《銅的超快激光微加工技術(shù)研究》11000字

-1-銅的超快激光微加工技術(shù)研究摘要激光技術(shù)自誕生以來廣受人們關(guān)注，隨著近代我國現(xiàn)代科學技術(shù)等飛速發(fā)展，激光技術(shù)在材料加工領(lǐng)域有著非常廣泛等應(yīng)用，銅作為一種較為穩(wěn)定，又是價格低廉容易獲得等基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。本文探究不同波段的超快激光對于銅等激光微加工技術(shù)，研究了355nm波段的紫外激光對于銅的電路板加工方面的激光刻蝕工藝，采取不同條件，多種方法對銅進行激光刻蝕，仔細針對激光頻率對被刻蝕物體的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)影響進行深究。發(fā)現(xiàn)利用飛秒激光在金屬銅表面制備了多種尺度的微納結(jié)構(gòu)經(jīng)過表面化學修飾，實現(xiàn)了不同粘附性的超疏水表面的制備。以期此次研究對于相關(guān)主題的深入探討能夠有所裨益。關(guān)鍵詞：激光銅材料激光蝕刻微加工目錄TOC\o"1-3"\h\u3333緒論 131040第一章超快激光微加工技術(shù)分析 2132621.1紫外激光技術(shù) 2109681.1.1紫外激光微加工發(fā)展現(xiàn)狀 292921.1.2紫外激光刻蝕材料的優(yōu)勢 3256431.2飛秒激光技術(shù) 420571.2.1飛秒激光的發(fā)展歷程 418461.2.2飛秒激光的原理 429971.2.3飛秒激光振蕩器 4313911.2.4飛秒激光的應(yīng)用 51646第二章實驗儀器與方法 7106162.1實驗儀器 7216732.2實驗方法 1079642.2.1355nm波段紫外激光刻蝕 102202.2.2飛秒激光燒蝕 1026818第三章實驗結(jié)果及討論 11226123.1重復頻率對刻蝕質(zhì)量的影響 11265623.2紫外激光和紅外激光刻蝕覆銅板CCL質(zhì)量對比 11254053.3飛秒激光制備銅的超疏水表面 12263443.4實驗前后試樣表面周期性的影響 14243833.5表面微結(jié)構(gòu)與超快激光技術(shù)的關(guān)系 1531524結(jié)論 1711236參考文獻 18緒論20世紀以來，激光加工技術(shù)被發(fā)明后一直受到人們的重視，通過數(shù)十年的反復改良，激光加工技術(shù)已經(jīng)成為了目前制造業(yè)使用的重要加工技術(shù)之一，由于激光束擁有時間可控性良好、空間可控性良好、激光能量密度高、單色性好等多種優(yōu)點，已經(jīng)在材料加工、配件制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。紫外線的波長最短、能量更高、光束更密集、分辨率更高，廣泛應(yīng)用于微觀切割、精密對接、薄片與薄膜等材料微創(chuàng)、在電子版面打孔、去除材料外殼等精密材料的微加工工作。紅外線與正常的可見光由于波長比較長，能量相對發(fā)散，通常用于能量集中加熱處理（升溫或氣化）加工材料，但這種熱加工方法通常會改變物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)從而破壞掉材料原有的性質(zhì)，從而限制了材料硬度、強度及一些精細的特征。而紫外激光不會破壞材料的物理性質(zhì)，直接破壞掉元素原子之間連接的化學鍵，將分子分離為原子的冷加工過程，免去了提升溫度的環(huán)節(jié)。所以在金屬銅的激光加工過程中，應(yīng)當適當調(diào)節(jié)紫外線激光的功率，以得到理想的材料表面，得到最佳的周期性微結(jié)構(gòu)，讓材料具有疏水性質(zhì)。自從1960年以來，激光技術(shù)與計算機、半導體、原子能共同組成了20世紀的四大發(fā)明，光學技術(shù)越來越頻繁應(yīng)用于世界制造業(yè)與工業(yè)，與正常的機械加工工藝相比較，激光加工更為高效、準確、精密，隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，人們對電子設(shè)備的需求量與日俱增，激光技術(shù)對于電子器件加工的重要性更為凸顯，激光燒蝕的原理是利用了激光的能量集中性、能量強度高等優(yōu)點改變材料表面結(jié)構(gòu)，從而擁有某種特殊性質(zhì)，廣泛用于批量生產(chǎn)、宏觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作。