此刻，硬脆材料在航空航天、高端电子中心部件器件等周围运用普遍。超快激光由于其极短脉冲、峰值功率高，在硬脆材料精巧加工中具备高敏捷性、高精度、材料普适性强等特点，成为一种有用的加工道路。本文重要先容了做家地方的西安交通大学激光精巧建造技艺与装配团队在开展典范硬脆材料超快激光加工工艺和硬脆材料激光加工装配方面所博得的探索成就。
硬脆材料超快激光加工简介
硬脆材料基于其本身各样特点而至，在加工进程中面对不少挑战。比如航空带动机陶瓷基复合材料(CMC)涡轮部件、雷达超高热流密度组件金刚石热沉、高端器件氧化铝/氮化铝陶瓷封装基片、第三代半导体碳化硅/氮化镓芯片晶圆等硬脆性材料，关于加工精度、加功效率、一致性和牢靠性等请求都特别高，采取常例加工技艺无奈完结对其高效加工，因此使这种硬脆材料的精巧加工技艺成为限制该周围进展的中心关键技艺。
图1.硬脆材料基于其本身各样特点而至，在加工进程中面对不少挑战
激光建造凭仗其极高的峰值功率、切确的损伤阈值、微小的热影响区、高加工精度，以及适当于各样难加工材料的特点和加工上风，成为航空航天繁杂构件、高端电子器件中心部件精巧建造的优选技艺。但是，我国在难加工材料的激光建造办法及装配方面，还存在着加工精度、效率、表面原料、牢靠性等方面的题目，与海外比拟还存在较大差异。
图2.超快激光能防止常例的长脉冲激光加工进程中产生的热分散、热应力弊病等题目，成为硬脆材料精巧加工的有用办法
个中，超快激光加工显露出一系列加工上风，比如：光斑聚焦半径小，精度高，冲破加工极限；峰值功率极高，与材料效用机制与长脉冲激光具备实质差别；激光材料互相做历时候极短，热影响小，理论上属于“冷”加工；材料适应性广等。鉴于此，超快激光成为硬脆材料精巧加工的有用办法。
典范硬脆材料超快激光加工工艺
多年来，笔者地方的激光加工探索团队在科技部系各国度重心项宗旨支撑下，缭绕典范硬脆材料超快激光加工工艺和装配开展了洪量的探索劳动。
陶瓷基复合材料（CMC-SiC/SiC）的超快激光精巧加工
?航空航天周围对材料的耐高温功能须要继续升高
在航空航天周围，飞机带动机内下属于高温处境，此刻应用的材料是带陶瓷涂层的高温合金，但这种材料的最高耐受温度根本介于-℃。跟着新一代战机带动机的功能继续晋升，这种材料的耐高温功能已无奈适应带动机的进展步调。比如，第五代战机的涡轮前温度℃。对此，多种新式材料已出现出来，个中CMC复合材料（碳化硅）被视为功能最优良的材料之一，其耐受温度可达-℃，希望成为下一代代替高温合金的带动机高温部件的愿望材料。
但是，CMC复合材料属于超硬材料，硬度仅次于金刚石，莫氏硬度高达9.5，材料各向异性及散布不均，多层材料热力学功能失配，致使其加工难度很大，无奈经过常例办法停止加工。今朝，纵然超快激光在硬脆材料加工方面彰显不少上风，但此刻国表里针对CMC的超快激光加工探索还停止在实行室底子阶段。鉴于此，笔者团队在超快激光加工CMC材料方面开展了洪量的劳动（包含抛光、表面构造加工等工艺）。
图3.由于材料的制备进程限定，其表面粗拙度常常高达40多微米，经过超快激光加工技艺可对材料表面停止抛光
?SiC/SiC激光抛光
针对硬脆材料抛光，即使采取保守的金刚石磨削办法，其劣势包含拉应力聚拢激发的材料扯破和崩边，进而致使各样表面弊病和二次损伤，限制了表面原料的进一步晋升；而飞秒激光抛光则能够将拉应力变换为一种有利的压应力，以产生精巧细化加功成绩，不会残留应力，加工二次损伤小，去除一致性优秀。
图4.保守金刚石磨削加工和飞秒激光抛光加工的比拟图
其它，在探索超快激光抛光的同时，团队也试验了各样激光复合加工工艺。比如，在激光溶液复合抛光的理论及实行探索中，采取溶液辅佐激光抛光，能够将CMC材料的表面粗拙度降落到0.72μm，即nm。
图5.金刚石抛光和激光抛光的表面粗拙度比拟：前者Ra=4-5μm；后者Ra小于1μm
同时，团队自立开拓出一套超声辅佐激光加工平台停止超快激光抛光，倚赖超声完备的高频微振、能场空化效应，加强部分空气对传布热，有助于材料表面颗粒聚拢和聚拢，进而升高材料的表面抛光原料。
