超快激光技术解决微米制造中的热量问题

热量通常总会带来麻烦。毫无疑问，无论是叠层集成电路还是可植入式医疗设备，我们所制造产品的尺寸在不断缩小。微电子领域面临的挑战是：如何通过设计和材料工程，以控制设备运转时产生的热量。在医疗设备领域，热量管理面临的挑战已迫在眉睫。 现在，植入式和离体式医疗设备已经普遍具备细微和精密的特征。该特征要求一种新的制造工具，能够加工出微米级解析度特征，且不会向零件其它部分传递热量。热影响区域(HAZ)不仅危害设备完整性，而且会减低产量，增加昂贵的后处理步骤。 微米制造中热量问题的一个解决方案是超快激光技术，该技术具备独特的革命性功能，能够冷烧蚀任何材料，无论是金属、绝缘体还是聚合物。为了理解超快技术为何能带来如此彻底的进步，有必要详细介绍该技术与连续波(CW)、长脉冲（皮秒及更长）激光技术之间的根本性差异。 连续波激光通过热力学过程进行烧蚀，通过相变或燃烧，对目标晶格进行局部加热。飞秒级脉冲激光则在700至800飞秒脉冲里释放数十微焦的能量。而超快激光聚焦的光斑尺寸范围为30微米至衍射极限，将产生非常高的光强。伴随高光强的是能够引发目标多光子电离化的电场。光致电离将导致等离子体形成，紧接着是目标离子的静电放射。 不过，仅仅将目标离子化是不够的。包括离子化、等离子体形成和库仑爆炸的全部过程所需的时间，必须小于热量扩散至被烧蚀材料体积所需的时间。 简而言之，超快激光的每一脉冲清除材料块的速度必须快于热量由当前位置扩散至相邻材料的速度，有点像三张纸牌游戏。不过，就像人行道上的纸牌游戏一样，这不是魔术窍门，仅仅是甲比乙移动更快的例子。 这指出了为什么激光技术的脉冲持续时间是非常重要的参数，它决定了烧蚀过程是无热的、导热的，还是两者混合。的确，皮秒(10-12秒)甚至纳秒(10-9秒)级脉冲激光能够引发目标多光子电离化。难点在于：较长的脉冲将导致激光传递的热量扩散到整个烧蚀体积，从而进入目标周围的晶格。甚至，2至3皮秒的脉冲由于处理目标的时间足够长，以至于会产生热平衡。总的来说，零件的热扩散会产生热损伤，无论是热影响区、融化区域、重铸，还是渣滓，都改变了微结构。