TW201618879A

TW201618879A - 表面加工方法

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Publication number: TW201618879A
Application number: TW103139756A
Authority: TW
Inventors: 陳園迪; 蔡武融; 劉松河
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2016-06-01
Also published as: TWI577488B

Abstract

一種表面加工方法，至少包括下列步驟：提供雷射加工裝置，雷射加工裝置用以提供相隔一段可調變距離的第一道雷射光及第二道雷射光；沿著加工方向移動雷射加工裝置，其中雷射加工裝置提供第一道雷射光於工件上，工件受到第一道雷射光照射處熔融以形成熔融區，且隨著第一道雷射光的移動，熔融區內的工件材料熱回流並形成凸起結構；以及在凸起結構凝固前，雷射加工裝置提供第二道雷射光於凸起結構上，其中第二道雷射光的強度低於第一道雷射光的強度，以藉由第二道雷射光的光壓將凸起結構壓平。

Description

表面加工方法

本揭露是有關於一種表面加工方法，且特別是有關於一種增加加工表面平坦度的表面加工方法。

模具產業為製造業的基礎，且拋光作業流程的改善為提升模具的生產速度的關鍵一步。拋光作業除了直接影響到模具的品質，此步驟的成本更佔模具製造的30~40%。目前模具拋光主要利用機械或微放電技術再加上人工拋光來降低加工表面的表面粗糙度。然而精微元件(如高亮度LED及IC封裝模具)的尺度越來越小、表面形貌也越來複雜，因此其表面粗糙度的要求也越來越小(如：Ra<200nm)，而傳統機械或人工拋光技術不論在加工品質控制與加工效能上，都無法應付未來精密模具產業的需求。此外，使用人力進行操作拋光作業程序，人工拋光技術的培養及傳承不易，容易造成技術流失。為加速模具產業的發展，建立完整之自動化模具拋光系統勢在必行。

雷射拋光技術為近年來國際研究機構所注目的關鍵技術，被視為下一世代自動化模具拋光系統的主流，其優勢在於可局部控制的加工精度及高產出效能等技術特點。但傳統雷射由於熱影響區大，會在拋光表面層產生重熔層，此重熔層將影響模具表面硬度與特性，且在表面會形成熔融的微凸起結構(如圖1示)，此微凸起結構產生的機制為高低溫差所產生的回流造成，且這些凸起結構成為雷射拋光表面粗糙度難以再提升的主因。

傳統雷射拋光若要達到平坦化，需要進行兩道次雷射製程。第一道製程先將表面的起伏利用雷射熔融或剝除機制加以移除，此時工件的表面粗糙度可降低到數十微米之間，但表面仍呈現帶灰色或略呈白色的狀態，因光線在表面粗糙度數十微米的狀態下將會呈現散射，無法達到亮面的效果。Fraunhofer ILT為了解決此議題，提出兩道製程拋光的手法，如圖2。首先，第一道製程利用長脈衝雷射對材料表面進行平坦化製程，此時表面熔化深度可達100μm，表面粗糙度Ra達0.4~10μm。第一道製程處理完之後，接續再進入另一道製程，以奈秒雷射對於平坦面進行再熔化使工件表面亮澤化效果，表面粗糙度達0.2~0.8μm(200~800nm)。

Fraunhofer ILT之兩道製程拋光後會產生兩層厚度不同之熔融層，如圖2示，且表面仍具有突起結構，Fraunhofer ILT之技術須花費比一般單道次雷射拋光雙倍的時間，增加許多額外的成本，且變質層較厚，緻密度也較差。

