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2007-04-05 10:13 |
激光微加工系統(tǒng)-真正的微加工
火花飛濺的圖像以及大型的五軸激光系統(tǒng)的精確性已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)熟知的特點(diǎn)，正如設(shè)備制造商們在大型工具展，比如在芝加哥每兩年舉行一次的IMTS上所展示的。最近，一系列新的激光工具已經(jīng)開始成為人們關(guān)注的中心，即激光微加工系統(tǒng)。 ##VS%&{
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這些激光產(chǎn)品為實(shí)現(xiàn)目前工業(yè)制造中復(fù)雜的要求提供了技術(shù)途徑。目前的工業(yè)制造中要求具有超高精度，工具尺寸幾乎是無窮小。制造業(yè)中日益嚴(yán)格的要求已成為事實(shí)，不論你是在一個(gè)硬幣大小的芯片上寫幾十億個(gè)電子指令還是在生產(chǎn)一根頭發(fā)絲大小的齒輪和支架。 VyK]:n<5Q
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薄壁（0.010英寸）不銹鋼焊接的樣品，而后對管身和端蓋進(jìn)行拋光 a>A29*q
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激光微加工技術(shù)為一些用其他技術(shù)無法解決的問題提供了解決方案。比如，它使得加工過程無須進(jìn)行零件接觸，在零件上也沒有機(jī)械作用力，此外，它能夠得到幾乎是無窮小且不會(huì)破裂的工具。可以使用不同波長的激光來加工特定的材料，而不影響同一個(gè)零件上的其他地方。激光器的能量可控性和輸出的一致性使得它可以得到微米量級的加工深度。對激光加工來說，材料的硬度不是一個(gè)重要的問題，這樣在陶瓷或者鉆石上鉆一個(gè)直徑為0.005英寸的孔，就和在不銹鋼、銅或FR4 PCB材料上鉆孔一樣了。因?yàn)榧す馐獍咝。芰靠煽兀岳眉す鈦砗附泳?xì)部件，如箔這類金屬薄片，或者是進(jìn)行密封焊接都沒有問題。這樣，極小的孔，甚至是盲孔，使用合適的波長和光學(xué)元件也能夠很好的完成。激光技術(shù)最有用的特點(diǎn)之一就是激光束的波長。激光波長分為不同的顏色，可見光和不可見光。所有的材料吸收或者反射不同波長的光；硅，用于IC核心芯片（IC芯片的大腦）的制造，一般它不吸收大于1100 nm的光。玻璃，二氧化硅，或者常見的透明材料，能夠透過紅外波段的光（1064 nm），使得光波穿透材料且沒有任何影響。CO2激光，波長為10,600 nm，能夠被大部分的有機(jī)材料吸收而不管它們是什么顏色的。 D*3\4=6x
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通常激光微加工系統(tǒng)利用了這些特點(diǎn)來做特別的工作。比如，在汽車收音機(jī)里的背光按鈕中包括了一個(gè)塑料按鈕，上面有一層白色油漆，在上面是一層黑色或者其他暗色。紅外波長的（1064nm）激光能去除黑色油漆，它會(huì)被激光吸收，但是，激光在白色油漆上被反射，這樣就不會(huì)破壞下面的白色。只要有一點(diǎn)光，你就能看到在“黑暗里發(fā)光”的收音機(jī)按鈕了。 w^tNYN,i
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當(dāng)你有一系列多色的包裝用標(biāo)簽，需要寫“生產(chǎn)日期”和批號作為必要的永久標(biāo)記，在這里可使用CO2波長激光器（10,600 nm），它的光束可以被所有不論是白色的還是黑色的涂料和墨水吸收。 ,[enGw
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另一個(gè)問題是如何密封地焊接一個(gè)不銹鋼的可移植起博器，它必須在一個(gè)真空室內(nèi)被焊接。使用一個(gè)真空的手套盒，使用一套內(nèi)置的手套來加載和處理零件，在該設(shè)施的頂部插入玻璃窗，然后使用紅外波長（1064 nm）激光，它可以穿透玻璃，這樣就在真空腔內(nèi)的零件上得到了焊縫。 NYtp&[s2-
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波長可選的加工過程的樣品。1064 nm激光燒蝕鑄模化合物，但是保留了很小的焊線和焊點(diǎn)——IC失效分析 4L# q?]$
