1、第22卷第2期2002年4月应 用 激 光APPLIED LAsERVo【22No2ADl 2002激光清洗技术评述。业激盎鬈拣10005型5斗A(机碱工业激光加工中心北京 ) rI提要 激光清洗在工业中的应用有清除半导体和光学器件表面附着的微粒，铜表面的氧化物，金属和其它材料表面的放射性污染，集成电路封装孔的清理。雷达、飞机、高压输电塔架、桥梁和舰艇等的脱漆和除锈，以及清洗珍贵历史文物等。已经成功地应用于清洗钢铁、镁、铜、铝、石雕、漆器、皮革、纸彻品、玻璃、陶瓷、聚酰亚胺薄膜和硅片等材料。使用的激光器类型有大功率连续渡CCh激光器，便携式连续和脉冲CCh激光器，脉冲Nd：YAG激光器和准分子
2、激光器等。关键词激光清洗微粒脱漆除锈Lar Cleaning Technical ReviewZhar-gKu(LaserProcesstgCenter ofMachineryIndustry，BaAing 100055)Abstract The industrial lj5嚣of Jaser dearing-include the removal d adherent particles from semiconductorsand copper oxidecopper。radioactive decontsmJnation of metals and other materials，cle
3、maing of integrated dr-cult packing，cleaning of nxxtlds in the manulacturingRemoval of pint fm aircrafts、radars、bfidg、naval yessels and power transmission towers and restoration historical re1les Laser cleaning has been succesdully applied to arang of materials such as steel，iron，ahmainum，copper，mag
4、nesium，stone sculpttge，vamizh and overpaintspaintings，03rrosjort layem 013 metals，silioon wafers，parchments，paper，-alllics，91m and pol：Amide，etc Dif-ferent types ofaser sotlrohave been used，such as high power CW Oq蛔，portable cw(302aser and pulsed0q laserpulsed Nd：1laser and e*clmer l&setetaKey wards
5、 laser cleaning，microparticles，depainting，deoxidizing激光清洗是一种新型的表面处理技术。引起愈来愈多的科学家、工程师、宇航、天文、环保界，乃至艺术家、历史学家和文物工作者的兴趣和重视。激光清洗属于干洗，不需有机溶荆，没有废液排放，残渣很少，不会造成环境污染。能有效清除其它方法难以去除干净的吸附在物体表面的亚微米粒子。该技术柔性高、可控性好、易于选区定位精密清洗，易于远距离遥控清洗难以到达或危险的地方。近十年来迅速发展，已由实验室走向实用。已有成套的激光清洗商品系统出售。清264洗工艺日趋成熟，在许多场合已成为不可替代的技术。清洗物体表面的微粒
6、1原理物体表面附着的细微颗粒主要有氧化物和灰尘。激光清洗微粒的机制是在激光束辐射下微粒的热膨胀，基体表面的热膨胀和施于微粒的光压等三种。当这些作用力的合力(清洗力)大于物体表面对微粒的粘着力时，微粒就会脱落，而得到清洗L1j。2影响清洗效果的因素万方数据激光束波长愈短，能量密度愈高，其清洗力就愈大，洁净度愈高(图1)“。在高于能量密度阈值随脉冲次数增加，洁净度提高(图2)2l。10 40 e0 8C ：30 【0C 14060能量密度tnJ 7=v。)图I洁净度与波长和能量密度关系基村：石英，微粒：铝Nd：YAG激光器500个脉冲，7m，L-，一、： 130 1130 10Cj(脉冲敦图2洁净
7、度与脉冲次数关系清洗物：空气轴承(Ab 03，耳c)表面zr旺镦粒激光器：KrF准分子，f=5Hz对清洗激光束波长透明的物体，从背面照射其洁净度高于正面照射。此外，使用偏振光束和吹气能提高洁净度。不同污染物质和基体材料的合理清洗工艺参数有很大差异3】。3器件的清洗南欧天文台的大型望远镜镜面用KrF准分子激光器清洗，反射率明显提高(图3)”。磁头滑座的空气轴承(A12 03，TiC)表面zr02亚微米颗粒使用KrF准分子激光器清洗的效果甚佳“。珍贵的艺术品清洗能保持表面微细结构和色泽不变5 67。能量密度(mJcm2)图3能量密度对反射率增量的影响实验条件：=248nm，脉宽30m，面积44mm
8、2脱漆1原理覆盖层的激光清洗物理机制归纳如表1所示f 7l。2脱漆速率几种基材和涂漆层的c02和Nd：YAG激光脱漆速率分别列于表2和表3。3应用实例高压输电线路塔脱漆，使用脉宽9ns和200ns频率50Hz YAG脉冲激光器，光纤传旧J。军用飞机脱漆用54kw c02激光系统，每小时能脱净厚度254an，面积1116m2漆皮，一个半小时可脱完一架战斗机外壳的漆，只留下一茶杯残渣10,11。传统的化学脱漆则需810小时，排出了385升的有害废液。美国Associat公司为空军提供一套多千瓦机器人激光脱漆系统【”。除锈和去氧化皮镀锌板表面的红锈(厚4ben)用YAG激光在脉宽9ns时剥离阚值为0
