CN101511525B - 用于形成超薄表面的组合电化学和激光微加工法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在导电材料中制造超薄部分的方法，其包括：首先通过电化学法去除材料，直至材料厚度约为10至20微米；其次通过激光微加工法进一步去除材料，直至材料厚度约为1至5微米。通过结合这两种方法，能够通过电化学法快速去除相当数量的材料。该电化学法的精度和准确度不足以单独依靠和利用该方法形成超薄部分或者半透明部分。然而，通过用电化学法去除材料直至厚度约为10至12微米，提供了充足的余地，因此该电化学法可被控制成满足在此第一腔的底部留有一定的材料厚度。然后通过在激光微加工法中应用激光技术，可以相对较快地使剩余材料降至预定水平，例如1至5微米，因此实现一种相对较快的用于在导电材料上制造这些超薄部分的方法。同时公开了通过该具有新颖性和创造性的方法制造的金属结构。

Description

用于形成超薄表面的组合电化学和激光微加工法

技术领域

本发明涉及用于在导电材料中制造超薄部分的方法。 

背景技术

在本领域，已经建议且特别地由同一申请人的公开号为WO2004/077388的在先专利申请建议形成这样的板，其中一个表面(即用户界面)看上去没有标记，而在背面设有盲孔(盲孔)以便能够透过这些盲孔发光，由此面板的正面将显示符号或者可以与显示单元进行相互作用的区域。此现有技术文献还描述一种制造方法，其中紫外激基飞秒激光被用来在某一区域上近似1毫米接1毫米地形成多个点，其中在所述区域上，腔底部(即，各薄部)的半透明度为0.1％。 

然而，该方法在形成点网格时非常有效，其中所述点网格一起在通过这种方式生产的面板的正面上构成符号，但是这种生产方法极其费时，因为激光加工极其费时，虽然它非常精确。 

因此，本发明的目标是提供一种以比WO2004/077388公开的方法更快和更合理且因此更经济的方式通常在金属、但特别地在任何导电材料上制造超薄部分的方法。 

发明内容

本发明通过提供一种用于在导电材料上制造超薄部分的方法来解决这个问题，其中所述方法包括： 

-首先，通过电化学法去除材料，直至材料厚度约为10至20微米； 

-其次，通过激光微加工法去除更多材料，直至材料厚度约为1至5 微米。 

通过结合这两种方法，可以通过电化学法快速地去除大量的材料。电化学法的精度和准确度不足以单独依靠和利用该方法形成超薄部分或者半透明部分。然而，通过用电化学法去除材料直至厚度约为10至12微米，提供了充足的余量，因此该电化学法可被控制成满足在此第一腔的底部留有材料厚度。然后通过在激光微加工法中应用激光技术，可以相对较快地使剩余材料降至预定水平，例如1至5微米，因此实现一种相对较快的用于在导电材料上制造这些超薄部分的方法。 

在本发明的另一有利实施例中，电化学法是一种受控的阳极溶解法，其中所述材料为阳极而具有远端的工具充当阴极，以便在阳极和阴极之间形成反应槽，且通过工具中的导管将含有电解液的盐引入反应槽中。 

可以通过控制工具(即阴极)的馈给来实现对电化学法的控制。根据导电材料来选择电解液。下面将列出与材料相配的电解液的实例。 

为了控制电化学方法，应该使尽可能多的参数保持不变。因此，在另一有利实施例中，通过导管将电解液送入反应槽中，并且阳极和阴极之间的距离在溶解过程中保持基本不变。 

在这种方式下，且特别地在电压、电流和电流密度保持基本不变时，工具对通过电化学法形成的腔中的馈给和电解液的流量将确定通过该工具形成孔洞的速度。 

在实例中，工具(即阳极)具有直径约为1毫米的远端。这又在导电材料中形成直径在1.5毫米至2.5毫米之间的孔洞，其中所述变化是由电流电压、电流密度和电解液引起的。因此，通过保持阳极和阴极之间的距离不变、即连续地将阳极馈给到材料中的孔洞，获得一种基本连续且相对快速的方法。 

