隨著人們對更小尺寸、更高精度產(chǎn)品的需求不斷增長（從醫(yī)療器械到先進微電子等各個領(lǐng)域皆是如此），激光已經(jīng)成為比以往任何時候都更加不可或缺的一種制造工具。超短脈沖（USP）激光（脈沖寬度處于皮秒和飛秒量級）正越來越多地被用于執(zhí)行要求極為嚴(yán)苛的微加工任務(wù)，因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)高水平的加工精度和加工質(zhì)量。

然而，超短脈沖激光并非適用于所有情況。特別是在以較低的總體成本實現(xiàn)高產(chǎn)出方面，它們的確存在一些實際的局限性。相比之下，更為成熟的納秒（ns）脈沖激光技術(shù)，通常具有更高的燒蝕速率、更低的成本、更高的可靠性以及更易于實施等特點。雖然它們主要通過熱燒蝕去除材料——這在一定程度上限制了其進行最高精度加工的能力，但使用紫外（UV）波長以及更短的個位數(shù)納秒脈沖寬度，可以彌補這一不足。

MKS 公司旗下的 Spectra-Physics® 研發(fā)出了一款納秒脈沖激光器——Talon® Ace UV100，它能提供 100 W 的紫外功率以實現(xiàn)高加工吞吐量，并且能在高脈沖重復(fù)頻率（PRF）下產(chǎn)生短至 2 ns 的脈沖寬度，適用于高速精密微加工。Talon Ace 的一個關(guān)鍵特性是其創(chuàng)新的 TimeShift 可編程脈沖功能，能產(chǎn)生 2~50 ns 的脈沖寬度，并能實現(xiàn)諸如整形脈沖和脈沖串等定制化輸出。這一性能使其能夠勝任傳統(tǒng)調(diào) Q 納秒脈沖激光器無法實現(xiàn)的應(yīng)用場景。

圖 1：在脈沖串模式下，激光器發(fā)射出一小串短脈沖（脈沖串子脈沖），而非單個脈沖。在相同的重復(fù)頻率下，每個脈沖串的總能量幾乎與單個長脈沖的能量相同。

圖 1 展示了 Talon Ace 的 TimeShift 脈沖串輸出能力，對比了 5×2 ns 的脈沖串與單個 10 ns 的脈沖，兩者輸出脈沖（或脈沖串）的重復(fù)頻率均為 200 kHz。在每種情況下，“激光發(fā)射”的總時間約為 10 ns；然而，脈沖串輸出將能量分配到一系列子脈沖中，這使得每個子脈沖對于高效材料燒蝕可能更為理想。子脈沖之間的時間間隔以及每個子脈沖所包含的能量完全可編程，與激光器的工作重復(fù)頻率無關(guān)。而且，各種 TimeShift 輸出模式之間的切換速度非�？�，約為幾十微秒，這使其非常適合在加工由多種材料組成的樣品時，實現(xiàn)即時模式切換。

在 TimeShift 功能中幾乎每個參數(shù)都可以變化，這使用戶能夠定制脈沖輸出，以滿足特定的應(yīng)用需求。鑒于 TimeShift 如此強大的適應(yīng)性，探究它如何在微加工過程中提高產(chǎn)出、效率和質(zhì)量就顯得尤為重要。

本文的實例旨在表征 Talon Ace 在銅板材料（厚度 6 mm）上的微加工能力，分別采用單脈沖和脈沖串輸出，并與傳統(tǒng)的調(diào) Q 半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器 Spectra Physics Talon UV15 的加工能力進行比較。使用兩軸振鏡通過多次逐行掃描銑削出小范圍的材料。在 X 和 Y 方向（掃描方向和步進方向）上，空間脈沖重疊率均為 60%，全程使用 50 kHz 的重復(fù)頻率。光束通過一個焦距為 163 mm 的遠心 f-theta 物鏡聚焦，并使用一個外部可變功率衰減器控制入射能量密度。