由于激光的輻射性強，能量高強度且集中，受光物質(zhì)由于巨大沖擊力與熱量瞬間熔化或氣化，在接觸表面形成坑，而氣化的氣態(tài)物質(zhì)又會在空氣冷卻后在坑周圍凝固，這樣形成的凹凸不平的坑洞呈現(xiàn)不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)，表面會呈現(xiàn)粗糙狀，出現(xiàn)類似溝槽的結(jié)構(gòu)，同時因為一定程度上改變了受光物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的碳氧原子比例會發(fā)生變化，會使材料的疏水能力發(fā)生改變，在實驗過程中，通過改變不同波長光能量，來調(diào)整蝕坑的深度。材料的粗糙程度與照射強度、照射時間成正比，為了使得材料結(jié)構(gòu)更加精密，應(yīng)當使用透鏡光束聚焦法，改變光束與照射物體的接觸面積，進一步加強光束的能量強度，使得光斑的尺寸到達大約2mm，形成微尺度的粗糙結(jié)構(gòu)激光器能量達到燒蝕產(chǎn)生的閾值條件時，將會發(fā)生燒蝕噴射。當調(diào)節(jié)入射激光光強I、光斑半徑R等參數(shù)后，燒蝕表面的粗糙度得以調(diào)節(jié)。本文采用直接燒蝕出周期性微米級結(jié)構(gòu)陣列的方法。第一章超快激光微加工技術(shù)分析1.1紫外激光技術(shù)1.1.1紫外激光微加工發(fā)展現(xiàn)狀材料的微觀結(jié)構(gòu)直接影響其工程性能和使用性能。有關(guān)微觀結(jié)構(gòu)的信息有助于確保特征的存在用于所需的性能，如高強度、長期穩(wěn)定性和耐..很多時候，沒有適當?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)會導致材料的性能不良或失效[1]。例如，金屬和合金的晶粒尺寸影響許多性能，因此它是衡量質(zhì)量控制和性能評估的重要微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。眾所周知，金屬的硬度與強度是與基礎(chǔ)晶粒的尺寸成反比。在許多工業(yè)生產(chǎn)中，如鋼鐵煉金業(yè)、運輸業(yè)、化工業(yè)、石化核能業(yè)等通常需要各種產(chǎn)品或部件的微觀結(jié)構(gòu)特征的信息，所以對于激光微加工的進一步研究是必不可少的[2]。在工業(yè)方面，激光刻蝕方法大多分為紫外激光減成法與紅外波段激光減成法兩種方法，前文提到，紅外波段激光減成法是利用加熱物體表面使其氣化，是利用熱加工的方式改變物質(zhì)的物理性質(zhì)，主要利用CO2（波長10.6μm）與YAG激光（波長為1.06μm）[3]。而紫外激光減成法是利用準分子激光器與全固態(tài)紫外激光器兩種激光器，通過調(diào)節(jié)紫外激光的發(fā)射頻率，破壞物質(zhì)分子之間的化學鍵，讓原子重組以去除雜質(zhì)，這種改變化學性質(zhì)的加工方法只產(chǎn)生少量熱量，不會通過高熱量影響材料物理性質(zhì)，也稱冷加工[4]。隨著近年來紫外激光更受關(guān)注，紫外激光調(diào)節(jié)器已經(jīng)經(jīng)過多次改良，廣泛應(yīng)用于電子制造業(yè)功能芯片、基片的微創(chuàng)，涉及陶瓷、單晶硅片與電子版等材料，尤其是單晶硅片，不僅擁有受電、磁、力、光為一體的特點、還擁有良好硬度、耐腐蝕性、高強度等性質(zhì)[5]。單晶硅片作為機器與機械系統(tǒng)元器件最基礎(chǔ)的材料，采用傳統(tǒng)加工方式難以得到納米級別精細程度，所以紫光激光的刻蝕優(yōu)勢更多一些，目前主要研究針對Q355nm全固態(tài)紫外激光器對硅片材料從刻蝕過程、形成溝槽、到打孔、成型整個過程的工作。2004年，德國采用4.5w355nmNd:YAG激光器和xy掃描鏡平臺制作了陶瓷材料的3d顯微結(jié)構(gòu)，線寬最小為10um，表面粗糙度為1um。2002年，日本報告在電路板鉆孔上使用了355納米全固態(tài)激光器，通孔直徑小于50um。2003年，韓國在9um的雙面印刷電路板上進行了鉆孔研究，使用了25um的聚酰亞胺基板[6]。100um盲孔的光束掃描路徑為阿基米德螺線，最小線寬為50um。