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熱量通常總會(huì)帶來麻煩。毫無(wú)疑問，無(wú)論是疊層集成電路還是可植入式醫(yī)療設(shè)備，我們所制造產(chǎn)品的尺寸在不斷縮小。微電子領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)是：如何通過設(shè)計(jì)和材料工程，以控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量。在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，熱量管理面臨的挑戰(zhàn)已迫在眉睫。
現(xiàn)在，植入式和離體式醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)普遍具備細(xì)微和精密的特征。該特征要求一種新的制造工具，能夠加工出微米級(jí)解析度特征，且不會(huì)向零件其它部分傳遞熱量。熱影響區(qū)域(HAZ)不僅危害設(shè)備完整性，而且會(huì)減低產(chǎn)量，增加昂貴的后處理步驟。
微米制造中熱量問題的一個(gè)解決方案是超快激光技術(shù)，該技術(shù)具備獨(dú)特的革命性功能，能夠冷燒蝕任何材料，無(wú)論是金屬、絕緣體還是聚合物。為了理解超快技術(shù)為何能帶來如此徹底的進(jìn)步，有必要詳細(xì)介紹該技術(shù)與連續(xù)波(CW)、長(zhǎng)脈沖（皮秒及更長(zhǎng)）激光技術(shù)之間的根本性差異。
連續(xù)波激光通過熱力學(xué)過程進(jìn)行燒蝕，通過相變或燃燒，對(duì)目標(biāo)晶格進(jìn)行局部加熱。飛秒級(jí)脈沖激光則在700至800飛秒脈沖里釋放數(shù)十微焦的能量。而超快激光聚焦的光斑尺寸范圍為30微米至衍射極限，將產(chǎn)生非常高的光強(qiáng)。伴隨高光強(qiáng)的是能夠引發(fā)目標(biāo)多光子電離化的電場(chǎng)。光致電離將導(dǎo)致等離子體形成，緊接著是目標(biāo)離子的靜電放射。
不過，僅僅將目標(biāo)離子化是不夠的。包括離子化、等離子體形成和庫(kù)侖爆炸的全部過程所需的時(shí)間，必須小于熱量擴(kuò)散至被燒蝕材料體積所需的時(shí)間。
簡(jiǎn)而言之，超快激光的每一脈沖清除材料塊的速度必須快于熱量由當(dāng)前位置擴(kuò)散至相鄰材料的速度，有點(diǎn)像三張紙牌游戲。不過，就像人行道上的紙牌游戲一樣，這不是魔術(shù)竅門，僅僅是甲比乙移動(dòng)更快的例子。
這指出了為什么激光技術(shù)的脈沖持續(xù)時(shí)間是非常重要的參數(shù)，它決定了燒蝕過程是無(wú)熱的、導(dǎo)熱的，還是兩者混合。的確，皮秒(10-12秒)甚至納秒(10-9秒)級(jí)脈沖激光能夠引發(fā)目標(biāo)多光子電離化。難點(diǎn)在于：較長(zhǎng)的脈沖將導(dǎo)致激光傳遞的熱量擴(kuò)散到整個(gè)燒蝕體積，從而進(jìn)入目標(biāo)周圍的晶格。甚至，2至3皮秒的脈沖由于處理目標(biāo)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，以至于會(huì)產(chǎn)生熱平衡。總的來說，零件的熱擴(kuò)散會(huì)產(chǎn)生熱損傷，無(wú)論是熱影響區(qū)、融化區(qū)域、重鑄，還是渣滓，都改變了微結(jié)構(gòu)。
在清除大塊頭材料時(shí)，小區(qū)域熱損傷帶來的影響不大。但是，許多應(yīng)用中需要清除細(xì)微、精密的小塊頭材料，對(duì)熱損傷的容忍度極低，甚至零容忍。這給超快技術(shù)帶來了極多的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為超快激光體型大、不可靠、操作難和花費(fèi)大，更適用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)而不是商業(yè)應(yīng)用。
位于美國(guó)加州帕塔魯馬的Raydiance公司已經(jīng)在超快技術(shù)上發(fā)力，其理念是激光必須要具備實(shí)用性、可靠性以及整合進(jìn)現(xiàn)代生產(chǎn)平臺(tái)的能力。在技術(shù)層面上看來，這一理念意味著光纖體系結(jié)構(gòu)、完全嵌入式計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)控制軟件。