本揭露提供一種增加工件表面平坦度的表面加工方法。

本揭露的表面加工方法，至少包括下列步驟：提供雷射加工裝置，所述雷射加工裝置用以提供第一雷射光以及第二雷射光，且所述第一雷射光與所述第二雷射光之間相隔一段可調變距離；沿著加工方向移動所述雷射加工裝置以對工件進行掃描，其中所述雷射加工裝置提供第一道雷射光施加於工件上，所述工件受到所述第一道雷射光照射處熔融以形成熔融區，且隨著所述第一道雷射光的移動，所述熔融區內的工件材料熱回流並形成凸起結構；以及在所述凸起結構凝固前，所述雷射加工裝置提供第二道雷射光施加於所述凸起結構上，其中所述第二道雷射光的強度低於所述第一道雷射光的強度，以藉由所述第二道雷射光的光壓將所述凸起結構壓平。

在本揭露表面加工方法的一實施例中，上述的第一道雷射光的光功率的範圍為30~4000W，且掃描速度範圍為1~200mm/s，而所述第二道雷射光的光功率範圍為0.0001~20W，且掃描速度範圍為1~200mm/s。

在本揭露表面加工方法的一實施例中，上述的第一道雷射光與所述第二道雷射光先後通過工件上相同的一點的時距介於0~200ms之間。

在本揭露表面加工方法的一實施例中，沿著所述第一道雷射光的掃描軌跡，所述熔融區的定義是所述工件材料升溫至熔點以上的區域。

在本揭露表面加工方法的一實施例中，上述的第二道雷射光的脈衝寬度小於1奈秒。

在本揭露表面加工方法的一實施例中，上述的第二道雷射光的能量小於工件的剝除閥值。

在本揭露表面加工方法的一實施例中，上述的第二道雷射光的光斑直徑介於第一道雷射光的光斑直徑的0.8至1.5倍之間。

在本揭露表面加工方法的一實施例中，上述的第二道雷射光的光型為高斯分布或平頂光分布。

基於上述，本揭露表面加工方法利用在同一道製程中對工件表面進行序列式的雷射掃描，其中第一道雷射光使工件表面熔融，且在熔融區形成的凸起結構尚未凝固前利用強度小於第一道雷射光的第二道雷射光所產生的光壓壓平此凸起結構，減低了加工過程中因熱回流所造成的表面粗糙度、增加了工件的表面平坦度，且與一般表面加工方法相比提升了加工後工件的表面的緻密度。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

200‧‧‧雷射加工裝置

210、220‧‧‧雷射光源

230‧‧‧擴束器

240、250、280、282‧‧‧角度可動式反射鏡

260‧‧‧同軸視覺系統

270‧‧‧掃描頭

284‧‧‧物鏡

292、294‧‧‧發散角調整模組

P‧‧‧第一道雷射光以及第二道之間施加在工件的表面上的距離

D‧‧‧第一道雷射光的中心至往後數的第二個凸起結構的中心的距離

d1‧‧‧兩個凸起結構的距離

S100~S120‧‧‧步驟

圖1為習知對工件表面進行表面加工而在工件表面因為熱回流產生凸起結構的示意圖。

圖2為依據Fraunhofer ILT之技術對工件表面進行加工後工件的局部的示意圖。

圖3為本實施例表面加工方法的流程圖。

圖4為施作圖3的表面加工方法的示意圖。

圖5為一種施作此表面加工方法的雷射加工裝置的示意圖。

圖6為另一種施作此表面加工方法的雷射加工裝置的示意圖。

圖7為又一種施作此表面加工方法的雷射加工裝置的示意圖。

圖8為工件表面上形成有週期性的凸起結構的示意圖。

圖9為以本實施例之表面加工方法對工件施行表面加工前、僅施加第一道雷射光後以及有施加第二道雷射光之後的表面粗糙度量測結果的示意圖。

圖10為第二道雷射光的光型為高斯分布的示意圖。

圖11為第二道雷射光的光型為平頂光分布的示意圖。

圖12為對工件施行表面加工製程時，工件表面、第一道雷射光、第二道雷射光與熔融區的示意圖。

下面將參照所附圖式以更全面地敍述本揭露的各實施例。本揭露的各實施例也可表現為許多不同的形態，而不應理解為侷限於本文所列舉的實施例。確切地講，提供這些實施例是為了使揭露的內容更透徹更完整，且將各實施例之概念全面傳達給所屬技術領域中具有通常知識者。在這些圖式中，為清楚起見，各層或各區域的厚度被放大。