由于設(shè)備造價昂貴，不能批量購入，國內(nèi)紫外激光刻蝕工作加工仍然停留在準分子激光技術(shù)之上，沒有繼續(xù)深入到三頻階段。華中科技大學曾經(jīng)提及過一種可以在水中制造陶瓷的紫外激光器，能夠有效減少材料刻蝕過程中出現(xiàn)的裂紋數(shù)量與寬度，能夠利用紫外激光在電子版上精準刻蝕、鉆孔、成型?？涛g表面沒有出現(xiàn)尖刺，切割面沒有出現(xiàn)排列問題[7]。1.1.2紫外激光刻蝕材料的優(yōu)勢自21世紀以來，微電子科技快速發(fā)展，全新的MEMS組裝配件逐漸顯現(xiàn)，加之薄款式銅模板本身屬性強，有著極高的熱導傳輸率及外延性，就目前而言，已經(jīng)在各大精密器械領(lǐng)域得以廣泛地普及實踐。這些精密器械的顯著共同點為：十分輕薄、體積不大，在生產(chǎn)與加工制作的具體操作中均需要十分精準的蝕刻密度，對零配件的要求也十分嚴峻[8]。所以，在對這些精密零部件進行生產(chǎn)制作時，過去的老樣式處理辦法顯然并不適配。新時代下，激光處理憑借其高速度、高效率的特點已然奪得該領(lǐng)域內(nèi)研究者們的高度重視，因此對于激光類的研究與測驗與日俱增，這一新技術(shù)的出現(xiàn)讓過去的困難制作變得簡單便捷[9]。特別需要關(guān)注的是，在細微零件生產(chǎn)加工方面，紫外激光發(fā)揮的作用尤為關(guān)鍵。例如：在進行“熱”加工或紅外線處理時，一些半導體材料或者基材材料很難通過檢驗，對于半導體產(chǎn)業(yè)而言，材料在進行“熱”加工時出現(xiàn)變形或沖孔邊緣發(fā)生碳化現(xiàn)象時是十分不利的，也是難以接受的[10]。再者，一些金屬類材料由于其本身特性，即便在高功率密度作用下也很難對其進行加工處理。相反，有些金屬材料則可以依據(jù)小聚焦點及短波高吸收率這一特點，使用對應(yīng)的激光方法進行微加工處理，進而在最大程度上降低材料的熱能破壞度。此外，由于短波長可控性強，可以對要求產(chǎn)品規(guī)格小的物件進行生產(chǎn)制作，滿足精密加工的生產(chǎn)需求[11]。下表2.1即為紅外和紫外波段的激光鉆孔能力比較圖表：表1-1紅外與紫外激光器的激光鉆孔能力比較紅外波段激光紫外波段激光深徑比0.4~0.9:1(盲孔)0.25~10:1(盲孔、通孔 孔徑 150μm~350μm10μm~150μm加工速度300孔/min24000孔/min如圖可知，薄性銅板在MEMS器件中扮演者十分關(guān)鍵的角色，而銅作為金屬材料中比較難以加工處理的一類，其高強度反射率及低能吸收率使其刻蝕難度十分巨大，即便使用二氧化碳激光器和紅外Nd:YAG激光器也很難對其進行加工處理。但有關(guān)研究表明，銅這類金屬材料若使用355nm的紫外激光器進行刻蝕，其作用較為明顯，吸收率也比較顯著[12]。由于紫外激光器的波長較短，可以使激光器的焦點降低到亞微米級，因此在對銅箔層進行刻蝕時，采取355.0nm高峰值功率紫外脈沖激光，對于生產(chǎn)這類高精密度的器件而言將是最佳辦法之一。近些年來，為了滿足逐漸增長的產(chǎn)業(yè)需求，全球激光蝕刻技術(shù)的發(fā)展速度可謂越來越快，近乎每年都在以20%～30%的速度飛快增長。自1985年以來，中國以每年25%以上的增長速度在飛快前進。但鑒于我國激光產(chǎn)業(yè)起步較晚，基礎(chǔ)不扎實，有關(guān)先進的激光加工及生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用尚未在國內(nèi)流行，總體發(fā)展狀況與西方國家比較仍落下風[13]。但伴隨我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)今出現(xiàn)的這些生產(chǎn)技術(shù)問題都將逐一地被攻破，激光蝕刻技術(shù)勢必會為中國精密零附件的生產(chǎn)與發(fā)展做出跨時代的貢獻。1.2飛秒激光技術(shù)1.2.1飛秒激光的發(fā)展歷程在1916年，愛因斯坦創(chuàng)造性地提出了受激輻射，而后湯斯等人于1954年宣傳微波輻射器正式運行，隨后直到1960年，高額輻射強度的脈沖激光橫空出世，自此科學家們不斷為了提高強度而努力，到后期用調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)來制造出更短的脈沖，將脈沖的橫截面寬度盡可能地至皮秒，飛秒，甚至阿秒。