在另一有利实施例中，工具的横截面大致对应所得到的超薄部分的面积，且其中所述工具大致为柱形，外侧的柱形部分设置有非导电性涂层。 

正如在上文中关于阴极远端和所得到的孔洞的直径进行讨论的那样，可通过进一步地在阳极外部给阳极涂覆非导电层以使电化学过程将只发生 在工具的远端处来使该孔/洞的范围最小。在存在该涂层的情况下，非导电涂层将阳极与阴极隔开，而如果没有该涂层，电化学过程将发生在该工具的侧面，从而形成孔洞，其中所述孔洞不具有轮廓分明的横截面和/或因材料中的不均匀性而具有不均匀的横截面。 

一旦该电化学过程已将材料厚度减至约20或10微米，则将该材料预备好用于进一步加工以用于形成半透明的超薄部分，激光微加工过程由发射超短激光脉冲的高功率激光装置来执行，其中脉冲长度在150飞秒至15皮秒之间，优选为1皮秒。 

脉冲长度(即，使用发射150飞秒或15皮秒的脉冲长度的、还是介于其间的脉冲长度的装置)取决于激光装置的类型、激光的强度、激光的重复率以及激光的工作模式。 

在另一有利实施例中，激光被控制在扫描模式下，且按照预定图形对超薄部分的指定区域进行扫描。 

在扫描模式下，能够使激光在某一区域内按照斜线或者圆作往复运动，其中在所述区域内需要使腔变薄成超薄部分。通常，腔的直径在100μm至120μm之间，所述尺寸粗略地对应于LCD屏幕中的一个像素的尺寸。 

通常，激光束具有高斯形状的能量分布曲线，因此如果将能量分布曲线的横截面放大，它将具有这样的形状，即分布曲线的宽度将包括大致处于宽度截面中间的顶端，因而将形成具有倾斜侧面的腔。为了对此进行补偿，可以对激光束进行处理以使其获得所谓的礼帽(礼帽形)形状，其中使激光束通过光束整形光学元件以形成均匀的激光束形状，或者可选地，使用激基式激光。 

使用光束整形光学元件的优点是：通过将激光束从高斯分布曲线整形为近似礼帽形分布曲线，激光束的较大区域将处于同一水平，因此将获得更为均匀的表面处理。激光束的整形原理可以如同在IBM AlmadenResearch Center的C.Michael Jefferson和John A.Hoffnagel的“Asphericlaser-beam re-shaper applications guide”中描述的那样实现。 

当使用激光束时，特别地当激光束已再整形时，激光束的开孔或冲击 模式被发现是有利的，因为由各激光脉冲去除的材料量得到精确定义，且因此能够非常精确地引导和控制激光束以形成在孔洞底部留有超薄部分的腔。 

在另一有利实施例中，在材料的正在进行激光加工的那侧的相反侧上设置光检测器，其中所述光检测器被预编程为在检测到某预定亮度时切断激光装置(去除材料的激光)。 

在另一有利实施例中，光束(例如激光束)被引入超薄部分，且在材料的正在进行激光加工的那侧的相反侧上设置光检测器，其中所述光检测器被预编程为在检测到某预定亮度时切断激光装置(去除材料的激光)。该光束可以是具有与工作激光不同的特征的另一第二激光装置，或者是工作激光。 

