Overview of Laser Micro-Drilling

激光打微孔概述：

在元件上开一个小孔是很常见的。但如果要求用硬材料，如在硬质合金上打出多达0.1毫米至几微米直径的小孔，则用普通的机械加工工具加工并不容易，即使可以，加工成本也会很高。现有的机械加工技术在材料上打小孔是用每分钟几万转或几十万转的高速旋转小钻加工的。这种方法一般只能加工孔径大于0.25mm的小孔。今天的工业生产往往要求加工直径小于这个小孔。例如，在电子工业生产中，多层印制电路板的生产需要在板材上钻出数千个直径约0.1~0.3毫米的孔洞。很明显，用刚才提到的钻头加工，难度较大，加工质量难以保证，而且加工成本不低。早在20世纪60年代以后，科学家就在实验室用激光在钢刀片上开一个小孔，经过近30.3mm的小孔，经过近30秒的改进和开发，没有一个小孔。

使用激光在物料上钻孔的道理很简单（激光打孔），实践起来也不复杂。

激光器具有良好的相干性，利用光学系统可将其聚焦成直径非常小的光点（小于1微米），相当于用于钻孔的“微型钻头”。第二，激光的亮度非常高，在焦点上的激光能量密度(平均每平方厘米面积的能量)会非常高，一般一台激光器输出的激光，所产生的能量可达109焦耳/厘米²，足能使材料熔化汽化，在材料上留下一个小孔，就像用钻头钻出来一样。

如何使用好激光“钻头”，激光科学工作者也做了很多研究工作。研究人员发现，用每秒发射多个光脉冲（通常称为高重复率激光脉冲）作为“钻头”，打出的小孔质量优于用单个光脉冲，或者用每秒发射少数光脉冲的小孔质量。可能是这样的：当用每秒一个光脉冲或少数几个脉冲打孔时，对每个光脉冲的激光能量要求较高，使材料能够被加热到熔化后才能打出孔。但熔融的材料不能完全汽化，而是将附近的材料加热并使其汽化，因此，被打出的小孔在形状大小上并不那么整齐。若采用高重复率激光输出的光脉冲，此时每一个光脉冲的平均能量并不高，但由于光脉冲的宽度狭窄，功率水平也不低。因此，每一个激光脉冲在材料上形成的熔融体并不多，主要是发生汽化。因为使小孔附近的材料加热时，熔融的材料也不会出现单脉冲形成。

为了提高打孔的质量，还需要注意激光焦点位置的选择。选取聚焦位置的原则大致如下：对于较厚的材质，激光束聚焦位置应该在工件内部。如果材料较薄，激光束的焦点应放置在工件表面上方。这种安排将使打孔的上下尺寸基本一致，不会出现“桶状”的孔。

采用激光在材料上打磨，不仅打磨质量好，尤其是打磨相同数量的小孔时，还可以保证多个小孔尺寸一致，打磨速度快，生产效率高。所以，除了在电子工业生产中使用激光打孔外，许多其他工业生产部门也在使用激光打孔，如普通卷烟过滤嘴上的小孔、喷气式气门上的小孔，以及激光加工。喷雾罐和瓶颈都有一种用于控制压缩物质（如除臭剂、油料或其它液体）的流量，阀门的使用性能取决于喷雾器上的这个小孔。这个小孔的直径是10-40微米，用其它机械加工方法做得不好，用激光加工，既能保证质量，又能保证速度。