隨著材料技術的發展，先進陶瓷以其良好的性能在航空航天、半導體等領域得到了極其廣泛的應用。但很多陶瓷產品在應用中往往都要先進行相關的微孔加工，比如說在電子封裝領域，就需要有微孔以滿足芯片導通和引腳固定的封裝要求，而要實現元件高度集成和散熱的功能需求，陶瓷基板表面微孔和集群陣列孔的打孔質量至關重要。

陶瓷打孔

然而，先進陶瓷這類高硬脆材料的微孔精密加工一直存在困難，如果采用傳統的加工方式進行微孔加工極易產生裂紋、重鑄層等加工缺陷，甚至造成崩裂，加工致廢率較高。目前，“激光加工”作為新型無接觸加工的技術手段，代替傳統的機械加工進行硬脆陶瓷材料的微孔加工現已成為近年加工制造行業的研究熱點。

使用激光打孔的陶瓷基板加工過程

激光打孔有什么優勢，它又是什么原理以及有哪些加工方式，接下來我們一起看看！

一、激光打孔的優勢

激光加工作為一種新型精密加工方式，憑借其具有高效、高精度以及非接觸式（即無刀具磨損）的加工特點，在以陶瓷材料為代表的高硬度、高脆性、高熔點材料的打孔、切割、焊接等加工技術領域存在顯著優勢。主要如下：

（1）加工效率和精度高，具有大規模生產運用的現實可能。

（2）高能激光束的脈沖時間短，有極高的瞬時峰值功率，作用時間相對較短，加工對象廣泛。

（3）激光加工無需刀具直接接觸材料，無表面應力，加工區域缺陷較少，可以進行較小尺寸、較高難度的精密加工。

（4）激光加工系統極易與信息化數字化技術融合，實現光、電、計算機智能化一體化工作，產業化前景好。

（5）材料利用率高，降低加工成本。

二、激光打孔原理

激光加工陶瓷微孔，去除孔內材料的過程是一個復雜過程，里面包括了多個物理場的耦合作用，以及多個化學反應的同時進行，具體來說激光加工中材料的去除機理分為以下幾個方面。

1、熱效應

激光對材料的去除加工主要是通過熱效應來實現的，它通過輸入熱量，使材料呈現多種不同的物理狀態。

激光材料去除過程的三個階段

激光材料去除過程分為三個階段（如上圖）。首先，激光能量輻射在材料上使材料升溫至熔點熔化，形成熔池。因此熔融狀態的材料具有更高的吸收率，所以熔池接著會進一步加深，同時材料的氣化比例增加，形成了較強的熱應力場。在熱應力場的作用下，熔池中的材料以氣體的形式飛出或者以液體的形式噴濺去除。緊接著進入第二階段，在激光的持續作用下，微孔中的材料被不斷去除，是穩定成型階段。最后是第三階段，持續的激光能量在微孔內以及微孔口誘發產生大量等離子體，這些等離子體對激光產生較強的屏蔽作用，一方面阻止了激光向孔內輻射，另一方面阻止了孔內的氣體和液體材料的排出。

2、力效應

激光去除材料過程中，所產生的溫度場通過使材料溫度升高發生相變，進而產生較為劇烈的熱應力場，對材料的去除起到了至關重要的作用激光作用在被加工材料上，材料受熱氣化后在表面會形成一股高溫高壓的蒸汽團，進而對熔池中的熔融材料產生一股反沖壓力，促使熔池中的材料沿著微孔邊緣排出。

反沖壓力示意圖

3、小孔效應

激光作用在材料上，材料發生相變，在孔內部氣化。反沖壓力將已經熔化的材料噴出，產生小孔。通過對孔內部受力分析，形成小孔的前提條件是孔底氣化材料產生的壓強應該與表面張力、靜水壓力以及流動阻力的合力相等。

三、激光四種打孔方式

在激光打孔中常用的方式根據激光軌跡掃描方式的不同分為兩種，一種是沖擊法打孔，即在打孔過程中工件與激光頭均不發生移動，找到激光焦點后激光持續輻照在被加工材料表面，通過不斷地脈沖能量對微孔進行沖擊材料去除，主要有單脈沖打孔和多脈沖打孔兩大類。

單脈沖打孔是指每個微孔都是由單個脈沖加工而成，多脈沖打孔又稱叩擊打孔，是指每個微孔是由多個脈沖重疊加工而成，每個脈沖作用在被加工表面均會去除一部分材料，使孔逐漸加深，直到微孔完全通透。

