馮廣智 葉言明 沈華明 陳冬冬 周天琛

摘要：激光微鉆孔技術作為激光加工技術的重要分支，目前已廣泛應用于各個生產(chǎn)領域。從激光加工技術的優(yōu)點和激光微鉆孔技術的原理、發(fā)展、應用4個方面介紹和歸納了目前國內(nèi)外對激光微鉆孔加工技術的應用和主流研究方向?？偨Y(jié)歸納激光加工技術的優(yōu)點，闡述了激光微鉆孔技術在行業(yè)內(nèi)的應用以及其巨大的市場前景。對激光微鉆孔工藝的發(fā)展歷程進行調(diào)研，總結(jié)歸納了激光微鉆孔技術的特點以及各個階段激光微鉆孔工藝的改良優(yōu)化歷史，以及相關工藝參數(shù)指標的突破。最后介紹了激光微鉆孔工藝的技術原理和常見的激光微鉆孔工藝的實現(xiàn)方式，介紹了激光微鉆孔工藝在航空工程、PCB加工和生物醫(yī)療行業(yè)的應用。為激光微鉆孔技術的推廣應用提供技術支撐。

關鍵詞：激光微鉆孔;激光加工;綜述

中圖分類號：TN405文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0289-05

A Review of Laser Microdrilling Technology

Feng Guangzhi1， 2，Ye Yanming1， 2，Shen Huaming1， 2， Chen Dongdong1， 2， Zhou Tianchen3

（1. Zhongshan Laserteem Technology Co. ， Ltd. ， Zhongshan， Guangdong 528437， China;2. Zhuhai Laserteem Technology Co. ， Ltd. ， Zhuhai，Guangdong 519099， China;3. Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130013， China）

Abstract： As an important branch of laser processing technology， laser micro-drilling technology has been widely used in various productionfields. the application and mainstream research directions of laser micro-drilling technology at home and abroad were introduced andsummarized from fouraspects： theadvantagesof laser processing technologyand the principle，developmentandapplicationof lasermicro-drilling technology . The advantages of laser processing technology were summarized. The application of laser micro-drilling technologyin the industry and its great market prospect were explained. The development history of laser micro-drilling process was investigated， and thecharacteristics of laser micro-drilling technology and the history of improvement and optimization of laser micro-drilling process at each stage，as well as the breakthroughs of relevant process parameters were summarized and summarized. Finally， the technical principles of lasermicro-drilling processand thecommon ways of implementing laser micro-drilling process wereintroduced. Theapplicationsof lasermicro-drilling process in aerospace engineering， PCB processing and biomedical industry were introduced to provide technical support for thepromotion and application of laser micro-drilling technology.

Key words： laser micro-drilling; laser processing; review

0 引言

近年來，在電子、航空、航天、醫(yī)藥和汽車等行業(yè)的主要趨勢已然朝著大和小兩個端點靠近。在大的方面有自主知識產(chǎn)權(quán)的運20大型軍用運輸機、新型固體火箭發(fā)動機。在小的方面也有生產(chǎn)“更小、更快、更便宜”的微型化、模塊化部件的加工制造需求。微型部件，如 PCB （印刷電路板）、微型噴嘴、微型模具、化學微反應器、牙齒植入、高科技醫(yī)療設備、燃料過濾器和燃料點火系統(tǒng)，都是在微型加工技術的幫助下生產(chǎn)的[1-3]。其中，微鉆孔是最基本的加工技術之一。微鉆孔加工技術一般的鉆孔直徑在1μm～1 mm區(qū)間。

為了順應工業(yè)加工小型化的趨勢，微型鉆孔技術現(xiàn)在被廣泛用于精密工程、微型電子機械系統(tǒng)（MEMS）、微型全分析系統(tǒng)（TAS）、消費品、生物醫(yī)學和化學工程、光學顯示器、流體學、無線和光通信以及 PCB行業(yè)等領域[1，4]。在所有這些行業(yè)中，PCB對微型鉆孔的使用最多。一個 PCB原件通常需要成百上千的微孔來按照預定的電路設計連接電子部件。在當今社會對智能手機、電腦等電子產(chǎn)品的需求越來越多，PCB行業(yè)的發(fā)展非常迅速。就全世界的產(chǎn)量來看，目前平均每月大約可生產(chǎn)50萬 m2用于加工 PCB 的微孔板，而且規(guī)模也一直在增加，其中約有90%的微導孔是以激光微鉆孔的方式成孔。