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高頻且連續(xù)帶電的激光空腔，其調(diào)Q脈沖頻率范圍為1kHz到100kHz （有些脈沖激光甚至可以高達(dá)MHz范圍），而低頻脈沖激光器設(shè)計(jì)范圍為10Hz到100Hz。調(diào)Q頻率越低，停機(jī)時(shí)間就越長，每個(gè)脈沖的能量就越大。低的調(diào)Q頻率被用于切割，打孔和加工制造。高頻脈沖，其峰值功率較小，但是可用于焊接和熔化的平均功率更大，而切口和劃線不會(huì)受到熱影響區(qū)（HAZ）的負(fù)面效應(yīng)。 [L h<k+
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在脈沖激光器中，每次激光器調(diào)制脈沖，就有一次激光能量被送出。這些脈沖通常其能量層次要高于調(diào)Q激光器，而且對能量的控制要更好。脈沖激光器的脈沖能量十分連續(xù)，可被用于許多情況，或者是要求有精確的深度控制的情況，或者是要求在難以加工的材料中鉆深孔。 #
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激光器的脈寬是在設(shè)計(jì)激光器腔體時(shí)就固定了的，很可能這是在微加工中最為重要的特性之一。在激光器的每個(gè)脈沖中，不論它是調(diào)Q激光器（工作在1KHz到100KHz）或者是脈沖激光器（工作在1Hz到100Hz），都有一個(gè)周期時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)脈沖的實(shí)際能量被釋放。這段時(shí)間間隔對激光器系統(tǒng)的任何過程來說都是至關(guān)重要的。如果脈寬很短，少于60納秒，在目標(biāo)材料上就會(huì)有燒蝕或者汽化過程產(chǎn)生，熱影響區(qū)域很小。許多關(guān)鍵的微加工過程可能對激光通過附近的區(qū)域或者組件沒有熱影響。在使用中的電氣設(shè)備上可以直接得到激光切口，而除了所需要的效果外，不會(huì)對它的電氣特性帶來其他改變。 HN,E+ dQ
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更長的脈寬，大于100 ns，每個(gè)脈沖有更小的峰值功率，但是因?yàn)槟芰吭谀抢锏臅r(shí)間更長，所以這些脈沖可以提供在很多激光應(yīng)用中有用的特性。當(dāng)材料過于敏感，而不能忍受更短脈寬的更高能量的沖擊，比如鉆石打孔或者切割，或者材料需要吸收更多熱量或激光來獲得切割和劃線時(shí)更干凈的邊緣質(zhì)量，如ITO微修時(shí)所要求的那樣，更長脈寬就是有利而非有害的了。 TV)bX
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激光束一個(gè)明顯的優(yōu)勢就是不論光束有多小（甚至小于25微米），它都不會(huì)在工件內(nèi)破裂，它也不會(huì)在零件內(nèi)部加工時(shí)變鈍。這種非接觸式的加工特點(diǎn)有著許多方面的優(yōu)勢。 F C<aX[~&3
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零件上沒有應(yīng)用任何力矩，所以只需很少量且不昂貴的固定裝置。許多系統(tǒng)都不使用固定裝置：零件被放置在視覺系統(tǒng)中，確定了位置和角度后被輸入發(fā)射激光的計(jì)算控制系統(tǒng)，而后對零件進(jìn)行加工。其他系統(tǒng)允許操作員在攝像機(jī)下放置一個(gè)零件，然后CAD圖像被“拖動(dòng)和放置”到正確的位置，然后進(jìn)行零件加工。 Aa t _5p
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無限小的加工工具的想法很合乎人們的需要，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的加工，特別是微加工中，工具越小，相應(yīng)的困難就越大。傳統(tǒng)的工具會(huì)斷裂，小的鉆頭會(huì)折彎或者移位，而銑刀甚至放電加工中的電極只對某一些最小特征尺寸起作用。 5D0O.v
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利用改變波長和光學(xué)裝置，激光光斑大小可被調(diào)整到任意尺寸。小到25微米的切口寬度和小到25微米的小孔都成為可能，此外，通過使用掩膜和象平面的光學(xué)裝置，可以實(shí)現(xiàn)特征尺寸在微米甚至亞微米量級。 >
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