重复频率对飞秒激光直冲式加工氮化铝陶瓷盲孔的影响.pdf
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1、 研究设计 :收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金()。第一作者简介:王旭(),男,安徽合肥人,硕士研究生,主要研究方向为激光精密加工。通信作者:马盼(),女,山东泰安人,博士,副教授,主要研究方向为金属增材制造、激光精密加工。:重复频率对飞秒激光直冲式加工氮化铝陶瓷盲孔的影响王旭,马盼,王宁,刘浩东,赵万芹(上海工程技术大学 材料科学与工程学院,上海 ;沈阳飞机工业(集团)有限公司,辽宁 沈阳 ;西安交通大学 机械制造系统国家重点实验室,陕西 西安 )摘要:为探究飞秒激光加工参数中激光重复频率对盲孔尺寸和形貌的影响规律,课题组使用飞秒激光直冲方式对氮化铝陶瓷表面进行盲孔加工,通过
2、实验探索激光重复频率对盲孔入口直径、孔深、孔口形貌以及孔侧壁形貌的影响规律。研究结果表明:随着激光重复频率的增大,盲孔的入口直径和孔深均呈现出增大至饱和的趋势且在重复频率为 左右达到饱和;盲孔的孔口形貌和侧壁形貌均随着重复频率的增大而变差,孔口周围的熔溅物堆积现象愈发严重,侧壁重铸层附着愈发严重。重复频率过高或者过低都会使得直冲式加工的盲孔达不到理想的尺寸和形貌。关键词:飞秒激光;氮化铝陶瓷;盲孔;直冲式加工中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,;,:;随着材料技术的发展,工程陶瓷以其良好的性能在航空航天、半导体等领域得到了极其广泛的应用 。而氮化铝陶瓷作为工程陶瓷中的翘
3、楚有着强度高、导热性好、抗腐蚀能力强、耐冲击性良好以及介第 卷 第 期 年 月轻工机械 电性能良好等优秀性能,使得其在半导体领域中有着更为广泛的应用,尤其在大功率电子元件中,氮化铝陶瓷主要用作电路陶瓷基板 。陶瓷基板材料应用中需要在氮化铝陶瓷上进行相关的微孔加工以满足芯片导通和引脚固定的封装要求 。目前,氮化铝陶瓷上的孔加工方式主要为:机械铣磨加工 、电火花加工 以及激光加工 。其中,机械铣磨加工存在刀具磨损较快、加工质量不理想、加工效率低以及难以加工大深径比的微孔等问题 ;电火花加工受脉冲电源的影响,设备庞大、加工不稳定以及加工效率低 。激光作为一种能量密度高、应力小、可控性强以及无接触加工
4、的技术手段,在氮化铝陶瓷加工领域得到了极其广泛的应用 。氮化铝陶瓷激光微孔加工技术主要分成直冲式加工 和螺旋式加工 。其中,直冲式加工更适合加工小直径的微孔 。等 利用皮秒激光在 复合陶瓷材料上打孔,发现在其他参数不变的情况下,通孔的直径随着重复频率的增大而增大,锥度随着重复频率的增大而减小。等 利用掺镱光纤激光器在 陶瓷基复合材料上加工方形通孔,发现随着重复频率的提高,孔的表面热影响区面积在扩大,孔锥度降低,材料去除率提高。等 利用 激光对铝板进行微孔烧蚀加工,实验结果表明:随着重复频率的增大,通孔锥度减小,孔口有熔溅物堆积,孔壁有重铸层附着。目前,对于氮化铝陶瓷直冲式的孔加工主要集中在通孔