本文從激光微鉆孔技術的原理、發(fā)展、應用方面介紹、歸納了目前激光微鉆孔技術的特點和應用途徑，為激光微鉆孔技術的推廣應用提供一定的技術支撐。

1 激光加工技術的優(yōu)點

自1960年第一臺激光器問世以來，激光技術和激光器在各個領域的應用研究便如火如荼地開展起來。其中激光器和激光技術最為廣泛的應用領域便是激光加工技術。近年來，許多高新技術領域和產(chǎn)業(yè)都在廣泛使用激光加工技術，從加工制造具有最小結(jié)構(gòu)的計算機芯片到汽車、火車、大型飛機和艦船的生產(chǎn)，激光加工技術都是不可或缺的重要工藝。激光加工技術具有高精度、高速度、高質(zhì)量和柔性化的優(yōu)點，將在未來逐步地、更為廣泛地應用在各行各業(yè)，滿足市場日益增長的制造、加工需求。激光加工技術的特點如下。

（1） 無接觸加工。使用激光加工技術加工材料，激光束直接作用于材料，在加工過程中不存在切削力，從而不存在激光加工機械的磨損。同時污染不了加工面，也避免了工件、材料的表面損傷。這種無接觸的加工方式，降低了激光加工設備的噪聲，其應用的夾持裝置簡單，降低了加工的綜合成本。

（2） 加工質(zhì)量好、精度高。因為激光的光束具有較高的能量密度，可在很短的時間內(nèi)完成加工過程，與傳統(tǒng)加工相比，因其加工過程中工件熱變形和機械變形都很小，從而有效地提升了加工質(zhì)量。激光加工只對光束照射部分發(fā)生作用，對部件其他部分影響較少;激光束可以通過光學元件或光學系統(tǒng)（透鏡、振鏡等）調(diào)節(jié)聚焦位置和聚焦程度，從而控制激光束（照射面積）的大小。由此以此獲得適用于精密加工的小光斑。

（3） 激光束能量可調(diào)。激光器發(fā)出的激光束的能量等其他參數(shù)可以通過非常便捷迅速的方式進行調(diào)整?？梢酝ㄟ^調(diào)整一臺激光器的不同參數(shù)來滿足不同的材料需求、工藝需求。

（4） 加工材料范圍廣。激光具有能量密度和功率密度可調(diào)且范圍廣的特點。因此，適用于很多材料的加工，特別對高硬度、高脆性、高熔點材料的加工。此外，激光加工技術對工件的形狀、尺寸和加工環(huán)境要求很低。

（5）加工效率高，經(jīng)濟效益好。激光鉆孔特別是激光微鉆孔工藝的加工效率遠超同等條件下常規(guī)機械打孔加工效率，約為其幾十甚至上千倍。且激光加工技術較其他加工技術相比，可以有效地提升材料的使用率，節(jié)約材料10%～30%。激光加工在大氣條件下即可完成，開模具的要求較少，對中小批量產(chǎn)品零件加工和新產(chǎn)品試制尤為有利。

（6）加工方式靈活。激光加工技術不易受電磁干

擾;因激光具有方向性強的優(yōu)點，且可以通過調(diào)節(jié)激光器參數(shù)來直接進行功率密度的調(diào)節(jié)，且可以通過光學元件或光學系統(tǒng)調(diào)節(jié)其聚焦情況。而且激光加工的工藝流程可以直接在大氣環(huán)境下進行，方便加工，且不易受到電磁的干擾[5]。

2 激光加工技術的重要性

隨著高新科技的發(fā)展，微納制造技術和微型電子機械系統(tǒng)（MEMS） 日趨廣泛，激光微鉆孔技術作為激光加工技術的重要環(huán)節(jié)，在微細加工領域得到越來越多的應用。就 PCB加工行業(yè)而言，今年來隨著5G業(yè)務的大力推廣，PCB行業(yè)的成長空間不斷增大。數(shù)據(jù)顯示，2019年我國 PCB產(chǎn)值規(guī)模達329億元。而激光微鉆孔業(yè)務作為目前PCB加工行業(yè)的主流鉆孔方式，其市場前景巨大。

激光微鉆孔技術是橫跨光、機、電、材料、測試等多門學科的綜合技術，作為激光加工技術的分支，激光微鉆孔技術一直被廣泛關注。

3 激光微鉆孔技術的發(fā)展

鉆孔技術作為最常用的機械加工技術之一，有悠久的使用歷史。從20世紀40年代開始，有公司認識到市場對微鉆孔工藝的需求，于是人們開始了微鉆孔工藝的嘗試。從1958年 Levin[6]使用車床鉆出了小到0. 015 mm 的孔，再到1960—1970年間，美國和日本進行了少量的微鉆孔工藝的研究。在這一時期進行了幾項不同的實驗。使用麻花鏟式鉆頭，鉆孔尺寸小于0. 025 mm 。因采用車床作為鉆床，導致主軸轉(zhuǎn)速不足。其加工工件主要局限在黃銅、鋼、銅、不銹鋼、金和塑料。

