在過去的數(shù)年中，激光在許多應(yīng)用中越來越流行，主要是由于它們具備柔性及加工速度。然而，今天傳統(tǒng)激光器已經(jīng)達(dá)到了它們的極限，在面對更精密的應(yīng)用如晶圓劃片時，會產(chǎn)生顯著的污染，較低的生產(chǎn)率，以及熱量問題。而一種新的方法能夠克服這些問題，通過將激光束同水刀結(jié)合起來。通過利用水，切割深度得到增加，污染被防止，熱影響也不復(fù)存在了。和傳統(tǒng)基于激光的技術(shù)相比的不同，水刀導(dǎo)引激光在目前無法通過激光完成的應(yīng)用中獲得了成功。 基本原理 激光通過鏡片聚焦，使得焦點處的能量密度足夠燒蝕材料。對于材料加工來說，焦點控制系統(tǒng)對于使激光正確作用于工件來說是必要的，因為景深是有限的。因此工作區(qū)域一般來說小于1mm（見圖1，左）。這即使對低功率，有限衍射的激光而言也是一個問題。 圖1.傳統(tǒng)激光（左）和水刀引導(dǎo)激光（右）的基本區(qū)別為了創(chuàng)造平行的激光束，激光通過水聚焦于噴嘴中，其中一根頭發(fā)絲般粗細(xì)，低壓水射流被生成。激光束完全被包含在水刀中，因為總的內(nèi)部反射在水/空氣介面上，并被引導(dǎo)到切口的底部，只帶來極小的能量損失（見圖1，右）。水刀的直徑并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(qū)域相對傳統(tǒng)激光器來說要長得多（最長可達(dá)數(shù)厘米）。由于不需要焦距控制，因而能加工波紋形工件。數(shù)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(dǎo)激光束的直徑只由噴嘴的孔口直徑?jīng)Q定，傳統(tǒng)激光切割中通常源于光束橢圓率，散光以及偏振的切割不一致以及方向性依賴等問題，在這里都不存在了。 傳統(tǒng)激光：熱效應(yīng)和污染 連續(xù)波形式的激光不適用于精密加工當(dāng)中，因為激光的功率集中再一個小點上，在材料上產(chǎn)生了大量的熱量累積。脈沖激光，如果減少了熱量累積，仍然會產(chǎn)生熱影響區(qū)（HAZ），因為每個脈沖將熱量累積傳遞到材料當(dāng)中。這一熱影響區(qū)所帶來的負(fù)面影響有材料氧化，微裂縫，結(jié)構(gòu)變形，以及低斷裂強度等。減小脈沖間隔能防止熱影響區(qū)形成，但這些種類的激光在加工速度上非常緩慢，因此不能應(yīng)用于大批量的生產(chǎn)當(dāng)中。 第二個主要問題是污染，由于熔化及凝結(jié)后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）的輔助氣流通常在激光束附近被生成。但是，這一氣流并不十分有效，因為僅有一小部分的氣體穿透進(jìn)入切口。除了切口附近的碎屑，還有熔化顆粒以及蒸發(fā)材料在表面的沉積（見圖2）。完全避免污染的唯一一種方式是在切割過程中加入保護(hù)涂層，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(tǒng)激光切割水刀引導(dǎo)式激光：無損加工方式 水刀引導(dǎo)激光使用脈沖激光，因而在兩個激光脈沖之間，水射流對切割邊緣進(jìn)行冷卻。因為熱量不能在材料中累積，熱影響區(qū)可忽略不計。水射流也被用于材料取出。這相對于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(shù)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(chǎn)生一層很薄的水膜。落在薄膜上的顆粒很快冷卻并無法粘結(jié)在工件的表面（見圖3）。采用保護(hù)性水膜的同時不可使用傳統(tǒng)干式激光，這主要出于焦距靈敏度和功率損失的原因。 圖3.水刀引導(dǎo)式激光切割因為水射流非常細(xì) （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（小于0.1N）。水量消耗也是非常少的（1升/分鐘）。 由于具有完全不同的特征，干式及濕式激光是兩種不相似的技術(shù)。這兩種技術(shù)也因此不被用于完全相同的應(yīng)用中。傳統(tǒng)激光對于鉆小及深孔非常有效。因為水需要排出，因而該類應(yīng)用中如使用水刀引導(dǎo)式激光技術(shù)，孔的深寬比被限制在1∶1左右。 高功率干式激光比水刀引導(dǎo)式激光在低吸收率材料的加工上更為有效率。舉例來說，激光微水射流能夠切斷最大厚度150微米的銅片，而傳統(tǒng)的激光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， 由于不產(chǎn)生任何熱損傷，水刀引導(dǎo)激光能夠比干式激光更好地加工多種類型的材料。對于切割和雕刻應(yīng)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(dǎo)激光的強項。這一技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)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。激光微水射流技術(shù)同樣非常適合用于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(dǎo)出的方式，以及水冷卻及清潔的效果，使得激光水刀在材料微加工領(lǐng)域成為一種無法匹及的工具，它能通過多模式，高平均輸出功率的激光束，帶來高生產(chǎn)率和高質(zhì)量的加工效果。 Delphine Perrottet, Tuan Anh Mai和 Bernold Richerzhagen來自瑞士Synova SA公司。 www.synova.ch.