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1、CH I N E SE JO U RN A L O F L A SER S1999 年 5 月M ay, 1999氧化铝陶瓷基片 CO 2激光钻孔 最佳条件之探讨张铭峰 郑劭家张胜雄刘海北(中央大学光电科学研究所 台湾)提要利用 CO 2 激光连续脉冲频率的快慢, 平均功率的大小, 加上辅助空气吹气压力的变化及其之间的交互作用, 来探讨氧化铝陶瓷基片钻孔的最佳模式。关键词 CO 2 激光, 钻孔, 氧化铝陶瓷片1引言高能量的激光光束应用在材料加工上, 在近几年的快速发展中, 已获得大多数使用者的肯定。 无论是激光光束品质的调制, 加工机具的控制, 加工参数的设定, 材料的变化等等问题, 都 引
2、起了相当多研究者的兴趣。 在这些激光加工中, 研究的主题不外乎是钻孔、 切割、 焊接等条件的考量, 光学系统的变化, 热传导的问题等复杂的因素。而也都有相当合理的结论: 如M . vo n A llen 1 以数学模式讨 论 N d YA G 激光对铜的钻孔速率, Y ilb a s2 曾以光学聚焦及加工环境气压变化对金属材料的 钻孔进行研究, P. S. W e i 和 J. Y. H o 3 对钻孔时材料上的能量分布加以考量, R. W . O lso n等4考虑到高斯光束聚焦点位置对钻孔深度之探讨, Y ilb a s5再次讨论光束聚焦腰部位置对钻孔成形的效应等。 但是有关钻孔时辅助气体
3、吹气压力、 脉冲频率、 脉冲能量及平均功率等的变化以及其交互作用后对钻孔所造成的影响等课题, 则甚少提到。 大部分研究激光钻孔的实验 探讨都以金属材料为主。 事实上, 属非金属材料的氧化铝陶瓷因其硬度、 强度、 绝缘性、 导热性 质的特殊能力, 在电子工业中已大量用来作为 IC 基板、 多层陶瓷基板等, 但也因使用形状的日 趋复杂, 在陶瓷基片初胚成形后进行钻孔、 切割等工作, 也更加重要。 以钻孔为例, 若品质良好,则除钻孔外, 将来若以连续钻孔进行切割时, 应也可以得到较佳的品质。 因此, 本文即以传统加 工较难处理的氧化铝陶瓷基片为探讨的对象, 改以激光为加工工具, 并改变加工参数探讨加
4、工 条件以获得一较佳的钻孔品质及模式, 此模式亦将推广到切割的应用上。2 实验211实验设备 本文中所使用的 CO 2 激光本体由 PR C 公司生产, 并配以三菱公司 320M 数控控制器, 总收稿日期 1998208228; 收到修改稿日期 1998212207450中国激光26 卷型号为L PA 2600S。由激光本体输出之激光光束直径 为 12 mm T EM 00 单模, 使用 5 聚焦镜, 经 CN C 控制 焦点三维空间位移精度为 10- 3 mm , 吹气喷嘴之口径为 2 mm , 并为确保吹气之稳定性, 经空气压缩机输 出之高压气体先经一组空气过滤器及调压阀先行降 压 至 2
5、00 k P a, 进 入 吹 气 喷 嘴 前 再 加 装 一 电 控 调 压 阀, 此调压阀可由 CN C 程式控制开启与否, 使吹气 与激光之输出达到最佳同步。 喷嘴内之气压则随时可由数位表读取。 但为了测量最后由吹气喷嘴吹出 之气体压力, 则在吹气喷嘴处加装一测压器, 测得之 压力值亦以数位显示之。但测量完毕后即移除, 如图1 所示。212实验过程 本 文 中 所 使 用 的 试 片 为 电 子 工 业 用, 纯 度 为96% , 厚度为 01635 mm 的氧化铝陶瓷基片。 激光光 束 焦点调至试片表面, 使用 T EM 00 单模超脉冲 ( su2p e r p u lse ) ,