容易理解的是，在整個圖式中，相同的符號代表相同的元件。本文中所用的術語“及/或”包括一個或一個以上的相關列舉項的任意及全部組合。其他用來表述各元件或各層之間關係的詞語應按相同方式來理解(例如，“介於……之間”相對於“直接介於……之間”、“與……相鄰”相對於“與……直接相鄰”、“位於……上”相對於“直接位於……上”)。

附帶說明的是，本文中所使用的術語如“第一”、“第二”等來敍述各元件、構件、區域、層及/或區段，但這些術語並非對這些元件、構件、區域、層及/或區段的限定。這些術語只是用來區分一個元件、構件、區域、層或區段與另一元件、構件、區域、層或區段。因此，在不脫離各實施例之教示的前提下，下文所提及的第一元件、構件、區域、層或區段也可稱為第二元件、構件、區域、層或區段。

為了便於敍述，本文會使用與空間有關的術語(如“在……下方”、“在……下面”、“下面的”、“在……上方”、“上面的”等等)來敍述如圖所示的一個元件或結構特徵相對於其他元件或結構特徵的關係。對於正在使用或正在操作的裝置或設備而言，與空間有關的術語除了包含如圖所示的方位外，也包含不同的方位。舉例而言，若將圖式中的裝置或設備翻轉，則原本位於其他元件或結構特徵“下面”或“下方”的元件將變成位於其他元件或結構特徵的“上方”。因此，作為示範的術語“下方”可包含上方和下方這兩種方位，取決於基準點。設備也可採用其他方式定位(旋轉90度或其他方位)，且按相同方式來理解本文所用的與空間有關的解說詞。

本文所用的術語只是為了敍述具體實施例，而非意圖限制實施例。如本文所用的單數形式“一”、“一種”及“所述”也應包括複數形式，除非文中另行明確指出。更容易理解的是，若本文使用術語“包括”及/或“包含”，則表明存在著指定的結構特徵、整體、步驟、操作、元件及/或構件，但並不排除存在或增加一個或一個以上的其他結構特徵、整體、步驟、操作、元件、構件及/或其群組。

本文是參照各圖式來敍述本揭露的各實施例，這些圖面是各實施例的理想化實施方案(及中間結構)的示意圖。如此一來，由(例如)製造技術及/或公差而引起的圖式形狀的變動應在預料當中。因此，本揭露的各實施例不應理解為侷限於本文所述的各區域的具體形狀，而是應當包括因(例如)製造而引起的形狀偏差。因此，如圖所示的各區域本質上是示意圖，其形狀並非意圖繪示設備的區域的實際形狀，也並非意圖限制各實施例的範圍。

除非另行規定，否則本文所用的全部術語(包括技術及科學術語)的含義都與本揭露之實施例所屬之技術領域中具有通常知識者普遍理解的含義相同。更容易理解的是，如通用字典中定義的那些術語應當理解為其含義與先前技術中這些術語的含義相同，而不應理解得理想化或過於正式，除非本文有此明確規定。

本揭露的表面加工方法，主要是利用同一個製程中對工件提供的序列式的雷射掃描，其中第一道雷射光用以使工件的表面被熔融而形成熔融區，而因為熱回流而在熔融區中所形成的凸起結構利用第二道雷射光產生的光壓壓平熔融凸起結構，以減少工件表面因加工而引發的表面粗糙度且提升工件表面的緻密度。

