微流控与半导体封装新宠：易崩边的石英玻璃微槽用飞秒激光加工效果如何？

玻璃，典型微加工材料为硼硅酸盐玻璃与石英玻璃，凭借极高的透光率、极好的化学稳定性、低热膨胀系数以及优异的电绝缘性，成为制造微流体通道及高精度电子元器件的“新宠”材料。

然而，石英玻璃本身加工难度很高：硬度大、极脆，导热性差。

市面上虽有许多专门用于玻璃切割、打孔的设备，但一旦涉及到要求极高的表面微槽、微通道刻蚀，传统方法容易出现边缘崩裂、表面粗糙，无法满足质量要求。

有更好的解决办法吗？答案是：飞秒激光技术。

为什么是飞秒激光技术？效果如何？

飞秒激光的脉冲时间极短（10⁻¹⁵秒级）。当它打在石英玻璃上时，能量在来不及向周围传导热量的瞬间，就已经把材料直接汽化剥离了。

这种“非线性冷加工”机制带来的最直观效果就是：无毛刺、无熔化、几乎没有热影响区，以及极其锋利的边缘。

当然，要在透明材料上达到这种完美效果并不容易。因为玻璃是透明的，对光的吸收非常弱，直接照射容易导致内部微裂纹。 

因此，利用飞秒激光蚀刻石英玻璃沟槽需要优化脉冲能量、扫描速度。加工参数直接影响沟槽的深度、宽度、形貌以及深宽比。我们融合光束整形、旋切工艺等方法进行调试，让原本单一的激光能量分布变得更均匀，能够稳定实现Ra0.4微米的高光洁度微槽、盲孔与微通道。

石英玻璃微通道，光洁度Ra0.3μm，深度15μm±1μm

飞秒激光能加工怎样的玻璃微结构？

飞秒激光刻蚀是一种非接触式的超高精度减材工艺。该技术通过去除特定区域的材料，可以制造微通道以及凸起的阵列结构。加工自由度高，从矩形微结构到狭窄流道，再到金字塔或柱状物等突出特征，几乎不受图形限制。

1. 极浅的微米级平底盲槽 

在一些微机电系统或薄膜电极基底的设计中，客户要求刻蚀极浅的结构，不能深一丝，也不能浅一毫，否则会损伤基底材料。我们能在石英玻璃表面，刻蚀出深度仅仅只有1μm 的盲槽。 因为加工过程没有多余的热累积，槽底的平整度极高，边缘没有任何毛刺痕迹，保持±1μm高精度。

飞秒激光石英刻蚀：深度1μm，宽度3μm，精度±1μm。

2. 零崩边的大面积凹槽阵列 

在高端光栅及显示器件的精密封装中，需要刻蚀高密度阵列盲槽，并且要求交汇处不能有裂纹。因为飞秒加工是非接触式的，能够直接在石英玻璃上实现方槽、盲孔刻蚀、一步成型。 放在高倍显微镜下看，边缘做到了真正的零崩边、零裂纹。

飞秒激光石英玻璃方槽刻蚀：382×382μm，边缘无裂纹，直线度高

石英玻璃盲孔阵列，孔径仅为 20μm，孔底平整，孔径一致性

3. 光滑无残留的微流道

微流控器件通常由通道和微孔组成，这些通道和微孔可以组合起来，起到微型泵等作用，用于流体混合。通道的尺寸通常小于100微米宽和100微米深。飞秒激光能够刻蚀形成各种形状的蛇形通道和凹槽，还可以在基底上形成孔洞，以便引入试剂。

飞秒激光微流控芯片加工案例

微型化趋势下的工艺创新

蓝宝石、石英玻璃和钻石等难加工微型组件越来越常见，如何简单且地在这些材料上制造微结构，成为了长期困扰科研人员的难题。飞秒激光作为一种几乎无材料选择性的高精度先进工艺，未来的应用将不断拓展、潜力巨大。