陶瓷基板微群孔的激光精巧加工
多功用雷达（空间雷达、军用雷达和航空雷达等）的中心部件完备大范围集成、微型化、高功率和高牢靠性等特点，进而使得射频集成电路等电子产物的封装亟待处置耐高温、高牢靠等题目。
今朝，氧化铝和氮化铝陶瓷封装基片凭仗布线密度高、介电常数低、散热功能好等崇高功能，成为以变频组件为代表的微电子器件的首选基片材料。
图6.氧化铝和氮化铝陶瓷封装基片已成为以变频组件为代表的微电子器件的首选基片材料
?陶瓷基片微群孔加工近况
氧化铝和氮化铝陶瓷封装基片显露硬脆特点，采取板滞加工和长脉冲大功率激光加工均会产生各样原料弊病。比如，板滞加工的毛病包含内壁烧糊、残渣、无奈加工盲孔；长脉冲大功率激光加工则会产生崩边、熔渣等题目。
关于陶瓷基片微群孔加工而言，须要餍足下列请求：多法式盲/通孔加工；大面积加工无漏孔，无孔偏移；锥度小；无崩边；无熔渣或易去除。相较而言，采取超短波长（如紫外）/超快激光加工是氧化铝/氮化铝陶瓷/盲通群孔加工的最好取舍。
?完结雷达变频模块功用器件基板表面群孔阵列加工
笔者团队在紫外纳秒激光打孔和超快激光打孔方面开展了洪量的研发劳动，比如，图7是采取超快激光在氧化铝和氮化铝陶瓷基片长停止的微群孔加工。加工参数包含：孔径μm，孔径加工精度-3.6~4.3μm，孔的定位精度-4.1~3.6μm。
图7.应用超快激光在氧化铝陶瓷和氮化铝陶瓷基片长停止微群孔加工
团队自立开拓了专用于陶瓷基板打孔的飞秒激光加工的实行样机，拓展了陶瓷基片打孔的加工本事，得到孔径范围介于30~μm，孔径差错-4.9~4.7μm，盲孔孔深差错-4.5~4.1μm的结束，完结了产业氧/氮化铝陶瓷基片准则厚度多孔径盲/通孔加工（图8左和右），被普遍运用于电子封装等周围。
图8.飞秒激光完结产业氧/氮化铝陶瓷基片准则厚度的多孔径盲/通孔加工
单晶SiC精良径比微通孔激光加工
硅是半导体行业运用最普遍的材料之一，纵然成本廉价，但保守的硅基元器件无奈餍足卑劣处境（高温、高压、高功率、强辐射、高频）的劳动请求。
相较而言，单晶碳化硅（SiC）是一种新式半导体材料，SiC晶体的功用特点包含宽带隙、高热导率、高临界击穿电场、低介电常数、高饱和载流子转移率。以SiC晶体为基板材料的电子器件能够在卑劣处境中长时候褂讪劳动，被誉为下一代半导体愿望的代替型材料。
图9.SiC电子器件的重要运用周围
以PCB板为代表的电子器件进展趋向包含：轻佻短小、智能化、多功用化；高密度互联、集成封装，以及能够完结在SiC基板上加工精良径比微通孔。但是，SiC晶体（硬脆材料）具备超高的硬度（硬度介于金刚石和刚玉之间）以及极低的韧性。是以，SiC晶体微加工一贯属于国际探索难点，此刻微孔深径比能够到达10:1；孔径50μm以上，原料差，效率低。
?孔形优化
近几年内，笔者团队在应用飞秒激光停止单晶碳化硅表面的精良径比微通孔加工方面做了接连的探索探究。最着手是做孔形优化，经过光路特点的参数来优化孔径圆度、深度和锥度。比如，补充小孔光阑以改正微孔圆度。别的，可经过改观聚焦前提升高微孔深径比。
同时，还能够经过改观激光波长来升高微孔深径比。比如，针对厚度μm的第三代半导体材料4H-SiC(4H碳化硅)，假如采取波长nm飞秒激光直冲加工，微孔会产生孔径大、深径比低，光束边际低能量区对材料产生损伤、出口圆度差、倒塌零落严峻等弊病。换用短波长激光后（波长nm飞秒激光直冲加工），微孔的孔径显著减小，深径比升高，圆度升高，锥度低落，但进口、出口倒塌景况仍旧较为严峻。
图10.经过改观激光波长能够升高微孔深径比
?表面原料优化
经过在材料表面补充爱护层的方法来消除微孔倒塌，消除热应力，能有用抵御进口裂纹的产生。此刻，已得到深径比20以上，进口孔径20μm左右，锥度0.5°下列的高原料微通孔。但是，出口倒塌题目尚未能齐全消除。
是以，试验经过水辅佐激光加工消除微孔倒塌。实行证实，水辅佐消除了微孔出口裂纹，并获患了内壁原料较好的微通孔；孔径略有增大，深径比低落。
鉴于此，在工艺推行方面，采取飞秒激光旋切加工碳化硅，能够得到高原料、精良径比的微通孔。比如，在厚度μm到1mm的N型4H-SiC上获患了深径比20、无倒塌、无重铸层、无烧蚀碎屑聚拢的高原料精良径比微通孔群。
