阻精度。，。 ( 3 ) 调阻控制策略 调阻控制策略是指在调阻过程中，以什么作为控制激光的关断及振镜的偏转 依据，即如何控制刻蚀路径。对l 型刻蚀路径而言，调阻控制策略指粗、精调 结束条件的设定。其中，粗调结束条件控制x 振镜何时停止偏转、y 振镜何时 开始偏转；精调结束条件控制激光器何时关断。 3 3 本章主要研究内容及定性分析 通过以上分析可以知道，当激光调阻系统设计结束，所用器件确定以后，则 相应的硬件指标就固定不变了。所以本文确定将“影响刻线质量的工艺参数”作 为论文的主要研究内容。主要包括激光功率( 平均功率、峰值功率、激光功率密 度) 、激光调q 频率、光斑重叠率( 等价扫描步长，影响调阻速度) 和扫描速度。 首先，激光功率对激光调阻精度产生影响。激光调阻是待刻材料因激光能量 受热气化而实现的，所以激光功率不能过低，如果激光能量不足，则无法使材料 表面气化，如图3 3 所示；相反激光功率也不能过高，因为激光能量越高会在三 个方面产生负作用：第一，激光功率越高，被调材料的气化面积就越大；阻值变 化率就越大，调阻精度就越低。第二，激光功率过高，聚焦在被调材料上的瞬间 容易使其产生裂痕，材料被破坏，阻值不稳定；第三，激光功率过高，热效应区 域加大，材料表面气化瞬间的阻值和冷却后的阻值偏差加大，并且没有办法使其 产生同等程度的偏差，所以调阻精度也会下降，如果3 4 所示。 图3 3 激光功率过低的刻线图3 4 激光功率过高的刻线 其次，调q 频率对激光调阻精度的影响。激光调q 频率对调阻精度的影响是 通过激光峰值功率表现出来的，调q 频率加大会增加激光平均功率，同时也会 降低峰值功率，进而影响调阻精度。 第三，光斑重叠率对激光调阻的影响。光斑重叠率指相邻两个光斑的重叠百 分比。光斑重叠率在三个方面影响激光调阻精度。第一，光斑重叠率的大小影响 聚焦在材料的激光功率的高低。第二，光斑重叠率的大小影响激光切割槽的光滑 度。三，光斑重叠率还影响阻值变化率。 第四，扫描速度对调阻精度的影响。扫描速度在激光调阻中主要指扫描振镜 的转速，它分为x 方向振镜转速和y 方向振镜转速。扫描速度的选择归根结底取 决于x 方向振镜和y 方向振镜的小角度响应时间。扫描速度与x 、y 振镜的小角 度响应时间的不同组合会产生不同的切割槽形状，而切割槽形状直接影响调阻精 1 8 度的高低。例如：1 扫描速度与x 、y 振镜的小角度响应时间匹配时，则会产生 横平竖直的l 形切割槽形状，这样的调阻精度高。2 扫描速度过快时，会产生钝 角l 形切割槽或拐角为圆弧形的l 形切割槽，这样的调阻精度就低。3 如果x 、 y 两振镜的小角度响应时间不相等，若x 振镜响应时间大于y 振镜响应时间，则 产生锐角l 形切割槽；若x 振镜响应时间小于y 振镜响应时间，则产生钝角l 形 切割槽，这些切割槽形状都会降低调阻精度。结论：在x 、y 振镜小角度响应时 间相等的情况下，扫描速度越快，调阻精度越低；扫描速度越慢，调阻精度越高。 激光功率、调q 频率、光斑重叠率和调阻速度并不是相互独立的四个工艺 参数，它们之间存在着相互制约的复杂关系。如图3 5 所示，为q 频率与激光脉冲 的功率，脉冲能量，脉宽的关系。 峰值功率，平均功率 w 平均 功率 。一一 ：多 | ， 。 又 、 y 、腻冲能：塞 峰值功率 、 、 、 、 03691 21 51 82 12 42 73 0 图3 5q ；赖翠与功翠的关系 令激光光斑重叠率为，调阻速度为v ( m m s ) ，调q 频率为f ( h z ) ，则它们 之问的关系如表达式( 3 1 ) 所示。 1 0 _ 0 0 v 。3 0 ( 1 一叻 j ( 3 1 ) 激光平均功率与调q 频率之间的关系表达式： 胛。最 ( 3 2 ) 式中p 为激光平均功率( w ) ，t 为调q 频率的倒数( s ) ，p k 为激光峰值功率，w r 1 9 卯 如 加 为激光调q 脉宽( s ) 3 4 实验及结果 3 4 1 激光调阻的系统组成 图3 6 为本次实验所用的激光调阻系统示意图。激光调阻系统主要由主控系 统、光学系统、和电源三部分组成。其中，主控系统主要实现对激光调阻机各组 成部分的协调控制。光学系统由激光器、光束扫描系统( x 、y 振镜) 、扩束系 统，聚焦系统四部分组成，其在光学系统控制单元的控制下，实现激光器的开关 及振镜的偏转控制；电源部分负责激光器和控制电路的电源供给。 图3 6 激光调阻示意图 光路主要组成部分及主要参数： 1 激光器采用光谱公司生产的1 0 6 4 n m 半导体泵浦激光器，