微水射流导引激光精密打孔过程的流动分析

微水射流导引激光束精密加工是一项世界性的前沿技术,综合了激光加工和水射流切割的优点,具有相当优异的加工性能。本文从工程热物理和流体力学基础出发对此过程中的流动现象进行分析,研究微水射流导引激光束精密打孔的动力学过程,采用有限体积法(Finite Volume Method)建立了描述其间物理过程的数值模型。对打孔过程中熔池内部的流动和传热进行了模拟和分析,得到了不同时刻熔池内的温度和流场分布,计算结果显示:孔刚形成时孔的传播速率要大于停滞区界面的传播速率;随着孔的加深,停滞区界面停止向孔的内部传播。

水射流导引激光在微细加工中的应用

研究应用水射流导引激光技术切割加工半导体材料工艺,并与传统切割工艺进行了比较。用φ25μm的水射流和波长为1 064 nm的钇铝石榴石红外线激光源切割一个φ125μm的砷化镓晶片,典型的切割速度是40 mm/s,切口宽度23μm,切边无碎片和边角损坏。与锯片切割相比,其加工速度高达5倍。实验发现,水射流导引激光切割工件温度在160℃以下,晶圆加工表面基本无碎片、毛刺产生。通过对晶圆切片的3点弯曲进行试验发现,对于125μm厚的硅晶圆而言,在同等切痕宽度的情形下,微水射流导引激光切片断裂强度比锯片切片在正反两面都要高50%左右。结果表明,水射流导引激光切割技术可以大幅提高晶圆加工的效率、质量和可靠性。

微水射流导引激光打孔的传热分析

微水射流导引激光加工是一种热影响区小,具有高加工精度的新型技术。本文基于有限体积法建立了微水射流导引激光束对硅片打孔过程的传热模型,将打孔过程分为三个阶段模拟其间的热量传递、相变过程和相边界的移动;探索了微水射流导引双脉冲激光打孔过程,进行了双脉冲不同延迟时间下的传热过程的数值模拟,得到了最佳延迟时间。结果表明:在初始加热阶段,高温区出现在表面以下区域;微水射流有强冷却作用并明显减小了热影响区;双脉冲激光的应用可以有效提高打孔的效率。