圖3為本實施例表面加工方法的流程圖、圖4為施作圖3的表面加工方法的示意圖，而圖5為一種施作此表面加工方法的雷射加工裝置的示意圖。請同時參考圖3、圖4及圖5，如步驟S100，提供雷射加工裝置200，所述雷射加工裝置200例如具有兩個雷射光源210與220、分別位在兩個雷射光源210與220的光路上的兩個角度可動式反射鏡240與250、設置在雷射光源220以及角度可動式反射鏡250之間的擴束器230、同軸視覺系統260、掃描頭270以及位在同軸視覺系統260以及掃描頭270之間的角度可動式反射鏡280。簡單來說，同軸視覺系統260、掃描頭270以及角度可動式反射鏡280大致排列成一直線，且角度可動式反射鏡240、250、280也大致排列成一直線，但角度可動式反射鏡240、250、280彼此之間的角度不完全相同。

經由上述的配置關係，雷射光源210所投出的雷射光經過角度可動式反射鏡240後反射至角度可動式反射鏡280，再經由角度可動式反射鏡280反射至掃描頭270後，投射出去為第一道雷射光。此雷射光源210例如是連續式(Continuous Wave，CW)雷射，其所提供的第一道雷射光的光功率範圍為30~4000W，且掃描速度範圍為1~200mm/s。

雷射光源220例如為超快雷射(Ultrafast laser)，其投射出的雷射光經過擴束器230射至角度可動式反射鏡250後，經由角度可動式反射鏡250反射至角度可動式反射鏡280，再經由角度可動式反射鏡280反射至掃描頭270後投射出去為第二道雷射光。此第二道雷射光的光功率範圍為0.0001~20W，且掃描速度範圍為1~200mm/s。上述的擴束器230是用來改變雷射光的光束直徑的器件，且經由擴束器230調整過的光束能夠搭配不同的光學儀器應用。以本實施例而言，雷射光源220所發射出來的雷射光經由擴束器230的調整之後變為准直(平行)的光束，且雷射光的光束的直徑可經由擴束器230依照需求設定及調整。在雷射加工裝置200的另一種實施態樣中，可以在雷射光源210以及角度可動式反射鏡240之間設置發散角調整模組292，亦在擴束器230以及角度可動式反射鏡240之間設置發散角調整模組294，如圖6示，以藉由發散角調整模組294獲得細小的高功率密度光斑。或者，可以將掃描頭270以角度可動式反射鏡282以及物鏡284的組合取代，如圖7示。在其他的應用方面，還可以在擴束器230中或是在雷射光的光束的光路上更設置空間濾波器以使非對稱光束分布變為對稱分布，使光能量分布更加均勻。雷射加工裝置200中所能夠應用的器件是本領域所屬人員可依照需求而選用，因此不再多做舉例說明。

上述的第一道雷射光以及第二道雷射光之間沿著一方向(例如是加工方向)形成前、後順序(即第一道雷射光在前且第二道雷射光在後)，並且第一道雷射光以及第二道雷射光之間相隔一段距離P。而同軸視覺系統260的設置就是用來觀察工件進行表面加工處理時工件表面的熔融狀況，以判斷第一道雷射光以及第二道之間施加在工件的表面上的距離P是否需要調整。於本實施例中，第一道雷射光與第二道雷射光先後於工件表面上到達相同的一點的時距為0-200ms之間。簡單來說，即是當工件上的某一處受到第一道雷射光照射且第一道雷射光移開之後，歷經此段時距後，第二道雷射光會照設於該處上。

如步驟S110，沿著加工方向移動雷射加工裝置200，而第一道雷射光施加於工件上，工件受到第一道雷射光照射的位置會熔融，進而在工件表面上形成了熔融區，且隨著第一道雷射光的移動，熔融區內剛剛被熔融的工件材料會在第一道雷射光往前移動繼續進行加工製程的同時，因為前方的工件材料受熱被熔融而產生新的熔融區範圍，且前方被熔融的工件材料一方面因為更前方的工件材料是固體而形成阻障壁所以無法往前推移，一方面由於後方的被熔融的工件材料因為第一道雷射光的離開所以後方的被熔融的工件材料的溫度比正被第一道雷射光照射而熔融的工件材料稍低，因此基於熱往低溫流動的特性，前方被熔融的工件材料往回流動而堆積在之前被熔融的工件材料上而形成凸起結構。因此，隨著雷射加工裝置200沿著加工方向持續移動並且施加第一道雷射光，如果不對凸起結構施行其他的步驟，凸起結構就會冷卻而凝固，因而在工件表面上形成週期性的凸起結構，如圖8示。

