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紅外激光刻蝕機(jī)微熱管復(fù)合激光劃槽的工藝研究

發(fā)布時(shí)間：2019-08-21 來源：元祿光電

微熱管技術(shù)是隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展而興起的一門新技術(shù)，它利用工質(zhì)液體在微小空間內(nèi)的相變過程進(jìn)行熱量傳遞，具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性能和等溫特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍用武器、LED照明、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的電子設(shè)備，已成為現(xiàn)代散熱技術(shù)重要的發(fā)展方向。微熱管的傳熱性能主要取決于管內(nèi)吸液芯的結(jié)構(gòu)，目前吸液芯主要采用燒結(jié)式和溝槽式兩大類。溝槽式微熱管具有壁薄、重量輕、不存在接觸熱阻、熱響應(yīng)快、吸液芯不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，符合電子元器件輕薄短小化的發(fā)展趨勢(shì)，是熱管技術(shù)領(lǐng)域中重要的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。

目前廣泛應(yīng)用于制備微熱管溝槽的方法有旋壓成形法、覆蓋式微溝槽加工法、銅箔折疊焊接法、深反應(yīng)蝕刻法、電火花加工法、電解加工法等，這些方法加工的溝槽表面光滑，為微熱管工質(zhì)回流提供的毛細(xì)壓力不足，難以支持較高的工質(zhì)回流量，限制了溝槽式微熱管的廣泛應(yīng)用。為此，TANG等人提出一種擠壓-犁削成形的方法加工微熱管內(nèi)壁溝槽，生成的擠壓-犁削復(fù)合溝槽由主溝槽和次溝槽組成，主溝槽和次溝槽共同提供毛細(xì)壓力，參與熱流的傳遞過程。實(shí)驗(yàn)研究表明，這種復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)能顯著改善微熱管的傳熱性能。但使用擠壓-犁削法加工微熱管復(fù)合溝槽時(shí)，多齒刀具結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，設(shè)計(jì)、制造困難，翅結(jié)構(gòu)成形機(jī)理復(fù)雜，成形過程難以控制，加工過程產(chǎn)生刀具磨損的同時(shí)會(huì)對(duì)微熱管管壁造成損害。更重要的是，受多齒刀具加工能力的限制，微熱管復(fù)合溝槽的尺寸受限，生成的主溝槽和次溝槽深寬比均較小。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于激光刻蝕設(shè)備微熱管毛細(xì)溝槽已有廣泛的研究。XIE等人采用波長(zhǎng)為1064nm的納秒紅外光纖激光刻蝕機(jī)在微熱管紫銅基板表面進(jìn)行刻槽，加工出深度為100μm、寬度為30μm的毛細(xì)溝槽，該深寬比的微溝槽具有較強(qiáng)的毛細(xì)力。OH等人采用激光濕法刻蝕的方法，將波長(zhǎng)為532nm的全固態(tài)半導(dǎo)體激光器(diode pumped solid-state laser，DPSSL)激光聚焦在浸泡于循環(huán)蝕刻液的不銹鋼基板表面，通過控制激光的掃描路徑刻蝕出所需的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，最終獲得了寬度為15μm、深寬比為10的微溝槽。綜合國(guó)內(nèi)外研究，關(guān)于激光制備微熱管毛細(xì)溝槽的研究主要集中在增大毛細(xì)溝槽的深寬比，從而提高溝槽提供的毛細(xì)壓力。如果激光刻蝕的過程中能形成類似擠壓-犁削法加工的復(fù)合溝槽，將能進(jìn)一步增大微溝槽提供的毛細(xì)壓力。