形成超薄部分的目标是在另外均匀的表面上提供半透明部分，以便当从背面在材料中加工出超薄部分时，所述材料的正面将看上去未出现任何变化。当光源被设置在超薄部分后面且从所述光源中发出光时，半透明的超薄部分将向用户显示任何需要或想要的输入。因此，为了控制超薄部分的厚度，光源(例如激光束)可以和加工激光束一起从背面引入腔，其中所述光源被设置成与位于材料正面的光检测器相配合，以便在光检测器检测到特定亮度时，足够薄的超薄部分形成且加工激光束可以被切断。通过控制光检测器和调节其灵敏度，能够通过这种方式有效控制超薄部分中的材料厚度。如上所述，超薄部分中的平均材料厚度通常为1至5微米。当然，这取决于应用这种方法的材料，但对于大多数金属材料而言，这将足以从材料正面可视地保留表面的完整性。另外，就铝而言，将在该表面上形成阳极化层以使超薄部分中的总厚度约为1至20微米。然而，重要的是：在半透明区域中，剩余金属的材料厚度小于20纳米。 

在本发明的另一有利实施例中，通过电化学法形成第一腔，在所述第一腔内部，通过激光微加工法形成多个第二腔，其中光可透过所述第二腔，并且其中在第一腔(pr first cavity)中具有20至200个第二腔，更优选地在第一腔内具有50至150个第二腔，最优选地在第一腔内具有90至110 个第二腔。 

如上所述，由激光束形成的腔的直径约为100至120μm，其粗略地等于LCD显示器上的像素尺寸。为了能够在光源透过超薄部分发光时形成点或符号，需要第二腔的阵列以便从正面观察该经过处理的材料的用户能够识别出得到充分照明的点或符号，其中单个微小像素是不够的。 

上述电化学法能够形成足够大的第一腔，即通过电化学法去除大部分材料，直至达到已在上文中解释过的腔的安全深度。在此腔内，能够用激光束形成第二腔的阵列以形成所需要的超薄表面的图形，所述图形是点、符号、字母或者其它需要的图形。通过选择具有所需横截面的阳极，可以在一个连续过程中形成所需要的第一腔的横截面，因此通过激光束形成最终的超薄表面。阳极也可以发生移动以形成更长的第一腔。 

作为实例，超薄部分形成在基于铝的材料中，其中材料厚度约为0.5至1毫米或者2毫米。如上文所描述的那样开始电化学过程，其中电解液可以是硝酸钠(NaNO₃)的水溶液，其浓度为每升100g。电压选为8V，因此电流密度将在1至1.3A/mm²的区间内。通常，阳极将每秒钟向材料推进0.0125毫米。当电化学加工达到所需深度(即，腔底部处的材料厚度为10至20微米)时，电化学加工中断，电解液被去除并且继续进行激光微加工。通常，为从10至20微米降至1至5微米，激光微加工法在每个孔洞上花费不到1秒的时间，由于激光必须依次工作(即一次一个腔)且激光束需要在各个腔之间进行重新定位，因此形成阵列形式的多个腔需要花费一定的时间。然而，这要比仅使用激光快得多，且要比单独的电化学加工精确的多。 

通常，扫描模式下的激光的工作强度为8mW至200mW，其中脉冲长度在6KHz下保持为150飞秒，波长为775nm。可选的是，工作强度为100mW至1W，在30至100kHz下的脉冲长度为10皮秒，且波长为1064nm。在其它模式下(即打孔或冲击)，该过程在1W的强度下实施，其中脉冲长度在6kHz下为150飞秒，且其波长与扫描模式下的波长一样。 

附图说明

图1示出了电化学加工法； 

图2示出了高斯激光和礼帽形激光的理论强度分布； 

图3示出了用于激光微加工的示意性装置；以及 

图4示出了通过组合法获得的成品。 

具体实施方式

作为本发明范围的两种方法的组合提供了胜于这两个方法中的任何单独一个的多个优点，且消除了一些在单个方法中具有的缺点。如参见图1所解释的那样，电化学微加工溶解材料，通过受控的阳极电化学溶解法在所述材料中形成盲孔，其中，在所述溶解法中，工件1是阳极，工具2是阴极。该方法还需要电解液3从而形成电解槽，以便能够在阳极1和阴极2之间发生电解过程。通过这种方式，通过如箭头4所指示的那样进一步将阴极送入材料1中能够使该材料发生溶解，正如图1的右手侧所示那样。电解液3一般通过设置在工具内部的导管5馈入。通过进一步给工具涂覆6非导电性涂层，确保在工具的远端10发生电解过程。 