當然上面的所有操作都是為了讓光更多的聚集在一個范圍內(nèi)，在空間上，時間上都有很大的限制，有的科學家嘗試增加光密度，但需要更大的激光晶體[14]。這就導致在之后的一段時間里，激光的更新發(fā)展迎來了突破的難點。一直到1985年，G.Mourou等人提出了啁啾脈沖放大技術(shù)，激光放射的光密度終于實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。就目前而言，飛秒激光的運轉(zhuǎn)周期為有10-100fs，是當下該領(lǐng)域所能達到的最短脈沖。它共有三個發(fā)展時期，從最開始的染料激光到現(xiàn)在的光纖激光，歷經(jīng)近50余年的沖刷，最終得以在現(xiàn)今工業(yè)社會廣泛地普及應(yīng)用。1.2.2飛秒激光的原理飛秒激光器的原理比較簡單，以目前科技發(fā)展過程中技術(shù)能發(fā)揮最穩(wěn)定的、可以最大程度上產(chǎn)生飛秒激光的摻鈦寶石飛秒激光器為例，他的組成部分主要分為兩大塊，一是飛秒激光振蕩器，二是飛秒激光放大器，其主要利用核心鈦寶石的自鎖模發(fā)揮作用，同時加以目前世界上在該領(lǐng)域最為先進的啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)，相互作用下，產(chǎn)生所需要的激光脈沖[15]。1.2.3飛秒激光振蕩器飛秒激光振蕩器在2015年9月正式宣布啟用，它是一款主要應(yīng)用于通信技術(shù)領(lǐng)域、電子科技領(lǐng)域的精密儀器。配合鈦寶石激光器和全固態(tài)綠光激光器共同使用，可以出射波長范圍為510-670毫米和1100-1500毫米的飛秒/皮秒超短激光脈沖。飛秒鈦寶石激光振蕩器是在原有配置基礎(chǔ)之上，通過鈦寶石的額外增益效果進行飛秒量級脈沖激光放射的一種裝置。其裝置主要由三大部分構(gòu)成：泵浦源，增益介質(zhì)和光譜振腔，如下圖1.1所示。MM1(HR)P1P2M3M2(4.5mm)Ti:sapphireOC(T=5%)10～12nsf=127mmpuoplaser(at532or514nm)圖1.1飛秒鈦寶石激光振蕩器工作原理1.2.4飛秒激光的應(yīng)用在目前的一些物件材料精微加工方面，飛秒激光憑借其本身特點，例如脈沖寬度比傳統(tǒng)寬度短許多，最大傳輸功率很大等，進而優(yōu)勝于傳統(tǒng)的激光工藝技術(shù)。以手機屏幕作為例子可以解釋為，傳統(tǒng)的手機屏幕一般是直角款式居多，這是因為制作工藝十分簡單，技術(shù)含量不高，且不存在太多風險。而伴隨時代的發(fā)展，科技的不斷進步，加之人們的需求發(fā)生了實質(zhì)的變化，倘若仍采用直角屏幕不僅會易影響屏幕破損率，還會影響人們的心理需求，所以在這種時代背景下對屏幕進行切割變換是十分有必要的[17]。具體分析來看，目前市面上的手機屏幕主要是LCD屏幕，然而這類屏幕的基礎(chǔ)板子是玻璃材質(zhì)，一方面較為脆弱，一方面硬度大，對于傳統(tǒng)切割而言十分難以操作。而飛秒激光切割可以很好地彌補這一缺口，飛秒切割不僅切割精度高于傳統(tǒng)切割，切割也較滑順平齊。再者，根據(jù)上文該類型激光的特征可以知曉，飛秒激光適用于各類高性能、高脆弱度材料的精微生產(chǎn)、處理與加工，如藍寶石、瓷器等。如圖1.2所示，可以看出飛秒激光微精細加工效果比照。圖1.2飛秒激光微精細加工效果比照在現(xiàn)如今的醫(yī)學科技行業(yè)中，為最大程度上降低病患的疼痛感以及可能會產(chǎn)生的額外性創(chuàng)傷，大多數(shù)醫(yī)學機構(gòu)在進行手術(shù)時均采用飛秒激光技術(shù)，這主要是由于飛秒激光的功率額度較大，脈寬度也十分短小，且在發(fā)揮作用時沒有多余熱量放出，足以滿足醫(yī)療機構(gòu)的實際需求。21世紀以來，有關(guān)飛秒激光技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的最新應(yīng)用即治療近視，這種技術(shù)可以將精確度把控于10微米以內(nèi)，遠高于傳統(tǒng)技術(shù)的精確度，也在一定程度上提高了手術(shù)的成功幾率，保證了手術(shù)的安全性。第二章實驗儀器與方法2.1實驗儀器（1）掃描電子顯微鏡(SEM)是實驗室分析時所起到的作用尤為關(guān)鍵，其主要作用在于對材料表層以及真空表層進行細致全面的分析研究。幾乎所有的掃描電鏡都是從用一層薄薄的金金屬濺射表面開始的。這確保了表面是導電的，這是一個固定要求。