湿式和干式切割—水刀引导式激光带来的好处

在过去的数年中，激光在许多应用中越来越流行，主要是由于它们具备柔性及加工速度。然而，今天传统激光器已经达到了它们的极限，在面对更精密的应用如晶圆划片时，会产生显著的污染，较低的生产率，以及热量问题。而一种新的方法能够克服这些问题，通过将激光束同水刀结合起来。通过利用水，切割深度得到增加，污染被防止，热影响也不复存在了。和传统基于激光的技术相比的不同，水刀导引激光在目前无法通过激光完成的应用中获得了成功。

基本原理

激光通过镜片聚焦，使得焦点处的能量密度足够烧蚀材料。对于材料加工来说，焦点控制系统对于使激光正确作用于工件来说是必要的，因为景深是有限的。因此工作区域一般来说小于1mm(见图1，左)。这即使对低功率，有限衍射的激光而言也是一个问题。

 

图1.传统激光(左)和水刀引导激光(右)的基本区别

为了创造平行的激光束，激光通过水聚焦于喷嘴中，其中一根头发丝般粗细，低压水射流被生成。激光束完全被包含在水刀中，因为总的内部反射在水/空气介面上，并被引导到切口的底部，只带来极小的能量损失(见图1，右)。水刀的直径并不随着其长度而变化，其长度大概是射流直径的1000倍左右。因此，工作区域相对传统激光器来说要长得多(Zui长可达数厘米)。由于不需要焦距控制，因而能加工波纹形工件。数毫米宽度及深度的微切口能够被得到，且切割边缘平行。

因为水刀引导激光束的直径只由喷嘴的孔口直径决定，传统激光切割中通常源于光束椭圆率，散光以及偏振的切割不一致以及方向性依赖等问题，在这里都不存在了。

传统激光：热效应和污染

连续波形式的激光不适用于精密加工当中，因为激光的功率集中再一个小点上，在材料上产生了大量的热量累积。脉冲激光，如果减少了热量累积，仍然会产生热影响区(HAZ)，因为每个脉冲将热量累积传递到材料当中。这一热影响区所带来的负面影响有材料氧化，微裂缝，结构变形，以及低断裂强度等。减小脉冲间隔能防止热影响区形成，但这些种类的激光在加工速度上非常缓慢，因此不能应用于大批量的生产当中。

第二个主要问题是污染，由于熔化及凝结后的材料仍残留在切口及切割表面。为了消除它们，有限气压(20bar)的辅助气流通常在激光束附近被生成。但是，这一气流并不十分有效，因为仅有一小部分的气体穿透进入切口。除了切口附近的碎屑，还有熔化颗粒以及蒸发材料在表面的沉积(见图2)。完全避免污染的唯一一种方式是在切割过程中加入保护涂层，但这一方案通常不被使用，因为附加的一些步骤会带来额外的费用。

 

传统激光切割

水刀引导式激光：无损加工方式

水刀引导激光使用脉冲激光，因而在两个激光脉冲之间，水射流对切割边缘进行冷却。因为热量不能在材料中累积，热影响区可忽略不计。水射流也被用于材料取出。这相对于气体辅助的取出方式要更为有效，因为水刀包含更高等级的动能。大多数熔化的材料被水射流清除，只有一小部分碎屑存留下来。为了避免沉积，在工件表面会产生一层很薄的水膜。落在薄膜上的颗粒很快冷却并无法粘结在工件的表面(见图3)。采用保护性水膜的同时不可使用传统干式激光，这主要出于焦距灵敏度和功率损失的原因。

 

图3.水刀引导式激光切割

因为水射流非常细 (通常直径从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水压(小于0.1N)。水量消耗也是非常少的(1升/分钟)。

由于具有完全不同的特征，干式及湿式激光是两种不相似的技术。这两种技术也因此不被用于完全相同的应用中。传统激光对于钻小及深孔非常有效。因为水需要排出，因而该类应用中如使用水刀引导式激光技术，孔的深宽比被限制在1∶1左右。

高功率干式激光比水刀引导式激光在低吸收率材料的加工上更为有效率。举例来说，激光微水射流能够切断Zui大厚度150微米的铜片，而传统的激光切割能够通过热量累积在相同材料上生成1mm深的切口。除了这一例子之外，

由于不产生任何热损伤，水刀引导激光能够比干式激光更好地加工多种类型的材料。对于切割和雕刻应用来说，需要更微小的尺寸以及无损伤，这方面正是水刀引导激光的强项。这一技术的潜在应用领域包括薄晶圆划片，钢板及钢管切割，以及太阳能电池加工等。激光微水射流技术同样非常适合用于加工对热敏感或有毒材料，如记忆合金Nitinol(镍钛诺)或GaAs(砷化镓)。

光束形成和导出的方式，以及水冷却及清洁的效果，使得激光水刀在材料微加工领域成为一种无法匹及的工具，它能通过多模式，高平均输出功率的激光束，带来高生产率和高质量的加工效果。