电解液通常是盐的水溶液。可以使用氯化钠或者硝酸钠以及硝酸钾，但是发现在使用硝酸钠(NaNO₃)时结果最好。电解过程通过在低电压下将具有相对高的电流密度的电流引入工件1和工具2之间来驱动。由此，该阳极-阴极法将通过除镀反应将金属溶解成金属离子。金属离子将与OH-反应，并且形成氢氧化物的反应产物。在通过导管5将电解液连续馈入工件中时，电解液和反应产物将被移出。通过这种方式，工具2的横截面将形成工件1中的盲孔7。 

电解液还用于除去被溶解的金属、由电解过程产生的气体以及将热量带离工作区域。因此，电解液通过工具2中的导管5被连续馈入。由于工具2和工件1之间不存在机械接触，另外，材料去除过程是电化学过程且因此在两者之间不存在接触，所以对工具的硬度、刚度等等没有特别要求，且由于该过程的特性，在工具本身上也基本不会出现磨损。涂层6使得所有的电化学加工发生在工具的远端10处。因此，能够形成近似柱形的孔(即盲孔)，其中这些孔的侧面是平行的，其中在非导电性涂层6的作用下沿工具的轴不发生任何的电化学过程。 

电化学加工持续至由区域8指示的10至20μm的材料厚度。 

然后进行将最后的层加工到1至5μm的厚度的另一过程，关注图2和3。 

在图2中示出了激光束的理论光束形状。用11表示的激光束具有对应高斯形状的分布，这是未经处理的激光束形状。因此，在使用未经处理的激光束时，顶端12处的能量将非常高以致于材料去除的主要部分将发生在该顶端处，且朝向激光束边缘减少。接着，这又意味着激光顶不变且为脉冲形式，因此将得到具有如曲线11所示形状的孔。通过用这种光束按照预定图形进行扫描，光束的顶端12将使孔的底部变平，从而使得能够形成基本平坦的底部。 

然而，通过向激光束应用再整形技术，例如通过让激光束通过具有合适聚焦透镜的一对球面透镜，能够将高斯曲线整形成所谓的礼帽形形状，如标号13所示出的那样。这样一对光束整形透镜的实例是其中一个平凸、而另一个平凹的一对透镜。光束13的特性是：能量水平基本不变且覆盖光束顶部的很大一块区域，从而使得能够同时处理较大的表面。产生光束12或者光束13所需要的能量是一样的。通过进一步增加用于具有礼帽形形状的输出13的功率，能够去除越来越多的材料。根据所需要的激光束的工作模式，这些技术适于根据本发明的方法。 

首先通过电化学加工法、然后通过激光微加工法(采用超短激光脉冲)来形成超薄部分。为此目的，使用如图3所示的示意性装置。加工激光束14被引入设置在扫描头16中的反射镜15。扫描头因此将按照预定图形移动加工激光束，以形成具有所需面积和横截面的超薄部分。 

为了确定何时中断激光微加工，必须非常仔细地监视该进程。实际上，这通过在待处理材料的相对侧上放置光检测器18来实现。当光检测器检测到有预定量的光穿过超薄部分20时，则切断加工激光束14，因而中断进 一步的微加工。通过将另外的激光检测束17引入加工激光束14中、并且在待处理材料的相对侧上放置光检测器18，获得了更好的结果。为了将这两种激光束相互区分开，可以让它们工作在不同波长上并且对光检测器作相应设置。或者，所述另外的激光检测束是连续的，而所述加工束是脉冲。检测系统与加工束同步，且仅在加工束的脉冲之间(例如在加工激光束断开时)对光进行测量。 

