利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统和方法
阅读说明：本技术 利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统和方法 (System and method for processing microcircuit on surface of carbon-based polymer by femtosecond laser ) 是由 姜澜 闫剑锋 郭恒 黄辰潇 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：发明提出了一种利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统和方法,属于飞秒激光应用技术领域。本发明结合运用了飞秒激光器的不同出光模式进行加工,先利用振荡级激光对碳基聚合物进行碳化,获得可以导电的碳化层,再利用放大级激光精准去除多余的碳化层,从而加工电路元件。利用本发明提出的系统和方法,可以快速、精准地在碳基聚合物表面加工出碳基微电路,使用柔性碳基聚合物时,可以成功制备柔性电路。本发明的系统具有调节方便、切换灵活、适应性强的优势,利用本发明提出的方法,可以克服振荡级激光碳化直写加工的缺陷,加工出的微电路之间毛刺被有效抑制,电路元件之间的距离缩小,降低微电路发生短路故障的风险,有利于电路的微型化和提高电路的集成度。本发明具有加工精度高、可加工材料多、可加工电路元件形状灵活等优点,为制备碳基柔性微电路提供了一种可行的方案。(The invention provides a system and a method for processing a microcircuit on the surface of a carbon-based polymer by using femtosecond laser, belonging to the technical field of femtosecond laser application. The invention combines different light emitting modes of a femtosecond laser for processing, firstly uses an oscillating-level laser to carbonize a carbon-based polymer to obtain a conductive carbonized layer, and then uses an amplifying-level laser to accurately remove the redundant carbonized layer, thereby processing a circuit element. By utilizing the system and the method provided by the invention, the carbon-based microcircuit can be rapidly and accurately processed on the surface of the carbon-based polymer, and when the flexible carbon-based polymer is used, the flexible circuit can be successfully prepared. The system has the advantages of convenient adjustment, flexible switching and strong adaptability, and by utilizing the method provided by the invention, the defect of oscillation-level laser carbonization direct-writing processing can be overcome, burrs between the processed microcircuits are effectively inhibited, the distance between circuit elements is reduced, the risk of short-circuit fault of the microcircuits is reduced, the miniaturization of the microcircuits is facilitated, and the integration level of the microcircuits is improved. The invention has the advantages of high processing precision, more processable materials, flexible shapes of processable circuit elements and the like, and provides a feasible scheme for preparing the carbon-based flexible microcircuit.)
技术领域
