[01322905]飞秒激光与压力热扩散焊制备三维微电极关键工艺技术研究

随着微机电系统（MEMS）和微光机电系统（MOEMS）的发展和应用,微型制件已广泛应用于微电子、精密机械、生物医疗以及航空航天等领域。与传统的机械制件相比,微型制件的尺寸通常在微米量级且重量较轻,因此很难用普通的加工方法对其进行加工。随着各国学者对该领域的研究,出现了一系列面向微型制件的微细加工技术：LIGA/UV-LIGA技术、微细电火花加工技术以及飞秒激光微细加工技术等。 飞秒激光凭借其固有的超短和超强特性,较传统长脉冲激光在微细加工方面具有许多不可比拟的独特优势：能量密度高、烧蚀阈值确定、热影响区小、加工材料广泛等。由于飞秒激光超短的脉冲作用时间及其与金属材料独特的相互作用机制,飞秒激光的金属加工能够克服常规机械加工方法的缺陷,实现金属材料的高质量“冷烧蚀“加工。飞秒激光主要通过双光子成型和直接烧蚀制备三维微结构：飞秒激光双光子微细加工技术以激光立体造型技术（SLA）为基础通过双光子吸收加工各种复杂的三维微结构,但是该技术的使用范围仅局限于光聚合树脂类材料;通过飞秒激光的层层烧蚀可以在金属材料上制备三维金属微结构,但是由于激光聚焦的限制,该技术所加工的三维微结构深度受到限制并且加工效率较低。 微细电火花加工是微细加工技术的一种,该技术可以加工各种超硬、脆材料（如硬质合金和淬火钢）,并且在加工过程中的宏观切削力很小,因此微细电火花加工非常适合微小零件（尤其是微型腔模具）的制备。由于三维微电极制备困难,因此微细电火花加工技术通常采用具有简单截面形状的微细电极进行逐层扫描放电加工三维微型腔结构。该加工方法可以加工各种复杂的三维微结构但同样存在微细电极损耗严重,三维微结构加工效率较低等缺点,其中微结构加工效率低则是制约该技术工业化应用的主要瓶颈。如果采用三维微电极进行微细电火花加工,则仅需进行上下往返式的加工便可获得三维微型腔结构,这将大大提高三维微细电火花的加工效率。三维微电极在微细电火花加工过程中也会产生损耗,而采用一组三维微电极在保证定位精度的前提下逐个依序对三维微型腔进行粗、精加工,则将会从根本上减小电极损耗对微型腔加工精度的不利影响。 综上所述,基于飞秒激光微细加工技术,开展三维微电极成形方法的研究,并将其应用到微细电火花加工中,对提高三维微细电火花加工效率和促进微细电火花加工的工业化进程具有重要意义。 针对飞秒激光微细加工技术和微细电火花加工的技术瓶颈,《飞秒激光与压力热扩散焊制备三维微电极关键工艺技术研究》首次提出采用飞秒激光切割结合真空压力热扩散焊（Micro Double-staged Laminated Object Manufacturing,简称Micro-DLOM）组合制备三维微电极并将其应用于微细电火花加工,以此减小电极损耗并提高三维微结构的加工效率。项目以快速成型工艺的分层实体制造工艺为基础,其技术要点主要包含三方面： ①通过飞秒激光切割铜箔获得多层铜箔二维微结构; ②通过真空压力热扩散焊,将多层铜箔二维微结构进行叠加拟合从而获得三维微电极; ③将三维微电极应用于微细电火花加工从而高效地制备出三维微结构。飞秒激光微细切割是三维微电极制备的硬件基础,是保证三维微电极尺寸精度的根本,将三维微电极应用于微细电火花加工则是本项目研究的意义所在。 三维微电极制备分为飞秒激光切割和真空压力热扩散焊两个工位。在飞秒激光切割工位,聚焦后的飞秒激光（光斑直径仅1.5μm）对铜箔进行精密切割从而获得尺寸精度和边缘质量均较高的多层铜箔二位微结构;在真空压力热扩散焊工位,将多层铜箔二维微结构放置到真空热处理炉中进行热扩散焊从而叠加拟合出三维微电极。Micro-DLOM工艺所制备的三维微电极尺寸范围在100μm～1000μm,该工艺制备出的三维微电极尺寸精度可达±2μm,通过三维微电极电火花加工出的三维微模具尺寸精度可达±5μm,三维微结构的表面粗糙度Ra=0.48μm。