聚焦透镜19可以被用来将激光束聚集在特定的点上，正如前面所解释的那样。 

该组合法的结果是首先通过参见图1所解释的电化学法处理工件1，然后切换成参见图3所解释的激光微加工法对工件1进行处理，所述激光微加工法形成参见图4粗略示出的材料。 

首先，通过电化学加工形成盲孔21，此后将电解液和其它污染物清离工件1，然后让工件1受到激光束微加工。该微加工形成盲孔22。通过用激光微加工形成盲孔阵列并且只留下超薄部分20，能够将光源放置在腔21附近并且通过孔22的阵列发光，以便能够透过超薄部分20在工件的未经加工的表面23上提供照明。在未将光引入腔时，前表面看上去未经加工。 

实际上，所述超薄部分20可以在电化学微加工步骤之前被覆盖透明的氧化物层，这在铝为基材时是常见的。 

为了稳定结构，可以用透明的稳定材料(诸如透明的环氧树脂或类似物)填充腔21。对该填充物的唯一要求就是能够让光透过该材料，以便由孔22的阵列形成的半透明区域不受填入该腔的稳定材料阻碍。 

[0049] 上面引用的是发射超短激光脉冲的高功率激光装置。这类装置的非限制性实例通常指飞秒激光器或者皮秒激光器。 

Claims (16)

1.一种用于在导电材料中制造超薄部分的方法，其包括：

首先，通过电化学法去除材料，直至材料厚度为10至20微米；

其次，通过激光微加工法进一步去除材料，直至材料厚度为1至5微米。

2.如权利要求1所述的方法，其中，通过所述电化学法朝向所述导电材料的底部去除材料直至材料厚度为10至20微米，且进一步地，通过所述激光微加工法朝向所述导电材料的底部进一步去除材料，直至材料厚度为1至5微米。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述电化学法是一种受控的阳极溶解法，其中所述材料为阳极，而具有远端的工具用作阴极，以便在阳极和阴极之间形成反应槽，且通过所述工具中的导管将含电解液的盐引入反应槽中。

4.如权利要求3所述的方法，其中通过导管将电解液送入反应槽中，并且所述阳极和阴极之间的距离在溶解过程中保持基本不变。

5.如权利要求3所述的方法，其中，所述工具的横截面大致对应所得到的超薄部分的面积，且其中所述工具大致为柱形，外侧的柱形部分设置有非导电性涂层。

6.如权利要求1所述的方法，其中，由发射激光脉冲的高功率的飞秒激光装置执行激光微加工，其中脉冲长度在150飞秒至15皮秒之间。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述脉冲长度在150飞秒至10皮秒之间。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述脉冲长度为1皮秒。

9.如权利要求6所述的方法，其中，所述激光被控制在扫描模式下，且按照预定图形对超薄部分的希望区域进行扫描。

10.如权利要求6所述的方法，其中，使所述激光束通过光束整形光学元件以形成均匀的激光束形状，或者使用激基式激光。 

11.如权利要求1、2和6-10中任一项所述的方法，其中，在材料的正在进行激光加工的那侧的相反侧上设置光检测器，其中所述光检测器被预编程为在检测到某预定亮度时切断激光装置。

12.如权利要求1、2和6-10中任一项所述的方法，其中，光束被引入所述超薄部分，且其中在材料的正在进行激光加工的那侧的相反侧上设置光检测器，其中所述光检测器被预编程为在检测到某预定亮度时切断激光装置。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述光束为激光束。

14.如权利要求1所述的方法，其中，通过电化学法形成第一腔，在所述第一腔内部，通过激光微加工法形成多个第二腔，其中光可透过所述第二腔，并且其中在第一腔中具有20至200个第二腔。

15.如权利要求14所述的方法，其中在所述第一腔中具有50至150个第二腔。

16.如权利要求14所述的方法，其中在所述第一腔内具有90至110个第二腔。 

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