激光升級金剛石刀具瞄準微電子加工領域

美國西密歇根大學的制造工程學教授JohnPatten博士開發了一種稱為“μ-LAM”的微激光輔助加工技術,該方法將激光與金剛石刀具結合起來,對硅半導體和陶瓷材料進行加熱軟化和切削加工。

JohnPatten介紹說,“這些材料通常都非常脆,如果試圖使它們變形或對其進行加工,它們往往很容易破碎。通過使這些材料軟化,我們就能增大其柔性,使其更易于加工。”

μ-LAM加工裝置集成了一種紅外光纖激光(波長范圍1000～1500nm)。激光束通過一個具有很高光學清晰度的單點金剛石刀具照射到工件上,將工件材料加熱到600℃以上。刀尖圓弧半徑為5μm～5mm的金剛石刀具通過環氧樹脂粘接(適用于毫瓦級激光功率的加工)或焊接/釬焊(適用于1瓦或更大激光功率的加工)的方式,連接到裝在一個鎢或硬質合金殼體中的激光器上。

其他工程技術人員已經嘗試了用各種不同的方法來加工脆性材料(如陶瓷)。其中一種方法是先在爐子中加熱工件,然后再對其進行加工;另一種方法是分別采用激光加熱和金剛石刀具切削。而Patten發明的方法是將激光和金剛石刀具集成到一起,因此具有明顯優勢。他解釋說：“事情變得更簡單,因為激光與刀具本身就是對準的,激光加熱的部位正好就在刀具切削刃處,因此能獲得最好的加工效果。此外,工件材料也不會過度加熱。”

Patten說,μ-LAM加工技術還可以削減加工時間和加工成本,并獲得非常光滑的光學表面。“采用常規加工方法時,如果想要制造一個光學元件(如反射鏡),通常需要從澆鑄工件毛坯開始,然后進行一系列加工步驟：粗磨、精磨、研磨,才能最終成形。而我們的加工方法取代了原來的一系列工序,在CNC數控機床上用單點金剛石刀具進行切削,并且也能獲得極好的表面粗糙度(Ra1～10nm)。”

Patten正與一家日本公司合作,爭取實現μ-LAM系統的商業化應用。他預期,這項發明將在一些行業(包括汽車、航空、醫療設備、半導體和光學行業)找到用武之地。他表示：“我們最初的目標是瞄準光學和半導體行業,但現在看來,可能其大部分應用將在高能、高溫微電子設備上。在半導體行業中,硅片是芯片和集成電路的載體,在溫度較高的工作條件下,人們就會使用碳化硅。因此,現在我們的全部精力幾乎都集中在碳化硅的加工上。”