值得一提的是，該公司利用Smart Light MD超快技術(shù)的冷燒蝕功能，滿足醫(yī)療設(shè)備、微流體、太陽(yáng)能和消費(fèi)電子行業(yè)中極為苛刻的加工要求。
或許體現(xiàn)冷燒蝕價(jià)值的最有說服力的證明來自于醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。外周、冠狀和神經(jīng)血管支架的制造是體現(xiàn)超快技術(shù)在這一領(lǐng)域進(jìn)步的最好例證。
金屬裸支架一般由不銹鋼、鎳鈦合金或鈷鉻合金等材料制成。這種支架為直徑2到3毫米、長(zhǎng)度8到32毫米的圓柱體。筋厚、筋尺寸以及網(wǎng)狀圖案的整體設(shè)計(jì)隨著應(yīng)用和制造商的不同而差異很大。
傳統(tǒng)上加工這些非常精巧的零件（筋寬通常為80微米）是使用納秒級(jí)脈沖激光。由前文所述可知，這種激光在制造過程中帶來嚴(yán)重的熱量問題，從而導(dǎo)致毛邊、熔渣和重鑄現(xiàn)象。因此，整個(gè)行業(yè)都不得不在后處理步驟上花費(fèi)大量精力、財(cái)力和人力，比如為了清除缺陷而進(jìn)行化學(xué)蝕刻。而且，納秒技術(shù)產(chǎn)生的零件熱影響區(qū)域危害了零件的完整性，進(jìn)而顯著降低加工產(chǎn)量。
圖1、在低倍和高倍掃描式電子顯微鏡下，經(jīng)Smart Light MD加工的鎳鈦合金支架的圖像，筋寬為92微米。可以看出圖中沒有任何熱影響區(qū)域。
超快燒蝕的真正無(wú)熱性質(zhì)讓極精密加工省去了后處理的成本和麻煩。最近，Raydiance公司展示了加工鎳鈦合金支架原型的過程，僅僅需要5分鐘的自來水超聲波清洗后處理過程。圖1的上圖是掃描式電子顯微鏡下的一個(gè)直徑700微米、筋寬約92微米的激光加工(laser oem)支架的圖像，筋厚為127微米。從圖1上圖和放大倍數(shù)更高的掃描式電子顯微鏡圖像（圖1下圖）中可以看到，切割邊緣質(zhì)量非常高，沒有熱影響區(qū)域、熔渣、重鑄和毛邊。
圖2、鎳鈦合金微型支架原型的筋寬約為20微米，筋厚為80微米，下圖是支架筋相交處的放大圖像。
該公司還成功加工更細(xì)微的鎳鈦合金微型支架，筋厚80微米，筋寬約20微米（見圖2）。同樣，Smart Light超快加工不會(huì)有任何熱影響。
如果使用傳統(tǒng)納秒和皮秒級(jí)激光來加工代表支架市場(chǎng)未來的生物可吸收支架，會(huì)有更多的問題。這種支架通常使用了低熔點(diǎn)聚合物，如聚丙醇酸熔化溫度為173至178攝氏度，聚乙醇酸熔化溫度為225至230攝氏度，這些聚合物對(duì)于余熱影響的容忍度甚至比鎳鈦合金和不銹鋼還低。我們初步展示了這些材料的加工。圖3顯示了Smart Light加工的生物可吸收支架。樣品支架的筋寬為80微米，沒有任何熔化或其它熱損傷的痕跡。
圖3、生物可吸收支架原型的筋寬約為80微米，筋厚150微米。
這三個(gè)醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的例子代表了微加工未來更為寬廣的趨勢(shì)。無(wú)論是微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備還是消費(fèi)電子，當(dāng)越來越細(xì)微零件的需求與日俱增，超快激光的冷燒蝕能力在制造中將扮演愈發(fā)重要的角色。例如超快激光在微流體、片上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)、太陽(yáng)能電池隔離、電子顯示器鋼化玻璃加工，以及晶圓切片領(lǐng)域，有潛在無(wú)限的應(yīng)用等。
正如光刻法、化學(xué)蝕刻以及傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖激光蝕刻代替機(jī)械切割一樣，他們也將會(huì)被新興的超快技術(shù)代替。超快技術(shù)具備精密、冷燒蝕的能力，還具備商業(yè)制造環(huán)境所需的堅(jiān)固性和可靠性。此外，軟件控制將促進(jìn)超快技術(shù)與自動(dòng)化工作站和生產(chǎn)線的集成。
本文作者Adam C. Tanous是Raydiance公司的市場(chǎng)總監(jiān)。
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