本文中結(jié)合激光刻蝕技術(shù)和犁削成形法的特點(diǎn)，在激光刻蝕法制備大深寬比毛細(xì)溝槽的基礎(chǔ)上，對(duì)擠壓-犁削法加工的復(fù)合溝槽進(jìn)行改進(jìn)。通過激光刻蝕的方法，在加工出主溝槽的同時(shí)，利用相鄰主溝槽表面之間的相鄰熔凝物形成次溝槽，由此加工出主溝槽和次溝槽寬度小、深寬比大的微米級(jí)復(fù)合溝槽，增加工質(zhì)回流的截面積，降低工質(zhì)的回流阻力，大幅提高毛細(xì)壓力，從而提高微熱管的傳熱性能。此外，借助激光非接觸式加工的特點(diǎn)，不會(huì)對(duì)微熱管管壁造成損害。因此，使用激光刻蝕的方法制備微熱管復(fù)合溝槽是一種可行高效的方案，研究激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽的加工工藝，對(duì)提高溝槽式微熱管的傳熱性能具有重要意義。

1. 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文中所采用的銅基板是為紫銅板，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.99，尺寸為100mm×15mm×1mm。實(shí)驗(yàn)前，用1000目的SiC砂紙將銅基板表面打磨到無明顯劃痕，將銅基板放置在超聲波清洗儀中，依次用去離子水和無水乙醇清洗15min，去除銅基板表面的粉塵和油污，然后用丙酮溶液清洗5min去除銅基板表面的有機(jī)雜質(zhì)，最后用去離子水清洗10min去除殘留在基底表面的物質(zhì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文中所采用的加工設(shè)備是多功能可調(diào)諧脈沖光纖激光刻蝕加工設(shè)備。所用激光器波長(zhǎng)為1064nm；光束質(zhì)量因子M2＜1.5；光斑直徑為30μm；脈沖寬度4ns~200ns可調(diào)；最大輸出功率為20W；最大重復(fù)頻率為1000kHz；最大掃描速率為2000mm/s，如圖 1所示。圖 1a所示為軟件顯示界面；圖 1b所示為激光器控制面板，可以對(duì)激光功率、脈寬、重復(fù)頻率、掃描速率和掃描次數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；圖 1c所示為X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，包括激光頭、工作臺(tái)等。

Figure 1. Processing equipment of pulse fiber laser

為獲得理想的復(fù)合溝槽尺寸及形貌，實(shí)驗(yàn)后需要對(duì)復(fù)合溝槽的形貌進(jìn)行觀測(cè)，獲得復(fù)合溝槽的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)刻蝕結(jié)果進(jìn)行分析。激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)復(fù)合溝槽的3維形貌，并測(cè)量復(fù)合溝槽的幾何尺寸。激光共聚焦顯微鏡的放大倍率為108~17280倍，平均分辨率為120nm，垂直分辨率為0.01μm，可實(shí)現(xiàn)微米和亞微米級(jí)非破壞3-D表面形貌觀察，并進(jìn)行高度、寬度、體積、面積等數(shù)據(jù)的測(cè)量。

1.3 復(fù)合溝槽刻蝕效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)

微熱管的傳熱存在著一系列的工作極限，其中最主要的工作極限為毛細(xì)極限。毛細(xì)極限是指微熱管毛細(xì)溝槽為工質(zhì)液體循環(huán)提供的最大毛細(xì)壓力不足以克服各阻力而導(dǎo)致的傳熱極限。本文中用激光刻蝕法制備的微熱管復(fù)合溝槽，旨在增大毛細(xì)溝槽能提供的最大毛細(xì)壓力，從而提高微熱管的毛細(xì)極限。因此，以復(fù)合溝槽為工質(zhì)液體循環(huán)提供的最大毛細(xì)壓力作為其刻蝕效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光重復(fù)頻率對(duì)復(fù)合溝槽尺寸的影響規(guī)律

選用不同的激光重復(fù)頻率，其余激光工藝參量不變，在微熱管銅基板表面進(jìn)行復(fù)合溝槽的刻蝕。實(shí)驗(yàn)條件為：激光平均功率20W，脈寬100ns，掃描速率200mm/s，掃描次數(shù)20次，掃描間距95μm。使用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量主溝槽和次溝槽的深度和寬度，繪制復(fù)合溝槽的幾何尺寸隨激光重復(fù)頻率的變化曲線，如圖 2所示。