9、3-04Jcra2在脉宽为200ns时剥离阐值为1044J甜表面粗糙度低，仅为刷除法的一半【”。铜材表面氧化皮主要是CuO和Cu20，厚度0107vm使用1064nm，532nm和265曲钟酗善越盎嘏邮札帅鲫一芒避盎惦万方数据266nm三种波长的激光束去氧化皮的能量阈值分别在76979Jcm26569 79Jcmz和267418Jcm2【131。钢铁表面去氧化皮用Q一开关Nd：YAG激光器清洗速率列于表4。表l激光剥离机制机理熔化汽化升华光裂解嘉霎清洗微电子器件1清洗聚酰亚胺薄膜聚酰亚胺是高速度、高密度电子元件多层封装薄膜内部连接结构的介电材料十几年来使用准分子激光剥离有机聚合物发展迅速，如今
10、已贯穿电子元件封装的全过程用于清除Ti，Cr，w，Ni和Pb等对聚酰亚胺的污染使用波长193nm和248nm激光束清洗铬污染聚酰亚胺的能量密度阈值，分别是40J甜和80Jcm214,t5。2清洗电路板一266一用KrF准分子激光器，脉宽20ns，脉冲能量300mJ，能量密度2Jcrn2，重复频率1Hz，清洗微电子系统电路表面的CuzO钝化薄膜【”J。3集成电路组件消闪和退标随Ic集成度提高，针脚越来越多，孔也越来越小传统方法难以清除小孔中的模闪(moldflash)准分子激光消闪(deflash)具有明显的优势，将成为最合适的消闪技术L1“。激光退标(demarking)的同时也把表面的灰尘、
11、油脂和氧化物等清除除干净了。再标记的耐久性好【”J。清洗硅片使用多模脉冲Oq激光器，脉冲能量095J，脉宽0 2衅，能量密度H甜，清洗直径巾100mm硅片表面的A1203，Si02和PSL(聚苯乙烯乳胶)微粒效果颇佳图4是清洗Siq微粒的结果18,19。1 00一一 si浒l洗后图4 sQ擞粒一次扫描清洗效果实验条件：基材：硅片，O旺脉冲激光器，能量密度：Uora2，气阀开启时间：15sec净化太空垃圾40年来的空间活动，在近地球表面空间产生数十万个尺寸大于lcm的碎片，构成对国际空同站的严重威胁，CR Phipps等提出建造猎户座(ORION)激光系统清除这些碎片20经大量前期试验和方案论证
12、，倾向于用Nd：glass或碘化物激光器装备直径6m的聚焦系统和矫正大气紊流扰动的自适应光学系统。悱辑摄阻僻万方数据环境污染挑战之一采用激光辐照离解核污清洗核辐射污染 染的废水，辐照核污染的水泥混凝土建筑物净化核设施造成的放射性尘埃和废水以 表层，使之变成为无放射性危害的可贮存的及贮存退役的核能设备，已成为人类面临的 设施。表2 czh激光脱漆速率实验条件：ZnSe平凸透镜，焦距=50ram，透镜试样距离=55ram，扫描面积=1口n2工艺参数：连续波(D0W，(2)15W，(3)25W；脉冲工作(4)开8ms关12ms，f=50Hz，平均功率P=10W；(5)开4ms：关6rrEs，f=10
13、0Hz，平均功率P=10w；(6)开20ms关30rm。f-20Hz，平均功率P=10W；(7)开2m关8ms，f=100Hz，平均功率P=5W。表3 Nd：YAG激光脱瘵速率环氧树脂环氧树脂环氧树脂环氧树脂聚胺脂聚胺脂深黄深红黄褐暗瓦那棕红白453545407070A12Q24 8C钢4C钢4C钢4C钢4A12024 8436 6 31 4 0 786 48 8040 60 60 557 685 13 336 15 8 27 827 14 11 96 1506 0 96 1333 13 33 1043 11423 0 46 387 80 5 58 12 0184 2 58 2 1 282 2
14、0 4 01璺苎堕 皇 竺 兰 ! !：!：!：苎!：墅!：!：!工艺参数()200rrd，f=12Hz，(2)200mJ，f=24Hz，(3)250mJ，f=12Hz，(4)250mJ，f-24Hz，(5)300rrd，f=12Hz，(6)300ral，f=24Hz267万方数据表4 Nd：YAG激光去氧化皮速率Fe44C 25Fe喻 25C70 60C40 2533322 7243 910 050035 7157 1430 033326 7843 916 6650039 4745031 9137 5312527 6918 9883 3403830 016 6611竺竺 苎 型! 型： 竺!
15、 ：兰竺 墅! 型!T艺参数：(3)(6)同表3。参考文献1YELuet al，SPIEV 3097，3523572YF，Lu，MatRes SocSympProc V397，19963293343ECHarvey，Mat Res鼬Symp Proc，V39719963353404KMann，Applied Stifface Science，9698(1996)4634685FitxzatrlckPhotonics Spectrgt，1995，1426IGob目nadoMitre，JAppied SlJrface Science，9698(1996)4744987Schiiocker，Hand
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18、ppllcations，1999，11(6)，284287万方数据激光清洗技术评述作者： 张魁武作者单位： 机械工业激光加工中心,北京,100055刊名： 应用激光英文刊名： APPLIED LASER年，卷(期)： 2002,22(2)被引用次数： 14次参考文献(21条)1.Y E Lu 查看详情2.Y F Lu Mat 查看详情 19963.E C Harvey Mat 查看详情 19964.K Mann 查看详情 19965.Fitxzatrick 查看详情 19956.I Gobernado-Mitre LASER CLEANING IN ART RESTORATION外文期刊 19
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