溼式VS乾式切割--水刀引導式雷射為微加工帶來了福音

 　　在過去的數年中，雷射在許多應用中越來越流行，主要是由於它們具備柔性及加工速度。然而，今天傳統雷射器已經達到了它們的極限，在面對更精密的應用如晶圓劃片時，會產生顯著的汙染，較低的生產率，以及熱量問題。而一種新的方法能夠克服這些問題，通過將雷射束同水刀結合起來。通過利用水，切割深度得到增加，汙染被防止，熱影響也不復存在了。和傳統基於雷射的技術相比的不同，水刀導引雷射在目前無法通過雷射完成的應用中獲得了成功。

　　基本原理

　　雷射通過鏡片聚焦，使得焦點處的能量密度足夠燒蝕材料。對於材料加工來說，焦點控制系統對於使雷射正確作用於工件來說是必要的，因為景深是有限的。因此工作區域一般來說小於1mm（見圖1，左）。這即使對低功率，有限衍射的雷射而言也是一個問題。

 

圖1.傳統雷射（左）和水刀引導雷射（右）的基本區別

　　為了創造平行的雷射束，雷射通過水聚焦於噴嘴中，其中一根頭髮絲般粗細，低壓水射流被生成。雷射束完全被包含在水刀中，因為總的內部反射在水/空氣介面上，並被引導到切口的底部，只帶來極小的能量損失（見圖1，右）。水刀的直徑並不隨著其長度而變化，其長度大概是射流直徑的1000倍左右。因此，工作區域相對傳統雷射器來說要長得多（最長可達數釐米）。由於不需要焦距控制，因而能加工波紋形工件。數毫米寬度及深度的微切口能夠被得到，且切割邊緣平行。

　　因為水刀引導雷射束的直徑只由噴嘴的孔口直徑決定，傳統雷射切割中通常源於光束橢圓率，散光以及偏振的切割不一致以及方向性依賴等問題，在這裡都不存在了。

　　傳統雷射：熱效應和汙染

　　連續波形式的雷射不適用於精密加工當中，因為雷射的功率集中再一個小點上，在材料上產生了大量的熱量累積。脈衝雷射，如果減少了熱量累積，仍然會產生熱影響區（HAZ），因為每個脈衝將熱量累積傳遞到材料當中。這一熱影響區所帶來的負面影響有材料氧化，微裂縫，結構變形，以及低斷裂強度等。減小脈衝間隔能防止熱影響區形成，但這些種類的雷射在加工速度上非常緩慢，因此不能應用於大批量的生產當中。

　　第二個主要問題是汙染，由於熔化及凝結後的材料仍殘留在切口及切割表面。為了消除它們，有限氣壓（20bar）的輔助氣流通常在雷射束附近被生成。但是，這一氣流並不十分有效，因為僅有一小部分的氣體穿透進入切口。除了切口附近的碎屑，還有熔化顆粒以及蒸發材料在表面的沉積（見圖2）。完全避免汙染的唯一一種方式是在切割過程中加入保護塗層，但這一方案通常不被使用，因為附加的一些步驟會帶來額外的費用。

 

　　傳統雷射切割

　　水刀引導式雷射：無損加工方式

　　水刀引導雷射使用脈衝雷射，因而在兩個雷射脈衝之間，水射流對切割邊緣進行冷卻。因為熱量不能在材料中累積，熱影響區可忽略不計。水射流也被用於材料取出。這相對於氣體輔助的取出方式要更為有效，因為水刀包含更高等級的動能。大多數熔化的材料被水射流清除，只有一小部分碎屑存留下來。為了避免沉積，在工件表面會產生一層很薄的水膜。落在薄膜上的顆粒很快冷卻並無法粘結在工件的表面（見圖3）。採用保護性水膜的同時不可使用傳統乾式雷射，這主要出於焦距靈敏度和功率損失的原因。

 

圖3.水刀引導式雷射切割

　　因為水射流非常細 （通常直徑從25微米到75微米），其作用力在工件上是微乎其微的，即使是以500bar水壓（小於0.1N）。水量消耗也是非常少的（1升/分鐘）。

　　由於具有完全不同的特徵，乾式及溼式雷射是兩種不相似的技術。這兩種技術也因此不被用於完全相同的應用中。傳統雷射對於鑽小及深孔非常有效。因為水需要排出，因而該類應用中如使用水刀引導式雷射技術，孔的深寬比被限制在1∶1左右。

　　高功率乾式雷射比水刀引導式雷射在低吸收率材料的加工上更為有效率。舉例來說，雷射微水射流能夠切斷最大厚度150微米的銅片，而傳統的雷射切割能夠通過熱量累積在相同材料上生成1mm深的切口。除了這一例子之外，

　　由於不產生任何熱損傷，水刀引導雷射能夠比乾式雷射更好地加工多種類型的材料。對於切割和雕刻應用來說，需要更微小的尺寸以及無損傷，這方面正是水刀引導雷射的強項。這一技術的潛在應用領域包括薄晶圓劃片，鋼板及鋼管切割，以及太陽能電池加工等。雷射微水射流技術同樣非常適合用於加工對熱敏感或有毒材料，如記憶合金Nitinol（鎳鈦諾）或GaAs（砷化鎵）。

　　光束形成和導出的方式，以及水冷卻及清潔的效果，使得雷射水刀在材料微加工領域成為一種無法匹及的工具，它能通過多模式，高平均輸出功率的雷射束，帶來高生產率和高質量的加工效果。