燒蝕速率和效率通過測量加工特征的深度（并計算體積）以及所使用的總體激光照射量（功率、脈沖數(shù)、加工時間）來確定。圖 2 展示了不同的脈沖輸出模式下，體積燒蝕效率與峰值能量密度的關(guān)系。燒蝕效率是指歸一化為平均功率為 1 W 時，單位時間內(nèi)去除材料的體積，單位為 mm3/min/W。

圖 2：燒蝕效率數(shù)據(jù)表明，在加工銅時脈沖寬度的重要性以及使用脈沖串的益處。

對于較低的能量密度，Talon Ace 以單個 2 ns 脈沖運行時，比傳統(tǒng)的 20 ns 調(diào) Q 激光器具有更高的燒蝕效率。有趣的是，2 ns 脈沖實現(xiàn)最高燒蝕效率的能量密度（約 8  J/cm2），大概接近 20 ns 脈沖引發(fā)材料燒蝕的閾值能量密度；事實上，20 ns 脈沖在該能量密度下尚且不能去除材料。當(dāng)施加更高的能量密度時，情況則相反，較長的脈沖實現(xiàn)的燒蝕效率幾乎是較短脈沖的兩倍。

熱擴散理論可以解釋這些結(jié)果。脈沖寬度越長，熱量就有更多時間擴散到銅材中，從而稀釋了吸收的激光能量。因此，需要更高的入射能量密度來啟動燒蝕。然而一旦開始燒蝕，每次去除的材料增量體積就會更大。另一方面，較短脈沖的更高峰值功率會在顯著的熱擴散發(fā)生之前就引起材料燒蝕。顯然，較短的脈沖寬度能夠?qū)崿F(xiàn)可控性良好的燒蝕，同時減少熱負荷；并且在較低的總能量密度下具有最高的燒蝕效率，輸入到材料中的能量的減少，也會相應(yīng)地縮小熱影響區(qū)（HAZ）。

在本案例中，5×2 ns 脈沖串輸出模式可以顯著提高燒蝕效率。從各種脈沖輸出模式的燒蝕效率峰值比較中可見，Talon Ace 在脈沖串模式下的最高燒蝕效率（0.23 mm3/min/W），是單個 2 ns 脈沖峰值燒蝕效率（0.08 mm3/min/W）的 2.8 倍，比 Talon 調(diào) Q 激光器的單個 20 ns 脈沖的峰值燒蝕效率（0.16 mm3/min/W）高出近 50%。這種脈沖串燒蝕效率更高的結(jié)果，與使用超短脈沖激光的類似研究結(jié)果一致，但其背后的原因尚未完全明晰。

使用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡以及 3D 掃描白光干涉儀進行加工質(zhì)量分析。圖 3 展示了所測試的用三種脈沖輸出模式加工后的銅表面的特寫圖像，每張圖像均在各自的最佳能量密度條件處或附近（圖 2 中的紅圈處）拍攝。

圖 3：光學(xué)顯微鏡特寫照片展示了 2 ns、20 ns 單脈沖輸出以及 5×2 ns 脈沖串輸出加工的表面質(zhì)量。

從圖 3 中可見，三種脈沖輸出模式下的加工質(zhì)量總體都挺好。然而，Talon Ace 以 2 ns 單脈沖輸出加工的表面上顯示出了單個燒蝕點，表明有極小的熱影響（例如熔化），否則這些特征會融合在一起。相比之下，在使用調(diào) Q Talon 以 20 ns 單脈沖和 Talon Ace 以 5×2 ns 脈沖串加工的兩種情況下，單個燒蝕坑更明顯地融合在一起，形成了看似更均勻但略顯粗糙的整體表面。這可能是由于激光與材料相互作用中的一些熱成分，如局部熔化，使得表面形貌在原位得以均勻化。