Figure 2. Effect of laser repetition frequency on the size of composite groove

當(dāng)激光重復(fù)頻率在10kHz~40kHz時(shí)，雖然單脈沖能量隨著激光重復(fù)頻率的增大而減小，但激光光斑的重疊率增大，作用在材料上的激光脈沖個(gè)數(shù)增加，導(dǎo)致材料去除率增大，產(chǎn)生氣相材料的比重提高，材料的蒸汽壓力隨之增大，使得氣相材料在噴濺過程中帶走的液相物質(zhì)增多，堆積在主溝槽表面的熔凝物高度和厚度變大，因此主溝槽和次溝槽的深度增加。由于掃描間距不改變，而構(gòu)成次溝槽的熔凝物厚度變大，故相鄰熔凝物間的距離減小，即次溝槽的寬度減小。受激光光斑直徑大小的限制，主溝槽寬度變化不大。

當(dāng)激光重復(fù)頻率增大至50kHz時(shí)，雖然激光光斑的重疊率增大，但此時(shí)單脈沖能量減小到了一定程度，材料的去除率降低，材料的蒸汽壓力下降，噴濺堆積在主溝槽表面的熔凝物高度和厚度均減小。此外，由于激光重復(fù)頻率增加，相鄰脈沖的間隔時(shí)間縮短，當(dāng)前一個(gè)脈沖產(chǎn)生的等離子體和氣相物質(zhì)尚未從溝槽中完全排除時(shí)，下一個(gè)脈沖就已經(jīng)開始作用在材料上，上一個(gè)脈沖未排完的等離子體和氣相物質(zhì)就會(huì)吸收其中的一部分能量，增加了激光能量的損耗，也會(huì)影響復(fù)合溝槽的幾何尺寸。因此，主溝槽和次溝槽的深度減小，次溝槽的寬度增大。

當(dāng)激光重復(fù)頻率繼續(xù)增大至60kHz時(shí)，此時(shí)由于單脈沖能量過小，激光能量密度低于材料的損壞閾值，故達(dá)不到去除材料的效果。

利用公式計(jì)算不同激光重復(fù)頻率下制備的微熱管復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力，如表 1所示(其中σ為微熱管工質(zhì)液體的表面張力系數(shù)，隨微熱管的工作溫度變化)。由表 1可知，當(dāng)激光重復(fù)頻率為40kHz時(shí)，微熱管復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力較大。

Table 1. Maximum capillary pressure of composite groove under different laser repetition frequency

2.2 激光掃描速率對(duì)復(fù)合溝槽尺寸形貌的影響規(guī)律

掃描速率為50mm/s~300mm/s時(shí)，在微熱管銅基板表面進(jìn)行復(fù)合溝槽的刻蝕。實(shí)驗(yàn)條件為：激光平均功率20W，脈寬100ns，重復(fù)頻率40kHz，掃描次數(shù)20次，掃描間距95μm。使用激光共聚焦顯微鏡觀察不同激光掃描速率下復(fù)合溝槽的形貌，如圖 3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光掃描速率為50mm/s時(shí)，無法加工出復(fù)合溝槽，如圖 3a所示; 當(dāng)激光掃描速率不小于100mm/s時(shí)，復(fù)合溝槽形貌良好，如圖 3b所示。

Figure 3. Effect of laser scanning velocity on the morphology of composite groove

當(dāng)激光掃描速率為50mm/s時(shí)，輻照區(qū)域內(nèi)材料接收到的脈沖個(gè)數(shù)過多，較大的激光能量使得材料表面發(fā)生劇烈的熔化汽化現(xiàn)象，過量的熔凝物噴濺堆積在主溝槽表面，不利于形成次溝槽。當(dāng)激光掃描速率不小于100mm/s時(shí)，熔化汽化作用減弱，堆積在主溝槽表面的熔凝物減少，此時(shí)可形成次溝槽。