與傳統(tǒng)微鉆孔技術相比，激光微鉆孔技術是一種比較新穎的方法。在包括電火花微鉆孔、電解鉆孔等新型鉆孔工藝中，首先發(fā)明并應用的是激光微鉆孔工藝[7-9]。在20世紀70年代，激光微鉆孔工藝最開始使用的10年間，大多數(shù)激光微鉆孔工藝都是使用長脈沖二氧化碳和 YAG （釔鋁石榴石晶體（ Y3Al5O12）） 激光系統(tǒng)。微鉆孔工藝的實現(xiàn)方法是通過激光照射工件使得照射區(qū)域熔化，熔融狀態(tài)的工件材料通過激光所鉆的孔離開工件。這樣導致鉆孔壁上會存在裂紋，降低了微鉆孔尺寸的精度。這樣的工藝缺點限制了激光微鉆孔工藝的應用。

在接下來的十年里，通過使用低功率波導準分子激光器和 Nd-YAG 激光器進行激光微鉆孔，一些工藝缺點得到了改良。但僅限于應用在非金屬材料和大直徑的鉆孔。在1990-2000年，激光微鉆孔工藝主要集中在進行高精度和高深徑比的微鉆孔。在這一時期，雖然研究人員進行了很多基于準分子激光器的微鉆孔工藝在聚合物材料和 PCB的應用實驗。但金屬材料的激光微鉆孔工藝仍然沒有突破性進展。在1999年，Lazare[10]介紹了基于紫外激光的微鉆孔，并在各種聚合物材料包括 PMMA、 PC、PET、PI、PS和PEEK 上實現(xiàn)了深徑比≈600的微鉆孔工藝參數(shù)。針對金屬的激光微鉆孔工藝研究，在20世紀90年代末進行了一些嘗試。Zhu等[11]研究了使用飛秒 Ti：藍寶石脈沖激光對金屬箔進行了微鉆孔實驗，實現(xiàn)了如 Al、Mo、Ti、Cu、Ag、Au 和黃銅的微鉆孔。從2000年開始，激光微鉆孔工藝可以廣泛的應用在包括金屬在內(nèi)的幾乎所有類型的材料上。

4 激光微鉆孔技術

激光微鉆孔技術是一種是激光和物質(zhì)相互作用的熱物理過程，在這一過程中涉及到的參數(shù)：激光參數(shù)（頻率、波長、能量密度、光束發(fā)散角、聚焦狀態(tài)等參數(shù)）、加工過程的工藝參數(shù)（輔助氣體類型、夾緊力）和工件的熱物理特性參數(shù)。其加工過程如圖1所示。激光微鉆孔技術的基本過程是通過適當能量的激光光束照射在工件的某一點上，熔化和汽化其路徑上的材料從而產(chǎn)生鉆孔。這一過程分為3個階段。

（1） 激光吸收。當激光輸出能量率密度比較低時、材料接收短時間的輻射后開始升溫，由于能量密度比較低沒有到達材料閾值，所以材料不會發(fā)生相變。

（2） 材料的熔化與汽化。

（3） 等離子體。當把激光能量密度不斷升高的同時也把激光輻射材料表面的時間也延長，這時材料表面開始發(fā)生相變，由固相向液相轉(zhuǎn)變，即材料開始融化，并且固-液相面向材料的深度方向移動;當功率密度再次提高并且輻射時間再次延長時，此時的材料不僅僅再是融化了，同時還伴隨著材料的汽化，材料由固相直接變成汽相，此時在激光輻射材料表面區(qū)域會形成帶電的等離子體云[12]。

激光微鉆孔的常見工藝有兩種，輪廓迂回法和復制法，如圖2所示。復制法就是激光頭與工件都保持不動，通過調(diào)節(jié)激光頭和工件的距離尋找到最小的光斑或最好的焦點位置后，在此距離使用連續(xù)的激光照射加工區(qū)域。在工業(yè)應用中，激光具有單脈沖叩擊法和多脈沖叩擊法兩種形式。因多脈沖叩擊法的打孔效果更好，所以在工業(yè)加工領域更為常見。輪廓迂回法即工件保持不動，通過光學系統(tǒng)控制激光束在工件表面進行移動。輪廓迂回法分為旋切法和螺旋掃描法兩種。應用旋切法進行加工時，激光頭會根據(jù)設定好的路徑進行移動，從而可以獲得圓整度較高的小孔或諸如正方形、三角形、多邊形的異形孔。而在加工高深徑比的微孔時，使用螺旋掃描法更為有效。螺旋掃描法即使用多脈沖叩擊法的同時激光源沿設定好的螺旋路徑和速度移動。可以通過調(diào)節(jié)速度和螺旋路徑來改變微孔的深度以及錐度[12-17]。

