一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法

本发明属于激光加工，具体涉及一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法。

背景技术：

1、陶瓷作为电子器件中不可或缺的基础材料，其阵列结构的加工质量会直接影响到产品的性能，传统的机械加工方式已难以满足制造需求。激光加工技术因具有非接触加工特性，不存在工具磨损，且可将高能量聚焦于材料去除区域，尤其适用于硬脆陶瓷材料的加工。当今制造工业朝着微纳领域快速发展，对于阵列结构的间距也提出了更高的加工要求。然而，激光的热效应将会引起材料的热损伤，很大程度上限制了微细阵列结构的加工效果。

2、现有技术中，专利cn202010394274.9提出了陶瓷基板多孔阵列皮秒激光振镜扫描钻孔系统及方法，通过振镜光束对陶瓷基板逐层精密钻孔，然后移动工件至下个加工位置继续加工，直至加工完成。

3、但是，采用现有激光技术加工阵列结构会对材料形成热损伤区，特别是在加工高集成度阵列结构时，热损伤区几乎会涵盖整个加工表面，不仅会降低阵列结构的加工质量，而且热损伤区也会对材料性能造成负面影响，严重阻碍了高集成度陶瓷电子器件的发展。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法，通过液体、固体等介质冷却协同激光加工的方式，可减小甚至避免激光加工热损伤区域的形成，提高加工质量，特别是可以提高阵列结构的密集程度，获得含有高集成度阵列结构的陶瓷成品。

2、本发明的技术方案为：

3、一种冷却介质协同激光加工阵列降低热损伤的方法，包括以下步骤：

4、将待加工的陶瓷固定于夹具上，夹具固定于容器中，容器固定于超精密运动平台上；

5、移动超精密运动平台，选定加工区域，并开启激光器发射激光束经聚焦后作用于材料表面，此为激光当前加工区域；加工完成后，激光当前加工区域即为激光已加工区域；移动超精密运动平台，此时激光束作用位置为激光待加工区域；

6、开启并移动喷嘴于激光已加工区域上方，以10°~90°方向于激光已加工区域注入液体，对激光已加工区域进行材料熔渣清洗以提高加工质量，此为液体填充区域；待液体填充满激光已加工区域后，停止液体注入，再通过喷嘴注入冷却液体于液体填充区域，以使注入的液体迅速凝固，以对激光已加工区域形成冷却保护区，减小甚至避免后续周边激光加工区域在该区域形成热损伤区；与此同时，激光束作用于陶瓷表面，激光待加工区域变为激光当前加工区域；冷却保护区还可对激光待加工区域进行降温，减小甚至避免该区域在后续激光加工时形成热损伤区；加工完成后，激光当前加工区域即为激光已加工区域；

7、需注意的是，本发明中的冷却介质，是通过液体凝固与固体关联，固体通过液化进而气化与气体关联，实现降温。

8、继续移动超精密运动平台，此时激光束作用位置为下一个激光待加工区域；开启并移动喷嘴，重复上述液体及冷却液体注入步骤，将上一个激光已加工区域用冷却介质保护；

9、与此同时，激光束继续在激光待加工区域、激光当前加工区域作用陶瓷表面；对于前述激光已加工区域中由注入液体凝固所形成的固体，随着后续结构的加工，固体逐渐液化为液体再蒸发为气体，进而带走激光当前加工区域传递过来的热量；在激光已加工区域形成的冷却保护区在减小甚至避免后续周边激光加工区域对该区域形成热损伤区的同时，由于周边激光加工区域形成的热损伤区会扩散至具有冷却保护区的激光已加工区域，冷却保护区逐渐升温可通过液化、蒸发的方式对该区域继续保护；

