激光技术在制造业中的应用

魔神

    

　　1、激光技术在制造业中的应用激光因具有极好的单色性、相干性和方向准直性三大特点，特别适用于材料加工。

　　激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。

　　激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成果，根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

　　激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔化而不使其汽化，在冷却后成为一块连续的固体结构。

　　激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。在激光出现之前，只能用硬度较大的物质在硬度较小的物质上打孔。这样要在硬度最大的金刚石上打孔，就成了极其困难的事。激光出现后，这一类的操作既快又安全。激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。

　　激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。全固体紫外波段激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。

　　激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。

　　激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可加工0.15～1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。

　　激光微调技术可对电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%～0.002%，比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻(0.01～0.6微米厚)与厚膜电阻(20～50微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。

　　激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技术(例如CD、DVD光盘等)，是信息化时代的支撑技术之一。激光划线技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为15～25微米，槽深为5～200微米)，加工速度快(可达200毫米/秒)，成品率可达99.5%以上。

　　激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。

　　激光热、表面处理技术包括：激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。激光相变硬化(即激光淬火)是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺,适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲劳强度,国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。激光相变硬化技术还可用于对模具热处理，可大大提高模具的使用寿命，降低成本、提高生产效率。此项技术对我国庞大的模具制造业技术提升意义重大。激光包覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一,具有很好的经济性,可大大提高产品的抗腐蚀性。激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法,是未来应用用潜力最大的表面改性技术之一,适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。激光退火技术是半导体加工的一种新工艺,效果比常规热退火好得多。激光退火后,杂质的替位率可达到98%～99%,可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2～1/3,还可大大提高集成电路的集成度,使电路元件间的间隔缩小到0.5微米。激光冲击硬化技术能改善金属材料的机械性能,可阻止裂纹的产生和扩展,提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度,改善其抗疲劳性能。激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度,比无激光照射快1000倍,对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大意义。使用该技术可使电镀层的牢固度比传统电镀法提高100～1000倍。激光上釉技术对于材料改性很有发展前途,其成本低,容易控制和复制,有利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术,在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其它电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。

　　激光在电子工业中也得到广泛应用。可以用它来进行微型仪器的精密加工，可以对脆弱易碎的半导体材料进行精细的划片，也可以用来调整微型电阻的阻值。随着激光器性能的改善和新型激光器的出现，激光在超大规模集成电路方面的应用，已经成为许多其他工艺所无法取代的关键性技艺，为超大规模集成电路的发展展现出令人鼓舞的前景。激光技术是高科技的产物，其产生又推动了科学研究的深入发展，并开拓出许多新的学科领域，如非线性光学、激光光谱学、激光化学、激光生物学等。激光被用来研究与生命密切相关的光合作用、血红蛋白、DNA等的机制。激光已经成为时间和长度的新标准，以后任何高精度的钟表和米尺都可以用某一特定波长的激光束来标定。激光在核能应用上也将大显身手。乐观的专家们估计，到2020年强大的激光会产生安全经济的热核聚变，这类似恒星内部的核反应过程。如果实现，热核聚变将带来巨大无比的社会和经济效益，能源危机亦将不复存在。到那时，一桶水中的氢聚变后所产生的电力足够一个城市使用。

　　激光加工在微电子工业中的应用激光加工是非接触的加工方法，高效率、无污染、高精度、热影响区小，因此在电子工业中，尤其是在微电子工业中得到了十分广泛的应用。Z激光微调：集成电路、传感器中的电阻是一层电阻薄膜，制造误差达±15—20%，只有对之进行修正才能提高那些高精度器件的成品率。激光可聚焦成很小的光斑，能量集中，加工时对邻近的元件热影响极小，不产生污染，又易于用计算机控制，因此可以满足快速微调电阻使之达到精确的预定值的目的。加工时将激光束聚焦在电阻薄膜上，将物质汽化。微调时首先对电阻进行测量，把数据传送给计算机，计算机根据预先设计好的修调方法指令光束定位器使激光按一定路径切割电阻，直至阻值达到设定值，误差缩小到0.05%。其电阻的同样可以用激光修正片状电容的电容量，原理是把激光束聚焦在电容的电极上，使之高温汽化而减小面积，直至电容量减小到预定值。美国ESI公司是世界上最大的激光微调机生产厂商，已向各大集成电路生产厂提供了几千台激光微调机。

　　激光划片：集成电路生产过程中，在一块基片上要制备上千个电路，在封装前要把它们分割成单个管芯。传统的方法是用金刚石砂轮切割，硅片表面因受机械力而产生辐射状裂纹。激光划片把激光束聚焦在硅片表面，产生高温使材料汽化而形成沟槽。通过调节脉冲重叠量可精确控制刻槽深度，使硅片很容易沿沟槽整齐断开，也可进行多次割划而直接切开。由于激光被聚焦成极小的光斑，热影响区极小，切划50μm深的沟槽时，在沟槽边25μm的地方温升不会影响有源器件的性能。激光加工是非接触加工，硅片不会受机械力而产生裂纹。因此可以达到提高硅片利用率、成品率高和切割质量好的目的。用于激光划片的激光波长要易被材料吸收，具有足够高的峰值功率，通常用声光调Q的Nd：YAG激光器。