本发明属于飞秒激光应用技术领域，尤其涉及利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统和方法。
背景技术
柔性电路是一种在柔性基板上安装电路元件形成的特殊电路，有可弯曲、重量轻、厚度小、可穿戴等诸多优点，碳基聚合物常被用作柔性电路基板。在柔性电路的传统加工方式中，刻蚀法不利于环境保护与可持续发展，喷涂法加工的电路板可能发生粘结失效。使用激光在柔性基板表面直写加工微电路，是一种新的制备柔性电路的方法。
飞秒激光具有振荡级和放大级两种输出模式。振荡级激光的峰值功率较低，但重复频率很高，加工时可以使材料持续升温至较高温度。放大级激光的重复频率低，峰值功率很高，热影响区小，适合用于烧蚀去除材料。
利用飞秒激光器的振荡级对碳基聚合物进行直写加工时，因为激光的峰值功率低于碳基聚合物的烧蚀阈值，碳基聚合物不会发生烧蚀，但激光的能量累积可以使碳基聚合物温度升高，一些碳基聚合物会发生碳化，例如聚酰亚胺(PI)分子结构中的苯环受热会发生裂解反应产生碳结构，聚二甲基硅氧烷(PDMS)受热会产生石墨与碳化硅复合结构，这些结构能够使被激光辐照过的区域具备导电性，利用此方法可以在碳基聚合物表面碳化直写电极、电容等微电路元件。
研究表面，受材料性质影响，碳化加工的电极线宽较大，使得器件整体尺寸无法进一步缩小。同时，碳化加工的精度也不高，碳化区域的边缘会存在微小的毛刺。在微电路中，元件之间距离非常小，特别是超级电容的两个电极之间的距离，其尺度和毛刺接近。振荡级激光直写加工的元件可能通过毛刺相连，导致元件短路，无法正常工作。为避免毛刺将两个元件或电极导通失效，只能增大元件之间或电极之间的距离，但如此会影响微电路的集成度、降低超级电容器的电容，难以满足微电路预期的使用需求。
对碳基聚合物使用经过脉冲啁啾放大的放大级飞秒激光进行加工时，因为激光瞬时功率高，可以烧蚀去除掉碳基聚合物材料及其表面的碳化层，实现将目标区域与周围材料分离或对碳化导电区域形状的精细加工。
超级电容是一种储存电荷能力很强的电容器，具有充放电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等优势。超级电容由两个分开的电极以及电极之间的电解质组成，其电容受电极面积、电极之间的距离、电解质性能等因素影响，缩短电极之间的距离有利于提高电容的性能。常见的超级电容的形状有平板形、圆形、叉指形等。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统和方法，通过结合使用飞秒激光器的振荡级激光和放大级激光进行加工。先利用振荡级激光在碳基聚合物表面碳化加工出微电路的整体外轮廓，再利用放大级激光烧蚀去除多余的碳化层，精确加工出微电路的形状，达到制备柔性碳基微电路的目的。
本发明提出的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统，包括飞秒激光器、第一反射镜、第一光阑、第一衰减片、第一挡光板、第二反射镜、第二光阑、第二衰减片、第二挡光板、第一半透半反镜、第三挡光板、电控快门、二向色镜、加工物镜、聚合物样品、六维平移台、第二半透半反镜、电荷耦合元件、照明灯和计算机；所述的飞秒激光器有振荡级和放大级两个出光口，分别输出两种模式的飞秒激光，其中，振荡级输出的飞秒激光依次经第一反射镜反射后，通过第一光阑调节光斑直径，再由第一衰减片调节激光功率，由第一挡光板控制光路通断；所述的放大级输出的飞秒激光依次经第二反射镜反射，再通过第二光阑调节光斑直径，经第二衰减片调节激光功率，第二挡光板控制光路通断；所述的振荡级飞秒激光和所述的放大级飞秒激光分别经第一半透半反镜透射和反射后，通过电控快门，第三挡光板用于吸收漏光；通过电控快门的飞秒激光，经过二向色镜反射，进入加工物镜，经过加工物镜聚焦，到达聚合物样品表面，聚合物样品放在六维平移台上，随着平移台移动；第二半透半反镜、电荷耦合元件和照明灯组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；飞秒激光器、电控快门、六维平移台电荷耦合元件照明灯通过信号线与计算机20连接，由计算机控制。
本发明提出的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的方法，包括以下步骤：
(1)搭建一个如权利要求1所述的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统，系统包括飞秒激光器、第一反射镜、第一光阑、第一衰减片、第一挡光板、第二反射镜、第二光阑、第二衰减片、第二挡光板、第一半透半反镜、第三挡光板、电控快门、二向色镜、加工物镜、聚合物样品、六维平移台、第二半透半反镜、电荷耦合元件、照明灯和计算机；所述的飞秒激光器有振荡级和放大级两个出光口，分别输出两种模式的飞秒激光，其中，振荡级输出的飞秒激光依次经第一反射镜反射后，通过第一光阑调节光斑直径，再由第一衰减片调节激光功率，由第一挡光板控制光路通断；所述的放大级输出的飞秒激光依次经第二反射镜反射，再通过第二光阑调节光斑直径，经第二衰减片调节激光功率，第二挡光板控制光路通断；所述的振荡级飞秒激光和所述的放大级飞秒激光分别经第一半透半反镜透射和反射后，通过电控快门，第三挡光板用于吸收漏光；通过电控快门的飞秒激光，经过二向色镜反射，进入加工物镜，经过加工物镜聚焦，到达聚合物样品表面，聚合物样品放在六维平移台上，随着平移台移动；第二半透半反镜、电荷耦合元件和照明灯组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；飞秒激光器、电控快门、六维平移台电荷耦合元件照明灯通过信号线与计算机连接，由计算机控制；