接下來，使用掃描白光干涉儀監(jiān)測加工特征的邊緣是否有毛刺形成（圖 4）。

圖 4：光學(xué)表面輪廓測量顯示，從 20 ns 脈寬變?yōu)?2 ns 脈寬時，邊緣毛刺減少；而用 5×2 ns 脈沖串加工，邊緣毛刺進一步減少。

在邊緣毛刺方面，處于脈沖串模式運行的 Talon Ace 比其他兩種情況的加工效果要好得多（平均邊緣毛刺小于 1 µm）。需要注意的是，在此示例中，所有工藝均未針對減少邊緣毛刺進行優(yōu)化，因此所有情況都有可能進一步改善。但是我們預(yù)計，即使經(jīng)過優(yōu)化后，脈沖串輸出的 Talon Ace 仍將產(chǎn)生最小的邊緣毛刺。

在一項頗具挑戰(zhàn)的工業(yè)應(yīng)用中，展示了使用 Talon Ace 的 TimeShift 功能加工銅的優(yōu)勢。這項應(yīng)用要求在一塊由銅、聚酰亞胺和銅組成的疊層材料上鉆盲孔，銅/聚酰亞胺/銅層的厚度分別為 12/25/12 µm。在多步驟工藝中，關(guān)鍵的第一步是使用激光通過簡化的沖擊鉆孔工藝（而非套料鉆孔），在頂部銅層上鉆出一個直徑 50 µm的孔。沖擊鉆孔本質(zhì)上速度更快、成本更低（無移動部件等），但要實現(xiàn)更大的直徑和高質(zhì)量頗具挑戰(zhàn)性。圖 5 中給出了總結(jié)圖表和數(shù)據(jù)，將 10×2 ns 脈沖串工藝的加工結(jié)果與另外兩種單脈沖（10 ns 和 2 ns）的加工結(jié)果進行了比較。

圖 5：對于相同或更低的平均功率，在柔性印刷電路板（PCB）頂部銅層鉆孔加工中，10×2 ns 脈沖串比 10 ns 和 2 ns 單脈沖表現(xiàn)更優(yōu)。

在僅 40 µs 的鉆孔時間內(nèi)，10 ns 和 2 ns 單脈沖均未能達到可接受的加工質(zhì)量和產(chǎn)出水平。

相比之下，10×2 ns 脈沖串在相同的時間內(nèi)加工出了一個質(zhì)量明顯更優(yōu)的干凈通孔。脈沖串加工實現(xiàn)的低毛刺高度（<2 µm），對于諸如鍍銅和多層柔性 PCB 層壓板堆疊等下游工藝非常重要。

從脈沖寬度的角度來看，激光通常被分為納秒脈沖與超短脈沖，但本加工示例呈現(xiàn)的結(jié)果，意味著還需要對脈沖寬度進行更細致的區(qū)分。我們發(fā)現(xiàn)，較短的個位數(shù)納秒脈沖與幾十納秒的脈沖相比，能產(chǎn)生截然不同的加工結(jié)果。同樣明顯的是，由納秒脈沖組成的脈沖串具有很大的加工優(yōu)勢（就像超短脈沖激光能做到的那樣），這也能帶來顯著的經(jīng)濟效益。憑借在納秒和超短脈沖兩種模式下的 TimeShift 脈沖定制功能，MKS | Spectra-Physics 激光器，非常適合應(yīng)對最具挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性的工業(yè)激光加工應(yīng)用，同時提供強大的價值主張。

Talon Ace 激光器

Talon Ace UV100 是一款強大的納秒脈沖激光器，以小巧的外形提供的大于 100 W 的紫外功率，提供出色的性價比。這款新型激光器提供了優(yōu)異的靈活性，包括 TimeShift 可編程脈沖功能和寬泛的脈沖重復(fù)頻率范圍，以實現(xiàn)微加工工藝的優(yōu)化。Talon Ace UV100 非常適合先進電子封裝、PCB、光伏、陶瓷、半導(dǎo)體以及其他材料和組件的微加工中的高速、高質(zhì)量制造。

轉(zhuǎn)自：MKS光電解決方案

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