掃描電鏡即放射出一束密度極高的電子流體，聚集后定焦于一個小型針狀體中，樣品會在經(jīng)掃描后與該光束發(fā)生相互作用，進而使其內(nèi)部構(gòu)造被探析。用適當?shù)奶綔y器收集發(fā)射的粒子，以獲得有關(guān)表面的信息。電子束與樣品表面拓撲碰撞的最終產(chǎn)物是表面的圖像[18]。圖2.1不銹鋼設(shè)備上注入聚合物涂層時的局部SEM分析結(jié)果。掃描電鏡表面在750倍放大如圖所示。圖中2.1(a)和35000倍的放大率。2.1(b)，較高的放大倍數(shù)使涂層表面出現(xiàn)晶體。電子探針是SEM的一個有用的附件。樣品表面呈現(xiàn)出集中性電子光束，進而會產(chǎn)生電離近幾微米的效果。圖2.1聚合物涂層裝置的SEM圖像：(a)放大750倍，(b)放大35,000倍（2）Awave355UV激光器主要有一個激光頭及激光處理控制器，進行連接的物體是一個特殊套管（2.5），即便在超額強度7×24小時生產(chǎn)要求下也可以滿足其需要。并且適用于工業(yè)應(yīng)用，可以在連續(xù)運轉(zhuǎn)生產(chǎn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的狀態(tài)性能，真正實現(xiàn)不脫產(chǎn)不停機。同時，光纖耦合二極管泵浦位于激光控制器內(nèi)，有助于現(xiàn)場進行調(diào)節(jié)更換,提升效率，密封封裝于潔凈室中，以保證使用的長久性、有效性。Awave355激光器脈沖頻率范圍1~300kHz（低于500kHz可選），平均功率100mW~15W，脈沖能量超過4mJ，這些激光允許微加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本效益的最佳組合。圖2.2Awave355nm激光器（3）飛秒激光器TruMicro5070FemtoEdition于2014年德國通快公司所推出，類似于TruMicro5050FemtoEdition，TruMicro5070FemtoEdition超短脈沖激光器基于TruMicro5000系列，絕對適合工業(yè)應(yīng)用，可以在三班倒的狀態(tài)下實現(xiàn)持續(xù)運作。對于每個單獨的脈沖控制系統(tǒng)也可以進行監(jiān)測，并且能夠在不受外界環(huán)境的影響將功率和脈沖能量維持在應(yīng)用所需要的水平。這是由于在設(shè)備上放置了專利獲取的關(guān)鍵性技術(shù)-雙反饋環(huán)路，從而有助于實現(xiàn)設(shè)定功率精準定位于預(yù)定水平[19]。再者，放出的光束品質(zhì)與脈沖運行中所持續(xù)時長（M2<1.3）也處恒值穩(wěn)定狀態(tài)。在制作芯片、電子工業(yè)以及醫(yī)療制造行業(yè)中TruMicro5070FemtoEdition在這種三班倒的連續(xù)工作環(huán)境下也可以很好的操作運行。極短的脈沖蒸發(fā)幾乎任何材料沒有熱影響區(qū)，熔化或毛刺。這些激光的應(yīng)用會使得企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率實現(xiàn)最優(yōu)化狀態(tài)，進而達到成本效益最大化。圖2.3飛秒激光器TruMicro5070（4）激光掃描公焦顯微鏡。如下圖所示，為奧林巴斯OSL4100，也是本次實驗所采用的激光掃描公焦顯微鏡型號。圖2.4奧林巴斯OSL4100激光共焦顯微鏡在運行中配備了有著高N.A.的物鏡和光學系統(tǒng)（，LEXTOLS4100可以精確地測量一直以來無法測量的有尖銳角的樣品。這有利于粗糙度的測量。LEXTOLS4100和表面粗糙度測量儀的結(jié)果彼此呈現(xiàn)兼容狀態(tài)[20]。在對接觸式表面粗糙度測量儀進行使用時需要注意一點，被測表面的輪廓不能細微于測量儀探針。而OLS4100本身具有比探針還要小許多的激光束，因此在對細微形狀進行極高要求的粗糙度測量時是相對比較適配的。（5）視頻光學接觸角測量儀。在實驗過程中采用的視頻光學接觸角測量儀產(chǎn)自德國，在OCA系列中性價比十分高，且基本功能完備，簡單易上手，同時也方便攜帶外出，對于一些科研機構(gòu)或企業(yè)檢測科而言十分合適。