(2)对飞秒激光加工系统进行调试：开启飞秒激光器，使用第一挡光板阻断振荡级激光光路，输出放大级激光，调节激光聚焦前的光斑直径为5mm，调节飞秒激光的功率，以实现在碳基聚合物样表面产生加工效果；调节六维平移台的高度，使固定功率下飞秒激光在碳基聚合物样品表面扫线产生的线宽最小，此时飞秒激光通过加工物镜聚焦到碳基聚合物样品表面；
(3)使用第二挡光板将放大级激光光路阻断，控制电控快门输出振荡级激光，并通过加工物镜聚焦，根据待加工微电路的整体外轮廓，调整六维平移台的平移路径，并控制激光功率，使振荡级激光在碳基聚合物样品表面产生碳化加工效果，形成包含微电路区域的碳化区；
(4)使用第一挡光板将振荡级激光光路阻断，控制电控快门输出放大级激光，并通过加工物镜聚焦，根据待加工微电路的形状，调整六维平移台的平移路径，并控制激光通量，使得放大级激光焦点依次扫描微电路元件之间或电极之间的间隙区域，去除微电路元件之间或电极之间的间隙区域的碳化层，完成在碳基聚合物表面微电路的加工。
本发明提出的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统和方法，其优点是：
1、本发明的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统，可以结合飞秒激光器的不同出光模式进行加工，利用振荡级激光对聚合物进行碳化，获得可以导电的碳化层，利用放大级激光精准去除多余的碳化层，振荡级激光和放大级激光可以分别进行控制调整，互不影响，加工模式切换方便。
2、利用本发明的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的方法，可以简单、快速、精确地在碳基聚合物表面加工出碳基微电路。使用柔性碳基聚合物时，可以成功制备柔性电路。
3、本发明的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的方法，克服了振荡级激光碳化加工微电路精度低的缺陷，加工出的微电路边缘毛刺被抑制，加工的电极间隙减小，电路元件之间的距离减小，降低了微电路发生导通故障的风险，有利于电路的微型化和提高电路的集成度。
附图说明
图1是本发明提出的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统光路图。
图2是本发明实施例1的加工过程示意图及加工结果光镜图。
图3是本发明实施例2的加工过程示意图及加工结果光镜图。
图4是本发明实施例3的加工过程示意图及加工结果光镜图。
图1中，1是飞秒激光器，2是第一反射镜，3是第一光阑，4是第一衰减片，5是第一挡光板，6是第二反射镜，7是第二光阑，8是第二衰减片，9是第二挡光板，10是第一半透半反镜，11是第三挡光板，12是电控快门，13是二向色镜，14是加工物镜，15是聚合物样品，16是六维平移台，17是第二半透半反镜，18是电荷耦合元件，19是照明灯，20是计算机。
具体实施方式
本发明提出的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统，其结构示意图如图1所示，该加工系统包括飞秒激光器1、第一反射镜2、第一光阑3、第一衰减片4、第一挡光板5、第二反射镜6、第二光阑7、第二衰减片8、第二挡光板9、第一半透半反镜10、第三挡光板11、电控快门12、二向色镜13、，加工物镜14、聚合物样品15、六维平移台16、第二半透半反镜17、电荷耦合元件18、照明灯19和计算机20；所述的飞秒激光器1有振荡级和放大级两个出光口，分别输出两种模式的飞秒激光，其中，振荡级输出的飞秒激光依次经第一反射镜2反射后，通过第一光阑3调节光斑直径，再由第一衰减片4调节激光功率，由第一挡光板5控制光路通断；所述的放大级输出的飞秒激光依次经第二反射镜6反射，再通过第二光阑7调节光斑直径，经第二衰减片8调节激光功率，第二挡光板9控制光路通断；所述的振荡级飞秒激光和所述的放大级飞秒激光分别经第一半透半反镜10透射和反射后，通过电控快门12，第三挡光板11用于吸收漏光；通过电控快门12的飞秒激光，经过二向色镜13反射，进入加工物镜14，经过加工物镜聚焦，到达聚合物样品15表面，聚合物样品放在六维平移台16上，随着平移台移动；第二半透半反镜17、电荷耦合元件18和照明灯19组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；飞秒激光器1、电控快门12、六维平移台16、电荷耦合元件18和照明灯19通过信号线与计算机20连接，由计算机控制。
本发明提出的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的方法，包括以下步骤：
(1)搭建一个如图1所示的的利用飞秒激光在碳基聚合物表面加工微电路的系统；
(2)对飞秒激光加工系统进行调试：开启飞秒激光器1，使用第一挡光板5阻断振荡级激光光路，输出放大级激光，调节激光聚焦前的光斑直径为5mm，调节飞秒激光的功率，以实现在碳基聚合物样表面产生加工效果；调节六维平移台16的高度，使固定功率下飞秒激光在碳基聚合物样品表面扫线产生的线宽最小，此时飞秒激光通过加工物镜14聚焦到碳基聚合物样品15表面；
