一种激光冲击辅助微机电器件拆卸的方法与流程

本发明涉及一种微机电器件的拆卸方法，特指一种利用激光冲击产生的等离子体的膨胀及冲击波的力学效应来实现已配合微机电器件间的分离，适用于微机电器件的拆卸和分离。

背景技术：

微机电系统具有微型化、多样化、微电子化的特点，具有传统机电系统无法比拟的优点，按外形尺寸大小划分，微机电系统可分为：1-10mm的微小机械、1μm-1mm的微机械以及1nm-1μm的纳米机械；在当前微机电系统所能达到的尺度下，宏观物理世界的基本规律仍然在起作用，但随着器件或结构的不断缩小，集成度越来越高，宏观方面可以忽略的干扰因素如加工缺陷、摩擦的作用将越来越明显；微机电系统的拆卸有其特殊之处，随着三维尺寸的减小，操作对象变得更轻、更富有弹性、更容易损坏，结构刚度也相应降低；同时芯片类器件具有尺寸微小、重量轻、易划伤的特点，因此在传统的操作过程中要保证对作业工具的作用力的控制来控制作业工具与器件的接触力。

激光诱导的冲击波是利用激光诱导的高幅冲击波产生的高功率密(gw/cm2级)、短脉冲(几十ns)的强激光照射到靶材表面与表面的涂层材料相互作用使靶材表面部分涂层气化、电离形成等离子体，等离子体在约束层和靶材之间的狭小区域内爆炸产生冲击波，激光冲击波具有超快、高压和高能等鲜明的特点；目前，激光冲击强化技术、激光冲击成形等技术都是利用激光诱导的冲击波进行的各种工程技术应用；利用激光冲击辅助拆卸可实现非接触力的拆卸过程，而且可以通过调节脉冲激光的工艺参数，如脉冲能量、光斑大小、脉冲次数等来调节冲击力的大小。

技术实现要素：

本发明针对微机电器件拆卸过程中存在的传统操作过程容易对器件造成划伤损坏以及微纳尺度下难拆卸的问题，提出了一种激光冲击波辅助微机电器件拆卸的方法。

为了实现以上目的，本发明采取的激光冲击辅助微机电器件的拆卸方法，包括以下步骤：

(1)首先用酒精或丙酮清洗微机电器件表面；

(2)把吸收层预涂到微机电器件表面，所述吸收层厚度为0.1-0.15mm；

(3)利用吸收层的粘性把微机电系统粘附到金属玻璃表面，吸收层的粘接强度大于激光冲击微机电器件背面产生的压力，使未被激光冲击的微机电器件不会从玻璃表面脱落；金属玻璃作为承载微机电器件的载体及激光冲击的约束层，应具有足够的强度不至被激光冲击波产生的瞬时高压冲破；

(4)将载有微机电系统的金属玻璃定位于回收箱顶端，并且采用固定夹具将微机电器件与金属玻璃固定，使得激光冲击过程中微机电器件部分与金属玻璃不分离；

(5)将激光束对准需要拆卸的微机电器件的背面，发射高能短脉冲激光冲击涂有吸收层的的微机电器件背面，在冲击过程中可采用单束或者多束激光同时冲击要拆除的微机电器件背面，使得冲击区域小于要拆除的微机电器件背面的面积；

(6)利用激光冲击波产生的高压将需拆装的微机电器件喷射到回收箱中，把冲击卸下的微机电器件置于丙酮中浸泡，然后用超声清洗除去微机电器件表面的吸收层。

所述的一种激光冲击辅助微机电器件拆卸的方法，其特征在于：所述金属玻璃为(gd-tb)-co-al多元合金合成的块体非晶；金属玻璃的厚度应使得玻璃能承受不小于500mpa的压力。

所述的一种激光冲击辅助微机电器件拆卸的方法，其特征在于：吸收层的制备方法如下：将作为粘结剂的聚乙烯醇、直径为4～6微米的碳粉、醋酸乙酯、聚乙烯醇照质量比6:2:1:1的比例置于容器中，将涂料搅拌调匀，然后采用质量百分浓度为30％的氢氧化钠溶液调节涂层涂料的ph值为7，即可得到吸收层；由于粘结剂含量大具有高粘性，可以牢固的使微机电系统附着在金属玻璃表面；吸收层在激光照射过程中全部汽化，不会残留在微机电器件表面，微机电器件表面清洁无污染；涂料的酸碱性呈中性，不会由于其偏酸(碱)性对微部件表面产生腐蚀损伤；自干稀料采用醋酸乙酯，不含苯基化合物，无毒无副作用。

所述的一种激光冲击辅助微机电器件拆卸的方法，其特征在于：进行拆卸的微机电器件形状有如下要求：沿激光束辐射方向微机电器件的尺寸不可呈减小趋势，能够确保微机电器件可以沿激光束方向顺利拆除。

所述的一种激光冲击辅助微机电器件拆卸的方法，其特征在于：所述的激光脉宽为10-20ns，激光冲击时间为60-120ns；能量为1-12焦耳。

本发明原理的创新在于利用激光冲击波即作为拆卸微机电器件的力源，使得微机电器件从激光辐射方向弹射到事先准备好的回收箱中；由于是涂在微机电器件背面的吸收层吸收激光能量，确保了微机电器件的无损性。