6、频 率 在 600 1000 H z 范 围, 工 作 周 期 ( du ty cyc le) 设定为 30% , 喷嘴吹气压力在 60 100 k P a 之间, 激光平均功率在 80 120 W 范围。为了避 免人为操作误差以确保实验结果的可信度, 以上条 件均以 CN C 程式控制之。图 1 实验装置1: 聚焦镜; 2: 数字空气压力计; 3: 阀; 4: 喷嘴; 5: 工 件; 6: x 2y 台; 7: 22 螺线管操作阀; 8, 9: 减压阀;10: 滤波器; 11: 空气压缩机F ig. 1 T he exp e r i m en t se tup1: fo cu sing le
7、n s; 2: d ig ita l a ir p re ssu re gauge; 3:va lve; 4: no zzle; 5: w o rkp iece; 6: x 2y table; 7:22so leno id op e ra ted va lve; 8, 9: reduc ingva lve; 10:f ilte r; 11: a ir com p re sso r为求得钻孔孔径值之可信度, 以同样的条件, 在试片上 6 个不同的位置上钻孔, 再以工具显微镜配合精度为 10- 3 mm 的光学尺对每一钻孔各测量其 x 2y 方向的直径值后加以平均, 可 得一个孔径数据, 并在这
8、6 个孔径数据中去除差异较大者, 而选取 5 个孔径以算出平均值及标 准差。3 热传理论与实验结果之对照311理论预测事实上, 以激光对材料钻孔条件的研究, 有众多不同的论点。 大家对不同的材料、 不同加工 条件的考虑目标, 都在于寻找一个较佳的加工模式。 而在本文中将探讨的试片材料为氧化铝陶瓷基片, 其物理性质有别于一般的金属材料, 且以一般传统的机械方法加工有其困难之处: 除了其高熔点及硬度甚高外, 热震效应造成材料龟 裂也是此材料难以热能为加工方式的一大主因。 因此在本文中, 假设了对氧化铝陶瓷基片钻孔产生影响的三个条件, 并提出实验结果以进行讨论。 此三个条件分别为: ( 1) 以激光
9、连续模式 进行氧化铝陶瓷材料钻孔, 会造成热震龟裂的现象, 此已为大家所认知, 因此我们使用脉冲模 式。 但事实上, 脉冲频率的快慢, 主要影响了激光能量和材料间交互作用时间的长短, 而若以足够达到材料熔点的能量而言, 脉冲频率的快慢却又会造成热传导而扩散了温度梯度的范围, 进 而影响了钻孔孔径的大小; (2) 如果不改变脉冲频率而增大激光功率能量, 一定也会造成材料 热 扩散面积的加大, 钻孔的孔径必然会受到影响; ( 3) 为了避免以上两种条件之间的互相影4515 期张铭峰 等:氧化铝陶瓷基片 CO 2 激光钻孔最佳条件之探讨响, 一般在钻孔加工时会考虑加上辅助气体。 由于以激光钻孔氧化铝
10、陶瓷基片时无须以氧气辅助, 故采用空气即可。 此时我们所在乎的, 是辅助空气吹气压力的大小, 及此压力是否会影响到 脉冲频率及激光能量变化间的相互效应, 进而改善钻孔的品质。 根据脉冲激光输出能量的形态, 假设每一脉冲能量为一点热源, 瞬间作用在材料上时, 其 热传导的公式6 为E 0 8C p ( t) 32 e xp (-r24t)T =T +(1)= k C p 式中 T 为材料的室温温度, E 0 为激光每一脉冲的能量, 为材料密度, C p 为比热, t 为作用在材 料上的脉冲时间, r 为热传导扩散半径, 为热扩散系数, k 为热传导系数。以上数据可由 Coo r s C e ra
11、m ic Com p an y 发布之资料中获得。 事实上, 氧化铝陶瓷基片在钻孔作业时, 若无辅助吹气的冷却, 极易因热震效应而造成龟 裂现象。但公式 (1) 中并未考虑辅助吹气所造成的冷却效应。为了了解本文所假设的辅助吹气 压力大小所造成的改变, 利用M ino lta2L an d C yc lop s 52 温度测量仪, 在平均功率为 53 W , 脉 冲频率为 300 H z, 无辅助吹气时, 量得受照点温度为 1600。而当辅助吹气压力为 60 k P a, 80 k P a 及 100 k P a 时, 量得温度分别为 768, 736及 704, 推算出冷却系数 c 值应为:
12、0144,0146, 0148。 所以公式 (1) 应再乘上冷却系数 c 值后, 才可作为实际钻孔时在不同吹气压力下,须求激光能量的预估值。 因此, 公式 (1) 应改写为T = T + c E 0 8C p ( t) 32 e xp (-r24t)c 值为冷却系数, 于喷射辅助气体时其值应小于 1。 以脉冲频率为 600 H z, 辅助空气吹气压力为100 k P a 时为例, 利用公式 ( 2) 作电算模拟每一脉 冲能量作用在氧化铝陶瓷基片时热量分布 之 状 况, 如图 2 所示。 预估平均功率在 93 W 时, 钻孔 中心温度可达到基片熔点 ( 2045) , 而将形成最 小孔径。312
13、实验结果及讨论根据以上的估算, 在实际钻孔实验后的结果 如图 3 (a ) (c) 所示。脉冲频率分别为 600 H z,800 H z 及 1000 H z, 横 坐 标 表 示 激 光 平 均 功 率(2)(W ) , 工作周期如前所述设定为 30% , 纵坐标表示钻孔孔径尺寸 (mm ) 大小, 并以平均值及标准差 作图表示。 各图中表示了同一脉冲频率下, 辅助空 气吹气压力分别为 60 k P a, 80 k P a 及 100 k P a 时 所造成钻孔孔径的变化。 图 3 (a ) 中, 我们发现当脉冲频率固定时 ( 此 图中脉冲频率为 600 H z) , 激光平均功率的增加,图
14、 2脉冲频率为 600 H z 时, 不同激光平均功率下计 算 机 模 拟 的 温 度 分 布 与 热 扩 散 半 径 的 关系F ig. 2 A t p u lse f requency = 600 H z, com p u te rsim u la ted tem p e ra tu re d ist r ibu t io n ve r su s the rm a l d iffu sio n rad iu s a t d iffe ren t la se r ave rage pow e r并未能造成钻孔孔径的正比增大趋势, 而会造成由大渐小而后再变大的现象, 并在某一平均功 率时出现一
15、最小孔径值。其实这个现象是可以理解的, 以图 3 中辅助空气吹气压力为 100 k P a时为例, 在激光平均功率为 80 95 W之间时, 因辅助气体的吹送, 造成热量的流失, 使得一次452中国激光26 卷脉冲激光能量无法完成钻穿, 而必须经多次脉冲提供能量, 因此也造成热量扩散面积的增加而 扩大孔径; 在平均功率为 95 W时, 钻孔中心温度刚好达到熔点, 而形成了最小孔径; 在激光平 均功率为 95 120 W之间时, 因脉冲能量的增加, 热量扩散的面积更加扩大, 因此钻孔孔径又图 3 不同辅助气压时小孔直径随激光平均功率的变化F ig. 3 Ho le d iam e te r ve
16、 r su s la se r ave rage pow e r a t d iffe ren t p re ssu re s o f a ssistan t a ir(a ) p u lse f requency= 600 Hz; (b) p u lse f requency= 800 Hz; (c) p u lse f requency= 1000 H z 再次变大了。 观察图 3 (b) 及 (c) , 其实验结果也出现相同而稳定的情况。 以上的数据及讨论可合并为图 4, 三条数据线各表示不同的辅助空气吹气压力值。当激光 平均功率固定为 100 W , 在同一脉冲频率时吹气压力越大则钻孔孔径尺寸越小, 且在脉冲频率图 5平均激光功率为 100 W 时, 不同脉冲频率下