視頻光學接觸角測量儀OCA15EC的具體技術(shù)參數(shù)值：接觸角測量范圍：0～180°；測量精度為±0.1°，分辨率：±0.01°2、表層界面張力測量范圍：1×10-2～2×103mN/m；分辨率±0.01mN/m3、樣品臺尺寸：100mm×100mm軟件控制的測量和分析包括：靜態(tài)接觸角、按照座滴法測量動；測量滾動角；計算固體的表面自由能及其組成；按照懸滴法測量液體的表面/界面張力圖2.5接觸角測量儀OCA15EC2.2實驗方法2.2.1355nm波段紫外激光刻蝕將印制電路板中最為普及的的CCL覆銅板作為本次實驗的加工試樣,其中CCL覆銅板的平均厚度為1.6mm,表面銅層厚約37μm，本次實驗方法為激光直寫，將在CCL覆銅板表面刻蝕8mm長的凹槽。表2-1紫外激光器的各項參數(shù)參數(shù)數(shù)值脈沖波長355nm激光最大功率8W使用的激光頻率1～100kHz脈沖寬度25fs2.2.2飛秒激光燒蝕實驗樣品選擇為一塊工業(yè)專用純銅，首先對其鏡面拋光化處理，在用超聲清洗干凈，隨后使用飛秒激光器對其進行激光放射處理，激光波長1030nm,重復頻率400kHz,脈沖寬度(800±200)fs,輸出功率設(shè)定為4W利用配有100mm焦距透鏡的掃描振鏡對激光在表面內(nèi)的運動進行適當調(diào)控，待時機成熟后將光斑聚焦為30μm[21]。最后將試驗樣品放在酒精溶液中進行全面的超聲清洗，隨后放入1%的十三氟辛基三乙氧基硅烷，浸泡4小時后再放入無菌烘箱，溫度調(diào)至120度烘烤3小時。觀察樣品表層時采用的是掃描電子顯微鏡與激光掃描共焦顯微鏡，并采用光學接觸角儀器對接觸角和滾動角進行多次測量，爭個過程中使用的測試液滴均為4.5μm。第三章實驗結(jié)果及討論3.1重復頻率對刻蝕質(zhì)量的影響觀察得知隨重復頻率不斷增加，實際上表現(xiàn)出來的刻蝕縫寬首先會表征出加大態(tài)勢，并在20khz左右的位置，達到最高值，之后表征出下降態(tài)勢，其表現(xiàn)出的曲線結(jié)果，與輸出功率關(guān)聯(lián)的曲線相近?；谥貜皖l率，在100Hz?20kHz區(qū)間不斷增強，對應(yīng)輸出功率也會提升，此時的刻蝕操作，會逐漸從不完全刻蝕之中過渡，形成完全刻蝕，對應(yīng)縫寬結(jié)果也會增加。此后，頻率再提升，輸出功率會呈現(xiàn)出下降態(tài)勢，縫寬也會以相對快的速度降低。1001009080706050403020100Kerfwidth/μm0 10 20 30 40 501mm/s6mm/s10mm/sFrequency/kHz圖3.1不同頻率紫外激光刻蝕CCL縫寬比較3.2紫外激光和紅外激光刻蝕覆銅板CCL質(zhì)量對比在激光加工層面，銅材料所具備的加工特性并不容易控制，蓋材料對于紅外光吸收率，很低，往往只有10%左右，而對紫外激光，則表現(xiàn)出較出色的吸收率，大致為70%。在銅表面施加激光條件，其會在水蒸氣、氧氣等因素的干擾性構(gòu)成復雜反應(yīng)，集中體現(xiàn)的化學成分，具體是Cu,Cu2O,CuO和Cu（OH）2。設(shè)定紅外與紫外激光器，設(shè)定355nm條件，針對銅材料完全刻蝕，觀察其縫寬參數(shù)取值，前者是45m，后者是30m。下圖展示了相關(guān)信息。了解到，紫外激光效果更為出色。圖3.2激光加工CCL質(zhì)量對比。(a)紫外激光；(b)紅外激光紫外激光器在速度小于2mm/s,選定脈沖頻率參數(shù)，具體設(shè)定在15?30kHz區(qū)間內(nèi)，以厚度規(guī)格為1.6mm的覆銅板為對象執(zhí)行切割處理。將目光看向圖3.3，展示了加工結(jié)果。通過觀察可以了解到，切割作業(yè)相對精密，光滑。而基于紅外激光器來作業(yè)，并不具備切割實現(xiàn)的條件。圖3.3外激光切割覆銅板樣品。功率密度：8X106W/cm2,頻率：20kHz,掃描速1mm/s3.3飛秒激光制備銅的超疏水表面針對銅片表面，需借助一定工具來完成拋光處理，且引入OLS4100裝置，對其表面粗糙度作測量，要求實現(xiàn)標準是10nm。在飛秒激光光源方案上，選定的結(jié)果是TruMicro5070。具體到本分析，為實現(xiàn)表面修飾紋理，要求設(shè)置靜態(tài)輻射環(huán)境，并基于連續(xù)的雙向方式，進行平行V溝圖案的加工。以水平、垂直兩個方向為準，掃描寬度參數(shù)界定為50um，給出的垂直深度取值，應(yīng)與激光束直徑一致[22]。得到下圖：圖3.4a間距50μm深度30+5μm圖3.4b間距2個光斑深度30+5μm將目光看向圖3.5中的c圖，展示了樣品差異下，對應(yīng)的接觸角、滾動角相關(guān)參數(shù)。