本发明一种激光冲击辅助拆卸微机电器件工艺方法的创新，利用激光冲击波的力学效应，通过冲击波产生的非接触力实现对微机电系统内部的微机电器件的拆卸，避免了常规操作对部件的接触划伤及损坏以及微纳尺度下难拆卸问题，充分利用激光冲击波的冲击压力在激光辐射方向弹射出微机电器件，是一种全新的微机电器件拆卸方法。

本发明采用激光冲击波作为微机电器件拆卸的力源，具有以下优势：

1.本发明基于高能短脉冲激光的冲击波效应，通过冲击波产生及等离子体在型腔内的膨胀产生的非接触力实现对微机电系统内部微机电器件的非接触拆卸，避免了常规拆卸操作对部件的接触划伤、损坏以及微纳尺度下的拆卸问题，是一种全新的微机电器件拆卸方法。

2.由于本发明所用激光脉宽为10-20ns，因此拆卸过程具有超快的特点，可实现微部件瞬间分离，冲击力作用时间极短，仅为60-120ns。

3.由于本发明激光只是照射到吸收层而不直接照射到微器件表面，在极短时间内激光能量都被吸收层吸收，形成等离子体、膨胀产生冲击波，不会对微机电器件造成烧蚀等伤害。

4.本发明所用吸收层可以牢固的使微机电系统附着在金属玻璃表面；吸收层在激光照射过程中全部汽化，不会残留在微机电器件表面，微机电器件表面清洁无污染。

5.本发明还可根据需要，通过计算机控制来调节激光脉冲能量、激光束数量以及光斑大小来调节冲击力的大小，便于调节和控制。

综上所述，本发明把激光冲击的力学效应应用于微机电器件拆卸，可避免拆卸过程对微部件的损坏，同时可实现微器件的瞬间分离，拆卸过程的作用力大小通过计算机便于调节，在微机电系统组装领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1是微机电系统示意图及系统中的微机电器件(如微齿轮与轴、微轴承与轴)之间过盈配合示意图；

图2是微机电系统的微机电器件表面覆盖高粘性涂层示意图；

图3是微机电系统粘附到金属玻璃表面示意图；

图4是激光冲击辅助微机电器件拆卸示意图；

图5是微机电器件ii与微机电器件i分离示意图；

图6是微机电器件ii与金属玻璃分离示意图；

1、微机电系统；2、微机电器件i；3、微机电器件ii；4、微机电系统载体晶片；5、吸收层；6、金属玻璃；7、固定夹具；8、脉冲激光；9、等离子体；

图7是激光辅助微机电器件拆卸装置的示意图

10、计算机控制装置；11、纳秒激光发生器；12、45o全反镜；13、调节光斑光学镜片；14、掩膜装置；15、基片；16、压块；17、回收箱；18、三轴工作台；19、监测装置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

微机电器件i2附着于微机电系统载体晶片4，微机电器件ii3与微机电器件i2过盈连接，组成微机电系统1。

用酒精或丙酮洗微机电器件i2和机电器件ii3表面，把吸收层5预涂到微机电器件i2和微机电器件ii3背面，吸收层5厚度为0.1-0.15mm，并且有足够的粘性，使微机电系统1不会从金属玻璃6表面脱落；利用吸收层5的粘性把微机电系统1粘附到高强度金属玻璃6表面，金属玻璃6作为承载微机电系统1的载体及激光冲击的约束层；将载有微机电系统1的金属玻璃6定位于回收箱17顶端并用压块16压紧；利用固定夹具7将微机电器件i2夹紧；将激光束8先对准微机电器件ii3的背面，发射高能短脉冲激光8先冲击涂有吸收层5的微机电器件ii3的背面，在冲击过程中可采用单束或者多束激光同时冲击微机电器件ii3背面，使得冲击区域小于微机电器件ii3背面的面积；激光辐射吸收层产生的高压等离子体9膨胀，在极短时间内对微机电器件ii3发生高压冲击力，使得微机电器件ii3沿着脉冲激光8辐射方向弹出到回收箱17中；去除固定夹具7，再将激光束8对准并冲击涂有吸收层5的微机电器件i2的背面，微机电器件i2会沿着脉冲激光束8辐射方向弹出到回收箱17中。

把冲击卸下的微机电器件i2和机电器件ii3置于丙酮中浸泡，然后用超声波清洗除掉微机电器件i2和机电器件ii3表面的吸收层。

用本发明进行激光冲击辅助微机电器件拆卸装置包括依次相连的计算机控制装置10、纳秒激光发生器11、45o全反镜12、光斑调节光学镜片13、掩膜装置14、基片15、金属玻璃6、压块16、微机电系统1、回收箱17、三轴工作台18、监测装置19。

纳秒激光发生器11发出能量在1-12焦耳、持续时间为10-20纳秒的激光脉冲，激光束)的模式可以是基模、多模等多种模式，其由计算机控制装置10调节和控制；由纳秒激光发生器11产生的激光束8通过45o全反镜12改变激光束8的方向，通过光斑调节光学镜片13精确控制光斑空间能量分布，经过掩膜装置14控制输出激光的光斑形状，透明的基片15用来托住光斑调节光学镜片13和掩膜装置14；激光束8继续穿透金属玻璃6，吸收层吸收激光束8的能量汽化、电离形成冲击波，将微机电器件弹射到回收箱17中；监测装置19用来监测激光束8照射吸收层的位置以及冲击效果，监测数据返回计算机控制装置10，作为用来控制三轴工作台18和调节纳秒激光发生器11的工艺参数的依据；计算机控制装置10控制三轴工作台18控制回收箱17移动，金属玻璃6定位于回收箱17的顶端并通过压块16压紧固定。