使用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量主溝槽和次溝槽的深度和寬度，繪制復(fù)合溝槽的幾何尺寸隨激光掃描速率的變化曲線，如圖 4所示。

Figure 4. Effect of laser scanning velocity on the size of composite groove

當(dāng)激光掃描速率為100mm/s時(shí)，熔化汽化作用仍較強(qiáng)，噴濺堆積在主溝槽表面的熔融物較多，造成次溝槽的寬度較小。由于熱累積效應(yīng)明顯，重新回流到主溝槽內(nèi)的熔融物較多，因此主溝槽和次溝槽的深度均較小。當(dāng)激光掃描速率增大至150mm/s以上時(shí)，輻照區(qū)域內(nèi)材料吸收的激光能量減少，材料的去除率降低，因此主溝槽深度減小。此時(shí)熔化汽化作用減弱，噴濺堆積在主溝槽表面的熔凝物減少，熔凝物高度、厚度相應(yīng)減小，因此次溝槽深度減小、寬度增大。受激光光斑直徑的限制，主溝槽寬度變化不大。

利用公式計(jì)算不同激光重復(fù)頻率下制備的微熱管復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力，如表 2所示。由表 2可知，當(dāng)激光掃描速率為150mm/s時(shí)，微熱管復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力較大。

Table 2. Maximum capillary pressure of composite groove under different laser repetition frequency

2.3 激光掃描次數(shù)對(duì)復(fù)合溝槽尺寸形貌的影響規(guī)律

研究不同激光掃描次數(shù)對(duì)復(fù)合溝槽尺寸形貌的影響規(guī)律，只改變激光掃描次數(shù)，進(jìn)行激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽的單因素實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：激光平均功率20W，脈寬100ns，重復(fù)頻率40kHz，掃描速率150mm/s，掃描間距95μm。使用激光共聚焦顯微鏡觀察不同激光掃描次數(shù)下復(fù)合溝槽的形貌，如圖 5所示。

Figure 5. Effect of laser scanning times on the morphology of composite groove

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)激光掃描次數(shù)小于等于30次時(shí)，復(fù)合溝槽形貌良好，如圖 5a所示。當(dāng)激光掃描次數(shù)大于35次時(shí)，主溝槽表面兩端的熔凝物會(huì)出現(xiàn)“一高一低”的現(xiàn)象，無法形成次溝槽，如圖 5b所示。原因在于：激光掃描次數(shù)過多時(shí)，材料吸收的激光能量較多，熱累積效應(yīng)明顯，熱影響區(qū)較大。沿激光掃描方向，加工下一條主溝槽時(shí)的熱影響區(qū)覆蓋了上一條主溝槽較近一端的熔凝物，使其重新熔化后回流到主溝槽中，因此出現(xiàn)“一高一低”的現(xiàn)象。

圖 6所示為1064nm紅外光纖激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽后，主溝槽和次溝槽的幾何尺寸隨激光掃描次數(shù)的變化規(guī)律曲線。

Figure 6. Effect of laser scanning times on the size of composite groove

當(dāng)激光掃描次數(shù)在10次~25次時(shí)，隨著激光掃描次數(shù)增加，輻照區(qū)域內(nèi)材料接收到的激光能量增多，材料的去除率提高，熔化汽化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致堆積在主溝槽表面的熔凝物高度和厚度變大，因此主溝槽和次溝槽的深度增加，次溝槽的寬度減小。由于激光掃描次數(shù)的改變并不改變單脈沖能量和激光光斑直徑的大小，所以主溝槽的寬度變化不大。