特別的是，為了避免在工件表面上會形成週期性的凸起結構而導致工件表面的表面粗糙度無法達到預期，如步驟S120，因此在凸起結構凝固前，更在還呈現熔融態的凸起結構上施加強度低於第一道雷射光的強度的第二道雷射光，以藉由第二道雷射光的光壓將凸起結構壓平，如圖4示。相比於第一道雷射光施加在工件上會造成工件的表面熔融而形成熔融區，第二道雷射光的光功率範圍為0.0001~20W，明顯遠低於第一道雷射光的光功率(30~4000W之間)，所以第二道雷射光並不會對還在熔融態且還未凝固的凸起結構提供熱而造成凸起結構再次熔融，而是僅對凸起結構施加光壓以將凸起結構向下壓平。圖9為以本實施例之表面加工方法對工件施行表面加工前、僅施加第一道雷射光後以及有施加第二道雷射光之後的表面粗糙度量測結果的示意圖。從圖9可以看出，工件表面還沒有被施加第一道雷射光之前，工件的表面粗糙度Ra約為450nm；而在僅施行第一道雷射光製程之後，表面粗糙度Ra降到約367nm；而施行本實施例之表面加工方法之後，工件的表面粗糙度Ra可以降到約200nm。所以，工件的表面粗糙不平的狀況有效地被抑制下來。

此外，本實施例中所施加的第二道雷射光的脈衝寬度小於1奈秒。又，第二道雷射光的光型可為高斯分布(如圖10示)或平頂光分布(如圖11示)，其中高斯光型的雷射光具有能量高度集中因此熱熔效應明顯的優點，而平頂光型的雷射光具有能量分布均勻以使加工特徵均勻的優點。此外，第二道雷射光的光斑直徑介於第一道雷射光的光斑直徑的0.8至1.5倍之間，但並不以此為限，所屬領域技術人員可以依照需求來調整第二道雷射光的光斑直徑。

所述第二道雷射光所提供的光壓可利用Navier-Stokes方程式計算工件被熔融後熔融區內的工件材料的表面張力，然後再去找出何種雷射光的光壓能夠大於熔融區的工件材料的表面張力，以達到壓平凸起結構的功效。所利用的公式如下：2-D Navier-Stokes方程式：

其中μ為流體黏滯係數、σ為流體表面張力且ρ為固態密度。

之後，再由下列公式求得雷射光的單位面積能量為E的光線所產生的光壓，便可選定何種雷射光的光壓能大於熔融區的工件材料的表面張力。

p=h/λ=>p=h υ/c=>pc=E=>p=E/c

光壓F=πω₀ ²P

表1為本實施例所選用的工件的表面張力與各種雷射所能提供的作用力(光壓)的比較表。

以本實施例來說，所選用的工件的材料例如為SKD61、不鏽鋼、模具鋼等，其在受到第一道雷射光照射之後，熔融區的範圍為自所述第一道雷射光起至所述第一道雷射光之後的約800微米內的範圍內，且此熔融區的形狀呈現如尾巴拖曳的形狀(如圖12示)，而第一道雷射光的中心至往後數的第二個凸起結構的中心的距離D(示於圖1)，兩個凸起結構的距離約為第一道雷射光束的直徑d1(示於圖1)，而第二道雷射光在與第一道雷射光距離D-d1 處(示於圖1)的熔融區中施加，其中被熔融的工件材料的表面張力約為4.397*10^-4N，而從表1中可以看出奈秒雷射以及連續雷射所能提供的光壓都小於表面張力，而飛秒雷射以及皮秒雷射能提供大於表面張力的光壓，以將凸起結構壓平。