操作可以了解到，激光掃描速度取值存在差異，樣品對應(yīng)的滾動角取值、接觸角取值也會表現(xiàn)出明顯區(qū)別。如看向b圖，在拋光之后，銅表面睡接觸角，具體結(jié)果是61度，在銅表面完成氟硅烷修飾的情況下，其表面接觸角取值結(jié)果，也只是111度。然而在激光掃描的基礎(chǔ)上，完成氟硅烷修飾處理后，其接觸角均超出了150度。仔細來分析滾動角，其也存在類似情況[23]。在掃描速度取值較低的情況下，滾動角也保持在較低水平，增加掃描速度，對應(yīng)的滾動角也會出現(xiàn)一定程度的增強。在掃描速度參數(shù)界定為100mm/s條件下時，其會出現(xiàn)類似荷葉的高粘附性，將此狀態(tài)之下的滾動角，具體設(shè)定為90度。利用電子掃描顯微鏡觀察了不同激光掃描速度下樣品表面的形貌變化，激光掃描后的銅表面主要由規(guī)則的周期性微米級凸出及凹陷組成，其周期均約為30微米在微米結(jié)構(gòu)上還分布有亞微米級的波紋結(jié)構(gòu)及納米級的顆粒。隨激光掃描速度的降低，微米結(jié)構(gòu)的深度增加，表面的納米顆粒也更加豐富。結(jié)果顯示在激光掃描速度為60mm/s時，表面微米結(jié)構(gòu)的平均深度約為15微米,而當掃描速度增加到100mni/s時，表面微米結(jié)構(gòu)的平均深度降為6.4微米當掃描速度低于60mm/s時，由于有強烈的陷光效應(yīng)，無法再獲得準確信息。160160155150145140135130125120Contactangle/（?）20406080100（a）Scanningspeed/（mm/s）1009080706050403020100Slidingangle/（?）self-cleaninghighadhesive（b）（c）（d）圖3.5（c）在不同激光掃描速度下制備樣品的接觸角和滾動角：(d)經(jīng)過機械拋光后的表面3.4實驗前后試樣表面周期性的影響具體要探究試樣表面周期性的變化受到超快激光器的那些參數(shù)的影響，需要采用控制變量法，首先控制調(diào)整一些無關(guān)因如光的能量級別以及加工的環(huán)境等，控制激光波的長短，激光頻率以及平均功率的數(shù)值不變，變換光束質(zhì)量。求得光束質(zhì)量與試樣表面周期性的影響關(guān)系，同比下實驗激光波的長短，激光頻率以及平均功率與試樣表面周期性的關(guān)系。最后制成表面微結(jié)構(gòu)進行觀察。實驗得出，許多表面微結(jié)構(gòu)，是可以借助超快激光技術(shù)實現(xiàn)。如LIPSS結(jié)構(gòu)。在進行材料燒蝕操作階段，其閾值結(jié)果與脈沖較寬激光能量密度存在著高度類似性，通過激光控制，可以構(gòu)成特定波長的LIPSS結(jié)構(gòu)，賦予其一定的生成周期[24]。若調(diào)整為超快激光來處理，其得到的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的周期，只是波長的1/10-1/2。由此，對LIPSS結(jié)構(gòu)帶來顯著影響的因素較多，如光束質(zhì)量、頻率選定、激光波長參數(shù)的界定，功率等。綜合調(diào)查了解到，材料表面結(jié)構(gòu)具體表現(xiàn)出的周期性，其存在著一個十分顯著的關(guān)聯(lián)因素，即激光脈沖寬度。在脈寬取值相對較窄時，周期性會表現(xiàn)出較好的精密特征，反之，則表現(xiàn)出稀疏特征。3.5表面微結(jié)構(gòu)與超快激光技術(shù)的關(guān)系分析了解到，在超快激光中，若增加其反應(yīng)時間，亦或是調(diào)高其脈沖能量，對應(yīng)出現(xiàn)的熱效應(yīng)也會明顯提升。在單次操作中，金屬薄片在進行切割處理時，其往往存在著掃描速度增加的情況，即耗費的脈沖能量有所增多。這是因為，在金屬熔化之后，部分顆粒重新沉積在表面。針對激光作業(yè)環(huán)境作充分設(shè)定，保障光束水平，選定好能量級別以及脈沖波長等因素，可以借助超快激光技術(shù)，實現(xiàn)較多材料表面微結(jié)構(gòu)的處理，如LIPSS結(jié)構(gòu)。在進行燒蝕操作的過程中，其閾值（又稱臨界值，這里指能量近似值得最低值）與脈寬激光能量密度表現(xiàn)出高度的相似性，通過激光控制，可以構(gòu)成特定波長的LIPSS結(jié)構(gòu)，賦予其一定的生成周期。