　　激光修补：集成电路制造时，步进投影光刻机需要无缺陷的掩模版，然而制造高集成度的电路掩模版不可避免地会出现缺陷。缺陷有两种形式：一种是非透明材料上出现针孔；另一种是透明区出现黑点。用激光修补掩模版时首先将掩模版的图形视频信号与CAD数据库中的数据进行比较，确定缺陷的种类与位置，激光修补系统接受这些信息后，将激光聚焦在多余的铬点上，使之汽化，从而去除了黑点。对针孔缺陷则使之处在有机铬气氛中，用激光照射，使有机铬分解，铬沉积在针孔处，补上了针孔。沉积的线条往往比原有线条宽，还要用激光进一步修整，使图形达到设计要求。应用激光掩模版修补技术后，使掩模版的质量和成品率都得到大幅度的提高。激光精密焊接：电子元器件制造过程中需要点焊、密封焊、叠焊，由于元器件不断向小型化发展，要求焊点小、焊接强度高、焊接时对周围热影响区小。传统的焊接工艺难以满足需要，而激光焊接可以实现。显像管电子枪组装采用激光点焊工艺后，质量大大提高，目前彩色显像管生产线几乎都装备了脉冲激光点焊机。计算机键盘的字键簧片采用激光点焊工艺可使击打寿命超过2千万次。小型航空继电器采用激光密封焊工艺后，其泄露率降低。光通讯中有许多同轴器件，如光隔离器、光纤耦合器等，为了保证光信号衰减小于0.1db，要求在焊接时器件的圆周畸变量小于1μm，中心偏移量小于0.2μm。因此必须采用沿圆周多点同步焊接，激光很容易经过分束后通过光纤传输实现多点同步加工，能量可精密控制，解决了传统加工方法难以解决的问题。

　　多层电路板激光精细打孔：微电子电路集成度不断提高，为了提高电路板布线密度，要使用多层电路板。因此，层间互连的微通道技术显露出越来越高的重要性。通道的直径一般为0.025～0.25m m，用传统的机械钻孔或冲孔工艺不仅价格昂贵，难以保证质量，更不可能加工盲孔。用激光不但可以加工出高质量的小孔和盲孔，而且可以加工任意形状的孔或进行电路板外形轮廓切割。紫外波段的激光器是加工高分子聚合物材料和铜的理想工具。准分子激光器由于体积大、工作气体有腐蚀性、维护困难，在电子工业中没有得到广泛应用；随着半导体泵浦固体激光技术的飞速发展，出现了全固化的紫外波段激光器，不但体积小，而且寿命长。美国COHERENT公司生产的紫外波段激光：AVIA 355—1500型激光器，可在计算机控制下通过扫描振镜系统对电路板进行钻孔、刻线或切割等精细加工；在50μ厚的聚酰亚胺薄膜上打直径30μ的孔，每秒可以打约250个孔。

　　激光标记：激光标记有雕刻和掩模成像两种方式：掩模式标记用激光把模版图案成像到工件表面而烧蚀出标记，激光源用TEACO2激光器。雕刻式标记是一种高速全功能打标系统，激光源用声光调Q准连续波Nd:YAG激光器/掺镱脉冲光纤激光器/射频CO2激光器/。激光束经二维光学扫描振镜反射后经平场光学镜头聚焦到工件表面，在计算机控制下按设定的轨迹使材料汽化，标刻出图形或文字。激光标记是永久性的，不易磨损。国外已大量用在给电子元器件、集成电路打商标、型号；给印刷电路板打编号等。近年来紫外波段激光技术发展很快，由于材料在紫外波激光作用下发生电子能带跃迁，打破或削弱分子间的结合键，从而实现剥蚀加工，加工边缘十分齐整，因此在激光标记技术中异军突起，尤其受到微电子行业的重视。

　　激光辅助清洗：对于亚微米半导体器件来说，在制造过程中微粒污染会造成致命的缺陷，灰尘尺寸只及器件线宽的1／3乃至1／10就可能造成器件失效。传统的超声清洗很难除去微米级和更小尺寸的微粒。用激光辅助清洗技术解决这个难题的机理为：一是用激光照射被清洗材料，微粒或材料表面吸收激光能量，由于热扩散产生的力将微粒撞击离开表面。二是激光能量被微粒周围和下面的清洗剂(如水)吸收，导致清洗剂迅速升温而发生爆炸性汽化，把微粒推离材料表面。三是使被清洗材料吸收激光能量，然后这能量加热清洗剂，导致产生爆炸性汽化而带走微粒。试验表明用激光辅助清洗方法驱除半导体表面的微粒是有效的，为提高高集成度半导体器件的成品率展示了光明的前景。【MechNet】