(3)使用第二挡光板9将放大级激光光路阻断，控制电控快门12输出振荡级激光，并通过加工物镜14聚焦，根据待加工微电路的整体外轮廓，调整六维平移台16的平移路径，并控制激光功率，使振荡级激光在碳基聚合物样品表面产生碳化加工效果，形成包含微电路区域的碳化区；
(4)使用第一挡光板5将振荡级激光光路阻断，控制电控快门12输出放大级激光，并通过加工物镜14聚焦，根据待加工微电路的形状，调整六维平移台16的平移路径，并控制激光通量，使得放大级激光焦点依次扫描微电路元件之间或电极之间的间隙区域，去除微电路元件之间或电极之间的间隙区域上的碳化层，完成在碳基聚合物表面微电路的加工。
本发明的实施例中，使用的飞秒激光器是COHERENT公司生产的Astrella型飞秒激光器，其主要参数为：中心波长800nm，放大级重复频率1000Hz，振荡级重复频率80MHz，脉冲宽度35fs。使用的CCD 18由映美精公司生产，产品型号为DMK23ux236。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步介绍。
实施例1
在碳基聚合物表面加工圆形超级电容电极，首先打开飞秒激光器1产生飞秒激光，通过第一光阑3调节振荡级激光光斑直径为5mm，第一衰减片4调节振荡级激光功率为20mW，通过第二光阑7调节放大级激光光斑直径为5mm，第二衰减片8调节放大级激光通量为1.2J/cm2，调节平移台16的高度使飞秒激光聚焦在碳基聚合物样品15表面，调节成像系统使其清晰成像。设置平移台16的平移速度为1000μm/s，使用第二挡光板9将放大级激光的光路阻断，控制电控快门12输出振荡级激光，并根据圆形电极的整体外轮廓设计其平移路径，使得激光焦点依次扫过电极轮廓区域，在碳基聚合物样品表面碳化形成包含圆形电极的圆形碳化区；设置平移台16的平移速度为100μm/s，使用第一挡光板5将振荡级激光的光路阻断，控制电控快门12输出放大级激光，控制平移台16平移，使得激光焦点在已经碳化的区域内沿着电极间隙的路径扫描，扫过的位置发生烧蚀并去除碳化层，从而加工出电极之间的间隙并去除多余的轮廓部分，将两个电极分开。本实施例的加工流程示意图和加工结果光镜图如图2所示。
从实施例1和图2中可以看出，先使用振荡级激光在碳基聚合物表面碳化加工出微电极的整体轮廓，再使用放大级激光去除多余的碳化层，加工出两个电极之间的缝隙，可以快速精准地加工出超级电容的微电极，且两个电极之间不会由毛刺相连。本发明提出的方法可以成功在柔性碳基聚合物，例如聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷等材料表面制备柔性电路。
实施例2
在碳基聚合物表面加工叉指形超级电容电极，首先打开飞秒激光器1产生飞秒激光，通过第一光阑3调节振荡级激光光斑直径为5mm，第一衰减片4调节振荡级激光功率为20mW，通过第二光阑7调节放大级激光光斑直径为5mm，第二衰减片8调节放大级激光通量为1.2J/cm2，调节平移台16的高度使飞秒激光聚焦在碳基聚合物样品15表面，调节成像系统使其清晰成像。设置平移台16的平移速度为1000μm/s，使用第二挡光板9将放大级激光的光路阻断，控制电控快门12输出振荡级激光，并根据叉指形电极的整体外轮廓设计其平移路径，使得激光焦点依次扫过电极轮廓区域，在碳基聚合物样品表面碳化形成包含叉指电极的方形碳化区；设置平移台16的平移速度为100μm/s，使用第一挡光板5将振荡级激光的光路阻断，控制电控快门12输出放大级激光，控制平移台16平移，使得激光焦点在已经碳化的区域内沿着电极间隙的路径扫描，扫过的位置发生烧蚀并去除碳化层，从而加工出电极之间的间隙并去除多余的轮廓部分，将两个电极分开。本实施例的加工流程示意图和加工结果光镜图如图3所示。
从实施例2和图3中可以看出，按照本发明提出的加工方法，结合运用飞秒激光加工系统的两种出光模式，可以在碳基聚合物表面加工出形状结构更为复杂、种类多样的微电极。
实施例3
在碳基聚合物表面加工微型并联电阻，首先打开飞秒激光器1产生飞秒激光，通过第一光阑3调节振荡级激光光斑直径为5mm，第一衰减片4调节振荡级激光功率为20mW，通过第二光阑7调节放大级激光光斑直径为5mm，第二衰减片8调节放大级激光通量为1.2J/cm2，调节平移台16的高度使飞秒激光聚焦在碳基聚合物样品15表面，调节成像系统使其清晰成像。设置平移台16的平移速度为1000μm/s，使用第二挡光板9将放大级激光的光路阻断，控制电控快门12输出振荡级激光，并根据并联电阻的整体外轮廓设计其平移路径，使得激光焦点依次扫过电阻轮廓区域，在碳基聚合物样品表面碳化形成包含并联电阻的方形碳化区；设置平移台16的平移速度为100μm/s，使用第一挡光板5将振荡级激光的光路阻断，控制电控快门12输出放大级激光，控制平移台16平移，使得激光焦点在已经碳化的区域内沿着电阻轮廓和间隙的路径扫描，扫过的位置发生烧蚀并去除碳化层，从而加工出电阻之间的间隙并去除多余的轮廓部分，将多个电阻分开。本实施例的加工流程示意图和加工结果光镜图如图4所示。
从实施例3和图4中可以看出可知，运用本发明提出的方法在碳基聚合物表面加工微电路，可以缩小微电路元件之间的距离，同时保证元件之间不会由于毛刺连接而短路，有利于提升微电路的集成度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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