10、当所需的结构全部加工完成，即可得到含有高集成度阵列结构的陶瓷成品。

11、本发明的创新点在于：激光加工当前区域后，采用液体注入可冲洗该区域残留的材料熔渣，并起到冷却的作用；注入的液体被凝固后，该区域即受到冷却保护；周边区域在加工时，冷却保护区逐渐升温可通过液化、蒸发的方式对该区域继续保护，激光形成的热损伤区将被限制，加工质量有所保证，故可提高阵列结构的集成度；如此循环，可得到具有高集成度的阵列结构。特别是在有冷却保护时，已加工区域周边的结构可采用更高功率的激光束以提高加工效率，因为此时激光加工过程中形成的热损伤区将不会作用到已加工区域，与此同时，冷却保护区还可对激光待加工区域进行降温，减小甚至避免后续激光对该加工区域形成热损伤区，加工质量有所保证。

12、本发明中，所述激光加工阵列包括超精密运动平台，所述超精密运动平台设有容器，所述容器内设有夹具，所述夹具用于固定待加工的陶瓷材料；

13、还包括依次设置的激光器、扩束镜、反射镜、聚焦镜，激光器用于发出激光束，激光束依次通过扩束镜、反射镜、聚焦镜作用于待加工的陶瓷材料表面；

14、还包括喷嘴，所述喷嘴面向待加工的陶瓷材料表面；

15、所述待加工的陶瓷材料按加工的位置分为激光当前加工区域、激光待加工区域、激光已加工区域、液体填充区域、固体填充区域。

16、本发明中，经过液体填充的激光已加工区域，通过带走激光当前加工区域传递的热量，形成冷却保护区，可减小甚至避免后续孔加工对该区域造成热损伤影响。

17、本发明的激光加工阵列，具有灵活性和可扩展性，可以根据不同的加工需求进行定制和调整。它为电子器件领域提供了一种高精度、高效率的加工技术，可以用于精确的电路板切割、微细焊接、封装孔加工等应用。进一步的，所述超精密运动平台沿x轴、y轴、z轴中的任一方向移动。本发明中，超精密运动平台是一种用于实现多轴精确定位和控制的设备。它由三个相互垂直的轴(x、y和z轴)组成，每个轴都带有驱动器和传感器，可以使平台在三个方向上进行运动。

18、本发明采用的超精密运动平台具有高度准确性和稳定性的特点，适用于激光加工。其优点包括：1、高精度：超精密运动平台具备非常高的定位精度和重复性。通过使用精密的线性导轨、高分辨率的传感器和精密控制算法，能够实现亚微米甚至纳米级别的运动控制；2、高刚性：为了保持稳定的运动和抗振能力，该平台通常采用坚固的结构设计和高刚性材料制造。这有助于减小外界振动对系统的干扰，提高系统的稳定性和精度；3、高速运动：通过采用快速响应的驱动器和控制系统，能够实现快速而准确的定位和移动；4、多轴协调：超精密运动平台可以实现多轴之间的协同运动。通过精确的坐标转换和运动同步算法，能够实现复杂的加工和操作任务。

19、进一步的，冷却介质所述冷却介质包含液体、固体、气体的任一种，其中液体为水或液态酒精或液氮，固体为冰或固态酒精，气体为水蒸气或气态酒精或氮气。

20、特别的，本发明中冷却介质包括其本身不同物理形态的转换，包括液态-固态、液态-气态、固态-气态的转换。

21、本发明中，采用的冷却介质在加工中具有以下作用：1、温度控制：冷却介质能够吸收和带走激光加工过程中产生的热量，有效地控制工件和设备的温度。通过保持适当的温度范围，可以避免材料过热导致的损伤、变形或不良加工效果；2、材料保护：冷却介质能够降低材料的表面温度，减少热影响区域，从而避免或减轻材料因热引起的变化、氧化或损耗；3、加工质量提升：冷却介质可使工件快速冷却，可以减小热影响区域，实现更精细和精确的激光加工；4、激光稳定性：通过有效的冷却，还可以提高激光加工的效率和稳定性，延长其寿命，并减少由于温度变化引起的功率波动或不稳定性。

