一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的方法和系统

本发明属于陶瓷加工，具体涉及一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的方法和系统。

背景技术：

1、随着无线电技术的快速发展，在微波和射频等高频段工作的设备以及电路朝着微型化、集成化方向发展。芯片作为设备工作的中枢，在工作过程中会产生大量的热，使得芯片的工作温度升高，严重影响设备的正常运转。目前最有效地方法是提高芯片的散热效率，在芯片封装结构上加工散热结构是主要的方法。

2、氮化铝(aln)陶瓷具有导热系数高、热膨胀系数低、介电常数低和高频下介电损耗低等优点，与beo相比无毒副作用，且与si膨胀系数相近，是理想的电子封装材料。

3、但是由于aln陶瓷的难加工性，目前aln陶瓷加工技术存在一定的局限性，如传统的机械加工容易使aln陶瓷薄层产生裂纹甚至破碎，并且刀具磨损严重，成本较高。

4、基于此，本领域逐渐开始选择无需刀具磨损的激光加工的方式处理aln陶瓷。然而激光加工也具有局限性，以激光-酸铣工艺为例，这种工艺虽然能够在一定程度上提高材料的加工效率，但是在加工过程中需要将aln陶瓷在化学场和激光能量场这两个能量场之间移动，会对材料的形状和精度有一定的影响，从而降低了材料的加工表面质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的方法和系统。采用本发明提供的方法对氮化铝陶瓷进行处理，能够在提高熔融重铸层去除率的同时保持良好的加工表面质量，具有很高的加工效率。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的方法，包括以下步骤：

4、将氮化铝陶瓷浸没于酸液中，在所述氮化铝陶瓷的加工区域的表面形成酸相薄膜，对表面具有所述酸相薄膜的氮化铝陶瓷进行激光扫描。

5、优选地，所述酸液为盐酸和/或硫酸；所述酸液的浓度为4～6mol/l，所述酸液的折射率为1.39～1.51。

6、优选地，所述酸相薄膜的厚度为200～500μm。

7、优选地，进行所述激光扫描时，所述酸液的温度为70～90℃。

8、优选地，所述激光扫描前包括：根据激光焦点位移公式调节激光的聚焦平面。

9、优选地，所述激光焦点位移公式为：δf＝l(1-1/n)；其中，△f为激光焦点移动距离，l为酸相薄膜的厚度，n为酸液的折射率。

10、优选地，所述激光扫描所用激光为纳秒脉冲红外激光；所述激光的功率为18～20w，频率为20khz，扫描速度为10～15mm/s，填充间距为15～20μm，光斑半径为25μm；所述激光扫描的时间为40～60s。

11、优选地，所述激光的分布形式为高斯激光束。

12、本发明提供了一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的系统，包括激光器、激光控制系统、容器、ccd控制系统和ccd显微镜；所述激光器与激光控制系统相连，用于对所述氮化铝陶瓷进行激光扫描；所述容器用于盛放所述酸液；所述ccd控制系统与ccd显微镜相连，用于观察所述氮化铝陶瓷的激光扫描结果。

13、优选地，所述系统还包括加热器；所述加热器用于对所述酸液进行加热。

14、本发明提供了一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的方法，包括以下步骤：将氮化铝陶瓷浸没于酸液中，在所述氮化铝陶瓷的加工区域的表面形成酸相薄膜，对表面具有所述酸相薄膜的氮化铝陶瓷进行激光扫描。本发明利用激光在氮化铝陶瓷表面产生的瞬态高温高压环境，对氮化铝陶瓷进行烧蚀，并且产生等离子体，等离子体的膨胀产生空化气泡，空化气泡不对称坍缩后形成的瞬态微射流会加速加工区域的碎屑以及部分熔融重铸层排出；在酸液的环境中和激光余热的促进作用下，剩余的熔融重铸层(al)发生化学反应(反应式为：2al+6hcl＝2alcl3+3h2(g))，通过与基体的物化特性差异从而被去除。而且，激光在氮化铝陶瓷表面烧蚀分解后形成的等离子体在酸液中冷却后仍旧形成铝单质，这部分单质在酸相薄膜中会被酸液溶解，因此，能够阻止体系中的铝微纳米颗粒的生成，降低了其对脉冲激光光束传播的负面影响(如散射、反射等)。

15、本发明创新性地复合了化学场与激光能量场，在激光烧蚀氮化铝陶瓷的同时通过化学的方式去除熔融重铸层，一方面，避免了加工过程中在激光能量场与化学铣切之间的多次移动导致的形位误差，提高了工件的精度与结构完整性。并且，激光的余热能够促进化学反应速率，进一步提高加工效率；另一方面，又避免了在激光加工时，由于熔融重铸层覆盖在加工区域表面，阻碍激光进一步烧蚀。采用本发明提供的方法对氮化铝陶瓷进行处理，能够在提高熔融重铸层去除率的同时保持良好的加工表面质量，具有很高的加工效率。

技术特征：

1.一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸液为盐酸和/或硫酸；所述酸液的浓度为4～6mol/l，所述酸液的折射率为1.39～1.51。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸相薄膜的厚度为200～500μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述激光扫描时，所述酸液的温度为70～90℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光扫描前包括：根据激光焦点位移公式调节激光的聚焦平面。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光焦点位移公式为：δf＝l(1-1/n)；其中，△f为激光焦点移动距离，l为酸相薄膜的厚度，n为酸液的折射率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光扫描所用激光为纳秒脉冲红外激光；所述激光的功率为18～20w，频率为20khz，扫描速度为10～15mm/s，填充间距为15～20μm，光斑半径为25μm；所述激光扫描的时间为40～60s。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光的分布形式为高斯激光束。

9.一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的系统，包括激光器、激光控制系统、容器、ccd控制系统和ccd显微镜；所述激光器与激光控制系统相连，用于对所述氮化铝陶瓷进行激光扫描；所述容器用于盛放所述酸液；所述ccd控制系统与ccd显微镜相连，用于观察所述氮化铝陶瓷的激光扫描结果。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括加热器；所述加热器用于对所述酸液进行加热。

技术总结
本发明提供了一种酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的方法和系统，属于陶瓷加工技术领域。本发明提供的酸相薄膜辅助激光加工氮化铝陶瓷的方法包括以下步骤：将氮化铝陶瓷浸没于酸液中，在所述氮化铝陶瓷的加工区域的表面形成酸相薄膜，对表面具有所述酸相薄膜的氮化铝陶瓷进行激光扫描。采用本发明提供的方法对氮化铝陶瓷进行处理，能够在提高熔融重铸层去除率的同时保持良好的加工表面质量，具有很高的加工效率。

技术研发人员：陈妮,刘嘉伟,贾益博,肖何,赵俊熠,何宁
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/29