目前進行激光微鉆孔工藝研究的方向主要有：激光器的種類、微鉆孔工藝平臺的開發(fā)、有限元（ FEM ）模擬和分析模型、加工孔的形態(tài)和工件的元素組成。激光微鉆孔工藝的激光脈沖時間主要在納秒、皮秒和飛秒范圍內(nèi)。

在未來的研究中，應關注通過調(diào)整激光參數(shù)和工藝參數(shù)提升微孔的深徑比，提升微孔的鉆孔質(zhì)量。

5 激光微鉆孔技術的應用

激光微鉆孔技術在航空工程、汽車、半導體和生物醫(yī)學工業(yè)中應用最為廣泛。其中最為典型的例子包括飛機發(fā)動機渦輪葉片、汽車燃料過濾器、渦輪組件的冷卻孔、燃燒室、手術針頭、微流體裝置、微泵、微傳感器、微化學反應器和微熱交換器。

5. 1 激光微鉆孔技術在航空工程的應用

隨著航空航天科技的發(fā)展，在航空工程的制造工藝流程中對鉆孔的精度、加工質(zhì)量的要求日漸提高。激光微鉆孔技術目前已廣泛的應用在航空工程的鉆孔中。

美國通用電氣已將激光微鉆孔技術應用在航空發(fā)動機的生產(chǎn)中。據(jù)統(tǒng)計，每臺發(fā)動機平均要用激光鉆孔10萬個，每年生產(chǎn)的葉片、火箭筒和隔熱屏等零部件需要激光微鉆孔5000萬個。用與加工渦輪發(fā)動機的激光微鉆孔設備，其孔徑參數(shù)可達到0. 25～1. 25 mm 。在其加工過程中通過使用與激光同軸的氣體噴嘴和移動透鏡的方法，有效地提高了加工質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)激光聚焦點的位置，可以有效地提升打孔深度。調(diào)節(jié)激光器的參數(shù)（平均功率、脈沖能量、重復頻率、光束發(fā)散角）來提升加工質(zhì)量[18]。

5. 2 激光微鉆孔工藝在 PCB的應用

在電子產(chǎn)品向小型化、集成化快速發(fā)展的今天，作為其核心基礎部件的印制板（PCB）必然相高密度、高精細化發(fā)展。其中對于“孔”的要求主要集中在小直徑、高尺寸精度、結(jié)構(gòu)精準3個方面。而且在 PCB結(jié)構(gòu)中“孔”的占比隨著集成化要求的提升變得越來越多。

傳統(tǒng)的 PCB鉆孔工藝多采用波長為9. 6μm的紅外激光，但紅外激光由于其“微秒級”的時間進行加工，因其較慢的加工速度，容易產(chǎn)生“倒錐形”鉆孔，且易對孔壁材料造成“熱燒傷”，使得孔壁留存熔融物和殘渣，影響鉆孔質(zhì)量。

使用飛秒激光進行 PCB鉆孔時，因其較短的激光脈沖時間使得在加工過程中對材料造成的熱損傷和內(nèi)應力有效地得到了減少。飛秒激光微鉆孔的粗糙度可以達到0. 1μm 。這樣可以達到更精準的位置度、更精細的鉆孔尺寸、更好的表面光潔度和極好的表面粗糙度（小于或等于0. 1μm）[19]。

5. 3 激光微鉆孔工藝在生物醫(yī)療工業(yè)的應用

微型化作為生物醫(yī)療工業(yè)的重要發(fā)展方向，在近年來備受關注。

動脈血氣分析用來測定血液中氧分壓、二氧化碳分壓、血氧飽和度，以及測定血液酸堿度、碳酸氫鹽、陰離子間隙等參數(shù)，通過對上述參數(shù)的分析從而判定人體肺功能、呼吸衰竭情況和酸堿失衡情況。在重癥監(jiān)護室可根據(jù)血氣分析儀的結(jié)果可用來對病人的呼吸機使用情況和用藥情況進行精確判斷。在制造動脈血氣分析儀的精密探頭和傳感器時，常使用準分子激光器進行精密微鉆孔。