22、进一步的，所述喷嘴既可喷射液体，也可喷射气体。

23、进一步的，所述阵列结构为圆孔、方孔或u形槽、v形槽或其它结构。本发明采用的阵列结构包括但不限于以下：1、点阵形状：点阵形状的激光阵列由一系列等距离排列的激光点组成。这种结构形状可以提供较高的功率密度和能量聚焦度，适用于需要高能量密度进行切割、打孔或表面改性的应用；2、线阵形状：线阵形状的激光阵列由一条或多条平行排列的激光线组成。这种结构形状适用于需要在一定方向上进行连续加工的应用；3、矩阵形状：矩阵形状的激光阵列由多行多列的激光点或线组成。这种结构形状可以提供更大的加工范围和灵活性，适用于需要在二维平面上进行精确加工的应用；4、圆形阵列：圆形阵列的激光点或线按照环形排列。这种结构形状常用于需要进行轮廓加工或有特殊形状要求的应用。本发明可根据具体的加工需求和目标，通过调整激光阵列的结构形状，可以实现更高的加工效率、精度和适应不同形状的加工任务。

24、进一步的，所述阵列结构的间隔尺寸为20 μm~1 mm，所述冷却保护区大于热损伤区，范围为50 μm~1 mm。本发明中，参数范围的设定是依据：阵列结构间隔尺寸20 μm与激光聚焦光斑直径相当或略大于激光聚焦光斑直径，可最大限度提高阵列结构的密集程度，而间隔尺寸1 mm为业内通用尺寸；相应的，冷却保护区略大于阵列结构的间隔尺寸。

25、进一步的，所述激光器发射的激光束经过扩束镜、反射镜及聚焦镜作用于材料表面。

26、进一步的，所述激光束的脉宽为200 fs~10 ns，波长为355 nm~1064 nm，功率为1w~50 w，重复频率为50 khz~200 khz，扫描速度为50 mm/s~500 mm/s。

27、进一步的，所述陶瓷包括碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆中的任一种，可实现在电子器件领域的不同应用，具体包括但不限于以下应用：1、pcb 加工：陶瓷基板常用于印刷电路板（printed circuit board，pcb）的制造中。激光可以用于陶瓷基板上的电路蚀刻、孔洞开孔、导线修剪等加工步骤；2、传感器制造：陶瓷材料在传感器制造中具有重要作用。激光可以用于陶瓷传感器元件的精密切割、钻孔和改性处理，以提供更高的敏感度、精度和可靠性；3、光电器件：陶瓷材料在光电器件（例如激光二极管、光纤连接器等）中扮演重要角色。激光加工可以用于陶瓷材料的封装、精确切割和微细结构加工，从而提高器件的性能和可靠性；4、bga 颗粒球阵列：在集成电路封装中，采用陶瓷基板的球格阵列（ball gridarray，bga）封装能提供较高的热稳定性和可靠性。激光可以用于陶瓷基板的表面处理、孔洞加工和球格粘接过程；5、陶瓷电容器制造：陶瓷材料常被用于电容器的制造，激光加工可用于陶瓷电容器的边缘修整、钻孔和焊接等加工步骤，确保其性能和可靠性。

28、本发明与现有技术相比，采用冷却介质协同激光加工阵列结构，通过液体、固体等介质冷却协同激光加工的方式，即将材料划分为激光当前加工区域、激光已加工区域、激光待加工区域。对激光已加工区域注入液体，再注入冷却液体使得液体凝固，并形成冷却保护区，从而可减小甚至避免后续周边激光加工区域对该区域形成热损伤区。与此同时，冷却保护区还可对激光待加工区域进行降温，减小甚至避免后续激光对该加工区域形成热损伤区。特别是周边激光加工区域形成的热损伤区会扩散至具有冷却保护区的激光加工区域，冷却保护区逐渐升温可通过液化、蒸发的方式对该区域继续保护。这将大幅提高阵列结构的集成度，同时大大提高了加工质量。

29、本发明通过液体、固体等介质冷却协同激光加工的方式，可减小甚至避免激光加工热损伤区域的形成，提高加工质量，特别是可以提高阵列结构的密集程度，获得含有高集成度阵列结构的陶瓷成品。