若調(diào)整為超快激光來處理，其得到的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的周期，只是波長的1/10-1/2。由此，對LIPSS結(jié)構(gòu)帶來顯著影響的因素較多，如光束質(zhì)量、頻率選定、激光波長參數(shù)的界定，功率等。分析了解到，材料表面結(jié)構(gòu)具體表現(xiàn)出的周期性，其存在著一個十分顯著的關(guān)聯(lián)因素，即激光脈沖寬度。在脈寬取值相對較窄時，周期性會表現(xiàn)出較好的精密特征，反之，則表現(xiàn)出稀疏特征。在具體的試驗操作中，關(guān)注了液體折射率因素與其影響的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。在激光方面，頻率參數(shù)選定為10khz，掃描速度界定為1mm/s，質(zhì)量具體表現(xiàn)為0.76J/cm2，以水、糖漿作為對象，進行照射分析?？紤]到液體對激光的吸收性因素，在操作時，激光量可以適當提升[25]。若選定較高掃描速度，則會帶來水面波動，而波動的存在會導致激光散焦，為避免這種問題，將掃描速度選定為較低值。在分析時，將水、糖漿的液體厚度分為若干等，其形成了電鏡圖。在水中，施加激光照射條件，表面具體表現(xiàn)出的狀況，會按照水層厚度，出現(xiàn)蓋面。在水層厚度取值結(jié)果具體是3㎜時，可以觀察到的LIPSS結(jié)構(gòu)很淺，且只存在于表層的很少一部分位置，表面粗糙問題較為突出。在其厚度具體是5㎜的條件時，出現(xiàn)了明顯的LIPSS結(jié)構(gòu)，但也存在部分殘缺。在其厚度不低于7㎜時，存在著規(guī)則特性的LIPSS結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。這類結(jié)構(gòu)的改變，很可能是因水對激光吸收量差異所帶來的。厚度取值越小，激光吸收程度也就越有限，而在表層上，聚焦的激光量也會更多，這也是熱效應(yīng)出現(xiàn)的類似機理。還需要關(guān)注到的是一點是，具體到糖漿內(nèi)部情況來觀察，激光照射條件下，其構(gòu)成的氣泡數(shù)量明顯較多。這是因為，在該液體內(nèi)部，激光會誘導等離子，在冷卻之后，其會帶來氣泡，而這些氣泡的存在，也給后續(xù)進入的激光脈沖構(gòu)成了隔斷效果，導致照射操作并不完整，不充分，這也是無法得到規(guī)則LIPSS結(jié)構(gòu)的一個現(xiàn)實性因素。加上糖漿在粘度指標上，其明顯大于水，讓其氣泡產(chǎn)生的可能性更為突出。當激光照射進入至糖漿液體之后，可以將不存在脂質(zhì)的表面區(qū)域辨識，界定出來，而在液體厚度區(qū)間是5-9㎜時，很多表面積都不存在影響。這也意味著氣泡因素的影響效果很大。圖3.6基于厚度差異的水、糖漿——激光掃描電鏡圖

結(jié)論激光加熱表面強化是重大科學技術(shù)成就之一。當前已發(fā)展的激光加熱技術(shù)包括激光淬火、激光合金化、激光涂層以及激光沖擊硬化等。銅及其合金由于其優(yōu)良的導熱性能，在工業(yè)生產(chǎn)中，常用作工業(yè)設(shè)備的散熱零部件。但其硬度低和耐磨性差等缺點，很大程度上限制了其在某些領(lǐng)域應(yīng)用的深度。而我們利用激光技術(shù)進行處理能夠很好地解決一些類似的問題。本文通過實驗運用355nm波段紫外激光對銅進行刻蝕加工，發(fā)現(xiàn)紫外激光最大的優(yōu)勢便是可以進行高精度的加工，刻蝕縫寬、以及對熱影響區(qū)不大,其最大的不足便是由于刻蝕深度大，因此必然會導致基板的損傷。通過在這里引入飛秒激光在金屬銅表面，進行了多種的微納結(jié)構(gòu)的制備，經(jīng)由一定的化學修飾，發(fā)現(xiàn)上述這些表面的接觸角都超過了150°，而滾動角在0-90之間波動，進而有效的完成了對不同粘附性的超疏水表面的制備?？偟膩碚f激光技術(shù)是一門專業(yè)性比較強的技術(shù)，通過對激光表面強化技術(shù)在銅合金應(yīng)用的調(diào)研和相關(guān)知識的學習，發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)越來越受到高校、研究院所和企業(yè)的重視，相信在未來的發(fā)展中相關(guān)技術(shù)也會愈發(fā)先進和完善。

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