随着材料技术的发展，先进陶瓷以其良好的性能在航空航天、半导体等领域得到了极其广泛的应用。但很多陶瓷产品在应用中往往都要先进行相关的微孔加工，比如说在电子封装领域，就需要有微孔以满足芯片导通和引脚固定的封装要求，而要实现元件高度集成和散热的功能需求，陶瓷基板表面微孔和集群阵列孔的打孔质量至关重要。

陶瓷打孔

然而，先进陶瓷这类高硬脆材料的微孔精密加工一直存在困难，如果采用传统的加工方式进行微孔加工极易产生裂纹、重铸层等加工缺陷，甚至造成崩裂，加工致废率较高。目前，“激光加工”作为新型无接触加工的技术手段，代替传统的机械加工进行硬脆陶瓷材料的微孔加工现已成为近年加工制造行业的研究热点。

使用激光打孔的陶瓷基板加工过程

激光打孔有什么优势，它又是什么原理以及有哪些加工方式，接下来我们一起看看！

一、激光打孔的优势

激光加工作为一种新型精密加工方式，凭借其具有高效、高精度以及非接触式（即无刀具磨损）的加工特点，在以陶瓷材料为代表的高硬度、高脆性、高熔点材料的打孔、切割、焊接等加工技术领域存在显著优势。主要如下：

（1）加工效率和精度高，具有大规模生产运用的现实可能。

（2）高能激光束的脉冲时间短，有极高的瞬时峰值功率，作用时间相对较短，加工对象广泛。

（3）激光加工无需刀具直接接触材料，无表面应力，加工区域缺陷较少，可以进行较小尺寸、较高难度的精密加工。

（4）激光加工系统极易与信息化数字化技术融合，实现光、电、计算机智能化一体化工作，产业化前景好。

（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，去除孔内材料的过程是一个复杂过程，里面包括了多个物理场的耦合作用，以及多个化学反应的同时进行，具体来说激光加工中材料的去除机理分为以下几个方面。

1、热效应

激光对材料的去除加工主要是通过热效应来实现的，它通过输入热量，使材料呈现多种不同的物理状态。

激光材料去除过程的三个阶段

激光材料去除过程分为三个阶段（如上图）。首先，激光能量辐射在材料上使材料升温至熔点熔化，形成熔池。因此熔融状态的材料具有更高的吸收率，所以熔池接着会进一步加深，同时材料的气化比例增加，形成了较强的热应力场。在热应力场的作用下，熔池中的材料以气体的形式飞出或者以液体的形式喷溅去除。紧接着进入第二阶段，在激光的持续作用下，微孔中的材料被不断去除，是稳定成型阶段。最后是第三阶段，持续的激光能量在微孔内以及微孔口诱发产生大量等离子体，这些等离子体对激光产生较强的屏蔽作用，一方面阻止了激光向孔内辐射，另一方面阻止了孔内的气体和液体材料的排出。

2、力效应

激光去除材料过程中，所产生的温度场通过使材料温度升高发生相变，进而产生较为剧烈的热应力场，对材料的去除起到了至关重要的作用激光作用在被加工材料上，材料受热气化后在表面会形成一股高温高压的蒸汽团，进而对熔池中的熔融材料产生一股反冲压力，促使熔池中的材料沿着微孔边缘排出。

反冲压力示意图

3、小孔效应

激光作用在材料上，材料发生相变，在孔内部气化。反冲压力将已经熔化的材料喷出，产生小孔。通过对孔内部受力分析，形成小孔的前提条件是孔底气化材料产生的压强应该与表面张力、静水压力以及流动阻力的合力相等。

三、激光四种打孔方式

在激光打孔中常用的方式根据激光轨迹扫描方式的不同分为两种，一种是冲击法打孔，即在打孔过程中工件与激光头均不发生移动，找到激光焦点后激光持续辐照在被加工材料表面，通过不断地脉冲能量对微孔进行冲击材料去除，主要有单脉冲打孔和多脉冲打孔两大类。

单脉冲打孔是指每个微孔都是由单个脉冲加工而成，多脉冲打孔又称叩击打孔，是指每个微孔是由多个脉冲重叠加工而成，每个脉冲作用在被加工表面均会去除一部分材料，使孔逐渐加深，直到微孔完全通透。