此外，第二道雷射光的能量需小於工件的剝除閥值，以避免在對工件施加第二道雷射光的時候，第二道雷射光的能量強到足以使工件受到加工處理的部分剝落。工件的剝除閥值會隨著工件的材質而不同，因此第二道雷射光的能量也可以隨著工件的材質不同而改變；當然，第一道雷射光的能量也會隨著工件的材質不同而調整。

利用本揭露的表面加工方法對工件進行表面加工與利用傳統雷射拋光的不同之處在於變質層的厚度不同，利用本揭露的表面加工方法進行加工的工件的變質層較薄，改善了表面凸起結構的問題，且結構緻密度較佳。而與以Fraunhofer ILT的方式進行加工比較，以Fraunhofer ILT的方式進行加工的工件會產生兩層厚度不同之熔融層，變質層的厚度較厚，緻密度也較差，且表面仍具有凸起結構，因此表面粗糙度也無法有效地降低。此外，Fraunhofer ILT的技術因為是在第一道雷射光先對工件表面進行全面性的照射之後，再施行第二道雷射光照射，所以須要花費比一般單道次雷射拋光雙倍的時間，增加許多額外的成本。

相比之下，本揭露的表面加工方法是以序列的方式讓兩道雷射光在同一道製程中施作，即第一道雷射光照射之後，第二道雷射光在適當的時距後隨即對熔融區中未凝固的凸起結構施行，所以雷射光施行的加工時間較Fraunhofer ILT的技術更短，進而提升雷射加工裝置在一定時間內可以施作的工件的數量。而經由本揭露的表面加工方法所形成的工件的表面的結構平坦度提升、變質層薄且緻密度高，因此加工後的表面的硬度與耐磨度都隨著提升。

再者，施行此表面加工方法的雷射加工裝置的元件設置簡單，而該領域人員可以在不須大幅調整或變動舊有的加工光路的情況下依照需求挑選適用的器件來對雷射加工裝置進行升級，有效控制雷射加工裝置的升級花費。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S100~S120‧‧‧步驟

Claims

一種表面加工方法，包括：提供雷射加工裝置，所述雷射加工裝置用以提供相隔一段可調變距離的第一道雷射光以及第二道雷射光；沿著加工方向移動所述雷射加工裝置，其中所述雷射加工裝置提供所述第一道雷射光施加於工件上，所述工件受到所述第一道雷射光照射處熔融以形成熔融區，且隨著所述第一道雷射光的移動，所述熔融區內的工件材料熱回流並形成凸起結構；以及在所述凸起結構凝固前，所述雷射加工裝置提供第二道雷射光施加於所述凸起結構上，其中所述第二道雷射光的強度低於所述第一道雷射光的強度，以藉由所述第二道雷射光的光壓將所述凸起結構壓平。
如申請專利範圍第1項所述的表面加工方法，其中所述第一道雷射光的光功率範圍為30~4000W，且掃描速度範圍為1~200mm/s，而所述第二道雷射光的光功率範圍為0.0001~20W，且掃描速度範圍為1~200mm/s。
如申請專利範圍第1項所述的表面加工方法，其中所述第一道雷射光與所述第二道雷射光先後通過所述工件上相同的一點的時距介於0~200ms之間。
如申請專利範圍第1項所述的表面加工方法，其中沿著所述第一道雷射光的掃描軌跡，所述熔融區的定義是所述工件材料升溫至熔點以上的區域。
如申請專利範圍第1項所述的表面加工方法，其中所述第二道雷射光的脈衝寬度小於1奈秒。
如申請專利範圍第1項所述的表面加工方法，其中所述第二道雷射光的能量小於工件的剝除閥值。
如申請專利範圍第1項所述的表面加工方法，其中所述第二道雷射光的光斑直徑介於第一道雷射光的光斑直徑的0.8至1.5倍之間。
如申請專利範圍第1項所述的表面加工方法，其中所述第二道雷射光的光型為高斯分布或平頂光分布。