图11.飞秒激光旋切加工碳化硅高原料精良径比微通孔
金刚石热沉的激光控形加工
金刚石做为最坚挺的材料，须要对其停止刻槽，其运用布景基于航空雷达百般化、劳动形式的繁杂化等对T/R超高热流密度组件的构造、原料和功耗提议更高的请求，特为是热控系统打算与建造迎来新的挑战。
比如，T/R超高热流密度组件的牢靠性对温度特别敏锐，70-80℃时每补充1℃牢靠性便降落5%。对此，处置航空雷达超高热流密度组件的热沉技艺急不可待。
图12.热沉与芯片器件的集成
?开展激光加工金刚石热沉的须要性
此刻所采取的热沉材猜中，热导率最高的无氧铜也不超越W/(m·K)，无奈餍足航空雷达超高热流密度组件对材料W/cm2以上的高热流密度须要。
金刚石常温下的热导率为0～W/(m·K)，是罕用于热导材料的金属中热导率最高的铜的5倍，且化学性质褂讪，可用于高端器件热沉材料。但是，金刚石莫氏硬度高达10，显微硬度比石英高倍，比刚玉高倍，其切削和加工必需应用钻石粉或激光停止。
超快激光具备功率密度高、热影响区小、加工精度高、可加工各样材料的特点，是金刚石微槽加工的愿望办法。是以，今朝亟需开展航空雷达超高热流密度组件金刚石热沉的激光加工探索。
?飞秒激光加工金刚石热沉微构造
运用单元请求在金刚石上加工出大深宽比的盲槽构造，且请求盲槽横截面为矩形槽，进而完结最优的散热成绩。
团队欺诈飞秒激光在金刚石热沉材料上做了各样微槽构造，最后加工的通槽和盲槽构造，在加工末尾会产生曲折变形的题目。随后，经过激光光束速率调控的分区铣削加工办法，处置了上述题目，加工出三维近矩形微深槽构造。此刻，已完结了锥度形似为零、深宽比8:1的三维矩形微深槽的可控加工。
图13.左为国际最新程度，右为本项目调控加工结束，完结了锥度形似为零、深宽比8:1的三维矩形微深槽的可控加工
硬脆材料激光加工装配
?航空带动机CMC涡轮部件飞秒激光加工装配
首先，团队开拓了航空带动机CMC涡轮部件专用飞秒激光加工装配。这款装配由三维振镜系统、光机电协同掌握系统、激光建造光路系统、装配主机等组成。欺诈这台装配在CMC复合材料上做了各样微构造加工，此刻装配被用于带动机叶片、气膜孔等批量化加工，完结了航空带动机CMC涡轮部件精巧加工，过失≤0.mm。
图14.CMC涡轮部件精巧加工的过失≤0.mm
?航空带动机叶片陶瓷型芯皮秒激光修型装配
航空航天难加工部件如陶瓷型芯，特点构造位于自如曲面上、材料脆度大，保守的机床刀具加工很难完结。是以，开拓了这款航空带动机叶片陶瓷型芯皮秒激光修型装配，它由三维探测装夹系统、光机电协同掌握系统、激光建造光路系统和装配主机等部件组成。
图15.陶瓷型芯激光补缀装配构造模子
该装配占有两浩劫点：一是三维在线探测。每个零件形态互异，都须要经探测后再将数据上传到机床上，产生加工线路轨迹；二是须要光机电协同掌握系统以完结自如曲面上的高精度加工。
此刻，该装配完结了航发叶片定子与转子型芯的高效高精批量化补缀，修型最大过失≤0.mm，获患了工程运用。
归纳
综上所述，针对金刚石、陶瓷、高温合金等硬脆材料的精确可控加工困难，做家地方的团队开展了激光精巧加工理论与技艺探索，显露了激光复合能场调控和材料去除的宏观机理，创设了脉冲激光纳微跨法式烧蚀及液体处境宣扬的理论模子，完结了多能场效用下激光加工微构造特点尺寸、截面描摹等的精确展望；提议了激光脉冲时序调控的分步加工技艺及路途轨迹优化的激光三维铣削办法，冲破了激光加工尺寸与形态调控的技艺困难；探究了液体辅佐激光复合加工办法，完结了高温合金无重铸层、无微裂纹，孔口无喷溅物、无聚拢层的高原料微孔加工；在工艺冲破的底子上，攻陷了光机电协同掌握、三维在线探测等关键技艺，开拓了航空带动机CMC涡轮部件飞秒激光加工装配、航空带动机叶片陶瓷型芯皮秒激光补缀装配等高端激光建造装配，在航空航天、电子建造周围具备重要的运用代价。
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