在制造血氣分析儀的 PVC 雙腔套管時 （圖3（a）），需要在在 PVC雙腔套管邊上加工處用于抽血的孔，使用準分子激光器進行微鉆孔加工時可以有效地保證 PVC 結(jié)構(gòu)在鉆孔后的強度和硬度，以及高質(zhì)量的孔徑?？梢员苊?PVC 管在進入動脈的過程中發(fā)生扭結(jié)和堵塞。

在制造血氣分析儀的二氧化碳分壓、血氧飽和度探測傳感器時，使用氬激光在直徑為100μm的PMMA 材料上加工螺旋微分布細陣列矩形孔（圖3（b）），用于填充測試血液的試劑[20]。激光微鉆孔工藝是目前加工微細陣列孔的主要方式[21]。

6 激光微鉆孔技術的展望

自20世紀70年代首次嘗試使用激光器進行鉆孔，激光微鉆孔技術的發(fā)展歷史至今已有50余年。相比于其他微鉆孔技術而言，激光微鉆孔技術有著許多無可替代的優(yōu)點和優(yōu)勢，比如激光微鉆孔技術擁有較高的加工精度、加工密度和高的加工速度[22]，可以滿足加工微孔陣列的工藝需求等優(yōu)點。但針對激光微鉆孔技術而言，仍有發(fā)展和完善的空間。隨著產(chǎn)業(yè)升級以及激光微鉆孔技術在新領域應用層次的研發(fā)以及市場的需求，同樣也在要求激光微鉆孔技術向著更高要求、更高質(zhì)量、更寬的應用領域和更穩(wěn)定高效的工藝發(fā)展。同時一些激光微鉆孔工藝本身存在的諸如重鑄層、微裂紋等影響微鉆孔質(zhì)量的技術問題也亟待解決[23-27]。未來激光微鉆孔技術將有以下發(fā)展趨勢。

（1） 擁有更高精度的激光微鉆孔工藝平臺的研發(fā)

面對日益增長的激光微鉆孔工藝的加工需求和應用范圍，在未來要進行激光微鉆孔工藝平臺的研發(fā)，提升工藝平臺的穩(wěn)定性、精度。開發(fā)適用于不同工藝要求和加工材料的激光微鉆孔工藝平臺，進一步擴大激光微鉆孔技術的應用范圍[28]。

（2） 優(yōu)化微孔深徑比

微孔深徑比意為微孔結(jié)構(gòu)中深度與直徑的比值，優(yōu)化微孔深徑比的工作可以從加深打孔深度和縮小微孔孔徑兩個方向開展。在未來通過探索新的微鉆孔加工方式，或激光參數(shù)組合等方法，優(yōu)化激光微鉆孔的深徑比[29]。

（3） 提升激光微鉆孔工藝質(zhì)量

可以通過采用飛秒激光或在微鉆孔作業(yè)時添加不同的輔助技術來減小重鑄層和微裂紋等缺陷對微鉆孔結(jié)構(gòu)的影響，提升工藝質(zhì)量。

（4） 提升鉆孔速度

行業(yè)的發(fā)展會導致越來越多微孔陣列結(jié)構(gòu)的需求增多，其陣列的微孔數(shù)目也會越來越多。如航空零部件上對微孔陣列的數(shù)量要求就有上萬到幾百萬個（助力燃燒室的零件需要4萬個激光微鉆孔[30]）。要進一步提升激光微鉆孔技術的加工速以滿足超大微孔陣列的加工需求。

7 結(jié)束語

本文從激光加工技術和激光微鉆孔加工技術進行綜述，闡述了激光加工技術的優(yōu)勢以及激光微鉆孔加工技術的原理、發(fā)展歷程和應用途徑。在加工原理部分詳細闡述了激光微鉆孔工藝過程中激光和物質(zhì)的作用方式，對激光微鉆孔加工技術的主流研究突破方向和未來發(fā)展進趨勢進行了展望。

本文認為，激光微鉆孔工藝除了在上述領域能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、高可靠性的鉆孔。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)、工藝平臺、激光器的類型和激光參數(shù)，可以將激光微鉆孔技術向更為廣泛的領域進行推廣。同時鐳通激光將繼續(xù)致力于激光微鉆孔工藝設備和工藝水平的提高，同時配合開發(fā)應用于不同加工場景、加工要求的激光微鉆孔工藝平臺。

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第一作者簡介：馮廣智（1984-），黑龍江人，碩士研究生，工程師，研究領域為激光微納加工制造。

（編輯：刁少華）