5、方面 ,而对于直冲式盲孔加工领域则极少有深入的且成体系的研究。因此,针对飞秒激光直冲式盲孔加工工艺的深入研究,不仅可以更加全面地了解飞秒激光与氮化铝陶瓷之间的相互作用,还可以准确和清晰地了解直冲孔在加工过程中的尺寸和形貌变化规律。针对上述问题,课题组探究了飞秒激光加工参数中的重复频率对盲孔尺寸和形貌的影响规律,以便为后续的氮化铝陶瓷激光加工工艺的优化提供技术支持。实验 实验材料和设备实验使用广州铠虹飞电子公司生产的厚度为 的氮化铝陶瓷基片,具体参数如表 所示,氮化铝陶瓷表面和内部显微形貌如图 所示。表 氮化铝陶瓷基本参数 密度()热导率()介电常数热膨胀系数()图 氮化铝陶瓷显微形貌 实 验
6、采 用 安 扬 激 光 股 份 有 限 公 司 生 产 的 红外飞秒激光器,最大输出功率 ,脉宽 ,重复频率 ,波长 ,光斑直径 。计算机控制软件控制激光器输出激光后,激光束先通过扩束镜,扩充倍率为 倍。再通过小孔光阑进入振镜系统,振镜系统基本参数如表 所示。激光束经过振镜系统的调整,作用于基材表面的激光光斑直径为 。轻工机械 年第期表 振镜系统基本参数 振镜型号最高扫描速度()场镜型号 场镜视场()场镜焦长 实验方法开始正式实验前,先将氮化铝陶瓷基片切割成 的小型陶瓷片样片,以便于后续的处理。再将样片置于无水乙醇中超声波振动清洗 ,并烘干备用,以去除材料表面的污渍。随后将氮化铝陶瓷基片固定在
7、三维工作台的表面,控制振镜系统运动使得激光束的焦点位于基片的上表面。在直冲式加工中,由于激光束与基材之间无相对位移 ,因此只需通过激光控制软件改变激光加工参数中的重复频率。最终,根据预实验选定激光加工参数中单脉冲能量为 、脉冲个数 为 ,即可进行探究激光重复频率对氮化铝陶瓷盲孔尺寸和形貌的影响的相关实验。加工完成后对基材进行清洗、烘干以及镀金处理后,置于场发射扫描显微镜(,)中观察其表面形貌并测量盲孔的入口直径尺寸。具体测量方法如图 ()所示,测量公式为:。()式中:为盲孔的孔入口直径平均值,为选择盲孔边缘任意位置作为起点的 个测量直径。随后将加工后样片按图 ()所示进行侧剖打磨处理,再观测其
8、侧壁形貌并记录相关尺寸。实验结果与分析图 所示为脉冲个数 为 时飞秒激光重复频率对盲孔的孔入口直径和孔深的影响。从图 ()中可知在给定脉冲数的情况下盲孔的入口直径随着重复频率的增大呈现出增大至饱和的趋势,且在改变单脉冲能量的加工条件下这种趋势始终存在。当重复频率 时,随着激光重复频率的提升,盲孔的入口直径迅速增长;当 时,随着激光重复图 盲孔测量和处理方法 频率的增加,入口直径增长幅度放缓,直至最终饱和。随着激光重复频率的增加,相邻 次脉冲的间隔变短,相同时间内作用于基材表面的脉冲个数增多,热量累积程度会有相应提高,加工出的孔径会变大。由于激光器输出的光斑为高斯光斑,受高斯光斑能量分布的影响
9、,盲孔入口直径不会无限制增大。当盲孔的孔口直径增大到一定程度时,激光束的能量就无法直接作用于基材,只能依靠孔口累积的热量与基材相互作用达到继续扩大入口直径的效果。但是,通过累积的热量与基材的作用来增大入口直径的过程相对缓慢 ,导致了增长曲线趋于平缓以及入口直径饱和的现象。由图 ()可知:当 时,盲孔的孔深增长迅速;当 时,孔深增长幅度放缓直至趋于饱和。增大重复频率,相同时间内进行烧蚀的脉冲数增多,与材料进行有效烧蚀的时间就越长,烧蚀深度就越深。当盲孔到达一定的深度后,激光束只有少量的能量被用于向更深处进行烧蚀,大量的能量被盲孔周围的基材吸收,从而使得盲孔的深度缓慢增长直至最终深度饱和。图 所示
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