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激光微细加工技术的研究与应用

激光微细加工技术的研究与应用

摘要

激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或

化学变化，使其达到加工的目的。激光微细加工技术是指加工精度O.1mm_lμm
的激光加工技术。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、计算机外设以及通讯等方面的应用推动了信息产业革命，在电子、仪表、
航空航天工业中，激光微细加工可以高效率高质量地完成微细小孔、划片微调、
切割、焊接以及标记等加工，其中以准分子激光的应用最为广泛，准分子激光
除做常规的钻、切、划加工外，还可用掩模法直接在工件上生成图案。目前的
研究进展已经显示，激光微技术是有发展潜力的三维微制造技术，将可能成为
微系统制造的主流技术之一，并已是激光加工技术及产业发展研究开发的重点
之一。激光微技术将是21世纪高新技术发展的主要标志和现代信息社会光电子
技术的支柱之一。

关键词：激光微细加工；制造技术；优点；应用；孔加工；发展趋势
一、激光微细加工技术简介

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，其实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，
使其达到加工的目的。加工技术可以分为4个层次：一般加工、微细加工(加工
精度O.1mm_lμm)、精密加工(加工精度1μm-O.1μm)和超精密加工(加工精度
高于O.1pm)。激光具有高单色性、高方向性和高亮度的优点.在理论上将相
干光聚焦后形成直径为亚微米级的光点,温度高达10000℃以上,可在千
分之几秒内急剧熔化和汽化各种材料。激光加工技术是利用激光束与物质相互
作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打
孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及
检测等多门学科的一门综合技术。其工作原理：激光器由激光工作物质、激励
能源、全反射镜和部分反射镜构成的光谐振腔组成，当工作物质被光或放电
电流等能源激发后,在一定的条件下可以使光得到放大,并通过光谐振腔的
作用产生光的振荡,由光谐振腔的部分反射镜输出激光，由激光器发射的激
光束通过透镜聚焦到工件的待加工表面,对工件进行各种加工。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、陶瓷和硬金属
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。

二、激光微细加工技术的优点

1．激光微细加工条件较易满足。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．激光微细加工对象广泛。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。

3．激光微细加工是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。绿色制造
是人类社会可持续发展战略在加工业的体现。例如:在大规模生产中激光微
细制造成本低、生产效率高；根据生产流程进行编程控制(自动化)；可接近
或达到冷加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的适应
性强,且不受电磁干扰,对制造工具和生产环境的要求大大降低；噪声低；
不产生任何有害的射线与残剩,生产过程对环境污染小等等。

4．激光微细加工是一种智能化制造技术。加工系统智能化已成为必然的
发展趋势。由于激光输出的可控制性,因此制造过程能通过软件实行自动化
流程的智能控制。带有实时检测、反馈处理的加工系统可根据生产性质的需
要,实行加工台的定位控制,还可通过激光的光纤传输实行加工头的机器手
定位控制,从而实现高效的自动化、智能化激光制造。比如,汽车车身覆
盖件的三维定位切割、车身骨构架的焊接、齿轮盘及其他零部件的焊接加工
等,已形成激光加工、组装一条龙的生产线。

5．激光微细加工是一种更精密的制造技术。在微细加工中对于微小元
件、印刷电路板集成电路、微电子元件和微小生物传感器等的制作,激光微
细加工是唯一的不可替代的技术。

6．激光微细加工是一种无接触加工的制造技术。激光微细加工透过空
气,惰性气体和透明体对工件加工实现无接触加工,并且高能量激光束的能
量及其移动速度均可调,因此可以实现多种加工的目的；它可以对多种金
属、非金属加工,特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料。

7．工艺先进。激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于
工件；激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工,