另一种是旋切法打孔，即同样使工件固定不动，将路径导入到CAD软件中，从而使激光按照一定的路径扫描进行材料去除，常用的包括环型扫描打孔和螺旋线扫描打孔。

环形扫描打孔是指多个同心圆扫描打孔，螺旋线扫描打孔是指激光扫描路径是螺旋线的形状，具体加工过程是在环形扫描路径的基础上加上了半径方向的进给运动，如下图所示。

比较：

冲击法打孔相对于旋切法打孔有更少的加工时间，因此有更高的效率。较小的加工时间代表了较小的热输入量，因此微孔质量较差。相对而言，旋切法使用CAD软件规划扫描路径具有更高的灵活性，同时最小的光斑充分发挥了激光器的效率，不仅微孔的圆整度大幅提高，并且可以实现正方形、三角形、多边形等异形孔的加工。

旋切法中，环形旋切扫描打孔所使用的激光器通常是纳秒或毫秒激光器，通过光学棱镜的旋转实现光束按照一定轨迹的扫描。由实验可知这种旋切法打孔相对于冲击法打孔，孔壁及孔口圆整性有了明显提升。旋切加工更有机会将孔内部熔融物质排出，因此锥度也有较大提升。孔质量较高，效率也略有降低但仍满足快速大批量生产的需要。所以说，环形扫描打孔适用于在工业生产中，批量生产质量要求较高的微孔。

螺旋线扫描加工是在旋切加工的基础上，加入了光斑向环形中心渐进移动，从而实现了螺旋线轨迹的扫描加工。通过实验结果发现，这种方法与环形旋切法扫描对比来看，精度、圆柱度、锥度等微孔质量方面没有明显提升。同时由于加入了光斑的渐进移动，工艺方面变得更加复杂，使效率降低。因此螺旋线扫描打孔相对于环形旋切法扫描打孔而言，不适合工业中的大批量生产。

四、打孔技术关键指标

激光打孔后，对于小孔的加工质量需要使用多种量化指标进行评价。常见的指标包括孔的尺寸和形貌。在孔的尺寸方面，主要有两个方面需要考虑：可直接测量的孔径尺寸与真圆度以及间接测量的孔锥度。在孔的形貌方面，主要从孔表面形貌和孔侧壁形貌考虑。

1、孔的尺寸

1.1.孔径尺寸

小孔的孔径是表征其加工能力和精度的最基本参数之一。由于实际加工中小孔形状多为椭圆形而非完美的圆形，因此一般采用椭圆的最大和最小直径的平均值来表示小孔的直径。测量方法可见图示，在测量入口和出口直径时，取四个方向上的直径 d1~d4，相邻两个直径的夹角为45°，然后计算平均值。

孔的尺寸测量

1.2.真圆度

真圆度是用其实际轮廓相对于理想圆的径向偏移量来表征的。也就是说，它表示了实际轮廓与同一圆心下理论完美圆形之间最大半径和最小半径之间的差值。这个差值通常被称为“离心率”，即椭圆长轴与短轴之间距离除以两者平均值的比例。

最大最小半径

1.3.锥度

通孔的入口和出口孔径一致性好坏可以通过锥度大小来反映。计算锥度时，需要使用下图公式进行计算，其中 D1 表示入口直径，D2 表示出口直径，h为孔深即材料厚度。

孔的锥度测量

2、孔的形貌

在对加工质量进行评价时，需要重点观察孔的形貌，孔的形貌包括孔的表面形貌和侧壁形貌两个方面。一般可使用数码显微镜系统以及扫描电子显微镜（SEM）等设备检测。

2.1.表面形貌

观察样品形貌是为了主要研究孔口是否存在明显的缺陷，例如崩边、孔口喷溅物和熔融物堆积等。研究不同加工参数条件下小孔表面是否存在这些缺陷以及缺陷的严重程度是优化加工工艺参数的一个重要步骤。

孔的表面形貌缺陷形式图

2.2.侧壁形貌

孔侧壁形貌的观察对于评估激光加工质量非常重要。通常涉及使用切割机或其他装置将工件沿孔径一分为二，以确保清晰的视觉观察，主要关注孔侧壁是否存在裂纹、剥落和重熔等缺陷。这些缺陷的存在会影响工件的性能和可靠性。通过观察并识别这些缺陷，可以帮助加工人员改善激光加工参数，优化加工质量，并提高工件的可靠性和寿命。

孔的侧壁形貌缺陷形式图

资料来源：

王克. 基于准连续激光器的氧化铝陶瓷薄板激光微孔加工工艺探究[D]. 湖北:华中科技大学,2021.

李思雨. 基于短脉冲激光的陶瓷材料微孔加工技术与质量测评[D]. 陕西:西安工业大学,2023.

王旭,马盼,王宁,等. 重复频率对飞秒激光直冲式加工氮化铝陶瓷盲孔的影响[J]. 轻工机械,2023,41(4):21-27. DOI:10.3969/j.issn.1005-2895.2023.04.003.

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