主溝槽的深度并不會(huì)隨激光掃描次數(shù)的增加而無限增大，將到達(dá)一定極限。當(dāng)激光掃描次數(shù)增大至30次時(shí)，造成深度極限的原因可能有以下幾點(diǎn)：(1)由于激光掃描過程焦點(diǎn)位置不移動(dòng)，激光到達(dá)主溝槽底部時(shí)的光斑直徑較大，較低的激光能量密度不足以引起對(duì)材料的刻蝕；(2)隨著刻蝕過程的進(jìn)行，主溝槽的深度已達(dá)一定程度，溝槽底部產(chǎn)生的熔融物排除難度增大；(3)隨著激光掃描次數(shù)的增加，熱影響區(qū)增大，主溝槽表面的熔凝物重新熔化后回流到主溝槽內(nèi)，造成主溝槽和次溝槽的深度減小，次溝槽寬度增大。

當(dāng)激光掃描次數(shù)大于35次時(shí)，主溝槽表面兩端的熔凝物會(huì)出現(xiàn)“一高一低”的現(xiàn)象，無法形成次溝槽。

計(jì)算不同激光掃描次數(shù)下制備的微熱管復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力，如表 3所示。由表 3可知，當(dāng)激光掃描次數(shù)為25次時(shí)，微熱管復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力較大。

Table 3. Maximum capillary pressure of composite groove under different laser scanning times

3. 結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)法研究了不同激光工藝參量(激光重復(fù)頻率、掃描速率、掃描次數(shù))對(duì)1064nm紅外光纖激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽尺寸及形貌的影響規(guī)律。

(1) 當(dāng)激光重復(fù)頻率為10kHz~50kHz時(shí)，隨著激光重復(fù)頻率的增加，主溝槽的深度先增大后減小，寬度變化不大；次溝槽的深度先增大后減小，寬度先減小后增大。當(dāng)激光重復(fù)頻率為60kHz時(shí)，激光對(duì)材料起不到刻蝕的效果。激光重復(fù)頻率增大，單脈沖能量減小，但光斑重疊率變大，熔化汽化作用增強(qiáng)；激光重復(fù)頻率過大時(shí)，單脈沖能量過小，刻蝕效果減弱。當(dāng)激光重復(fù)頻率為40kHz時(shí)，復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力較大。

(2) 當(dāng)激光掃描速率為50mm/s時(shí)，無法加工出復(fù)合溝槽。隨著激光掃描速率的增加，主溝槽深度先增大后減小，寬度變化不大；次溝槽深度先增大后減小，寬度增大。當(dāng)激光掃描速率過小時(shí)，熱累積效應(yīng)明顯，熔凝物堆積嚴(yán)重，且存在熔融物回流的現(xiàn)象，不利于次溝槽的形成和主溝槽深度的提高；激光掃描速率增大，輻照區(qū)域內(nèi)材料接收的脈沖個(gè)數(shù)減少，熔化汽化作用減弱。當(dāng)激光掃描速率為150mm/s時(shí)，復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力較大。

(3) 當(dāng)激光掃描次數(shù)為10次~30次時(shí)，隨著激光掃描次數(shù)增加，主溝槽深度先增大后減小，寬度變化不大；次溝槽深度先增大后減小，寬度先減小后增大。當(dāng)激光掃描次數(shù)大于35次時(shí)，會(huì)出現(xiàn)主溝槽表面兩端熔凝物“一高一低”的現(xiàn)象，無法形成次溝槽。激光掃描次數(shù)增加，材料吸收的激光能量增多，熔化汽化作用增強(qiáng)，但也存在深度極限。激光掃描次數(shù)過多時(shí)，熱影響區(qū)過大，熔融物回流的現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于次溝槽的形成。當(dāng)激光掃描次數(shù)為25次時(shí)，復(fù)合溝槽提供的最大毛細(xì)壓力較大。元祿光電www.yixao.cn

推薦設(shè)備：激光刻蝕機(jī)