另一種是旋切法打孔，即同樣使工件固定不動，將路徑導入到CAD軟件中，從而使激光按照一定的路徑掃描進行材料去除，常用的包括環型掃描打孔和螺旋線掃描打孔。

環形掃描打孔是指多個同心圓掃描打孔，螺旋線掃描打孔是指激光掃描路徑是螺旋線的形狀，具體加工過程是在環形掃描路徑的基礎上加上了半徑方向的進給運動，如下圖所示。

比較：

沖擊法打孔相對于旋切法打孔有更少的加工時間，因此有更高的效率。較小的加工時間代表了較小的熱輸入量，因此微孔質量較差。相對而言，旋切法使用CAD軟件規劃掃描路徑具有更高的靈活性，同時最小的光斑充分發揮了激光器的效率，不僅微孔的圓整度大幅提高，并且可以實現正方形、三角形、多邊形等異形孔的加工。

旋切法中，環形旋切掃描打孔所使用的激光器通常是納秒或毫秒激光器，通過光學棱鏡的旋轉實現光束按照一定軌跡的掃描。由實驗可知這種旋切法打孔相對于沖擊法打孔，孔壁及孔口圓整性有了明顯提升。旋切加工更有機會將孔內部熔融物質排出，因此錐度也有較大提升。孔質量較高，效率也略有降低但仍滿足快速大批量生產的需要。所以說，環形掃描打孔適用于在工業生產中，批量生產質量要求較高的微孔。

螺旋線掃描加工是在旋切加工的基礎上，加入了光斑向環形中心漸進移動，從而實現了螺旋線軌跡的掃描加工。通過實驗結果發現，這種方法與環形旋切法掃描對比來看，精度、圓柱度、錐度等微孔質量方面沒有明顯提升。同時由于加入了光斑的漸進移動，工藝方面變得更加復雜，使效率降低。因此螺旋線掃描打孔相對于環形旋切法掃描打孔而言，不適合工業中的大批量生產。

四、打孔技術關鍵指標

激光打孔后，對于小孔的加工質量需要使用多種量化指標進行評價。常見的指標包括孔的尺寸和形貌。在孔的尺寸方面，主要有兩個方面需要考慮：可直接測量的孔徑尺寸與真圓度以及間接測量的孔錐度。在孔的形貌方面，主要從孔表面形貌和孔側壁形貌考慮。

1、孔的尺寸

1.1.孔徑尺寸

小孔的孔徑是表征其加工能力和精度的最基本參數之一。由于實際加工中小孔形狀多為橢圓形而非完美的圓形，因此一般采用橢圓的最大和最小直徑的平均值來表示小孔的直徑。測量方法可見圖示，在測量入口和出口直徑時，取四個方向上的直徑 d1~d4，相鄰兩個直徑的夾角為45°，然后計算平均值。

孔的尺寸測量

1.2.真圓度

真圓度是用其實際輪廓相對于理想圓的徑向偏移量來表征的。也就是說，它表示了實際輪廓與同一圓心下理論完美圓形之間最大半徑和最小半徑之間的差值。這個差值通常被稱為“離心率”，即橢圓長軸與短軸之間距離除以兩者平均值的比例。

最大最小半徑

1.3.錐度

通孔的入口和出口孔徑一致性好壞可以通過錐度大小來反映。計算錐度時，需要使用下圖公式進行計算，其中 D1 表示入口直徑，D2 表示出口直徑，h為孔深即材料厚度。

孔的錐度測量

2、孔的形貌

在對加工質量進行評價時，需要重點觀察孔的形貌，孔的形貌包括孔的表面形貌和側壁形貌兩個方面。一般可使用數碼顯微鏡系統以及掃描電子顯微鏡（SEM）等設備檢測。

2.1.表面形貌

觀察樣品形貌是為了主要研究孔口是否存在明顯的缺陷，例如崩邊、孔口噴濺物和熔融物堆積等。研究不同加工參數條件下小孔表面是否存在這些缺陷以及缺陷的嚴重程度是優化加工工藝參數的一個重要步驟。

孔的表面形貌缺陷形式圖

2.2.側壁形貌

孔側壁形貌的觀察對于評估激光加工質量非常重要。通常涉及使用切割機或其他裝置將工件沿孔徑一分為二，以確保清晰的視覺觀察，主要關注孔側壁是否存在裂紋、剝落和重熔等缺陷。這些缺陷的存在會影響工件的性能和可靠性。通過觀察并識別這些缺陷，可以幫助加工人員改善激光加工參數，優化加工質量，并提高工件的可靠性和壽命。

孔的側壁形貌缺陷形式圖

資料來源：

王克. 基于準連續激光器的氧化鋁陶瓷薄板激光微孔加工工藝探究[D]. 湖北:華中科技大學,2021.

李思雨. 基于短脈沖激光的陶瓷材料微孔加工技術與質量測評[D]. 陜西:西安工業大學,2023.

王旭,馬盼,王寧,等. 重復頻率對飛秒激光直沖式加工氮化鋁陶瓷盲孔的影響[J]. 輕工機械,2023,41(4):21-27. DOI:10.3969/j.issn.1005-2895.2023.04.003.

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