一种多晶轧制铜薄膜疲劳损伤激光冲击愈合方法技术

本发明专利技术涉及一种多晶轧制铜薄膜疲劳损伤激光冲击愈合方法，其步骤为：A）提供激光冲击愈合装置，激光冲击愈合装置包括脉冲激光器，光路转换装置，培养皿和金属基体；光路转换装置包括反光镜调节装置以及凸透镜调节装置；B）对多晶铜薄膜材料表面喷涂不溶于水的黑色涂料，将材料固定在金属基体上，使得铜薄膜材料表面能与激光器发出的激光束相对；C）将固定铜薄膜材料的金属基体放入培养皿当中，培养皿中注入水；D）控制激光光斑的冲击位置以及大小；E）激光经过光路转换装置中的反光镜和凸透镜穿过水层照射到涂覆层上；F）薄膜材料清洗干净。本发明专利技术在材料表面上产生一层5微米左右的致密层，大幅度提高疲劳损伤后铜薄膜材料的疲劳寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械制造与激光加工应用
，特指一种激光冲击愈合多晶轧制铜薄膜疲劳损伤的方法。
技术介绍
激光冲击技术，是利用激光诱导冲击波来强化金属表面的一种新技术，属于激光表面处理多种应用中的一种。其原理是当短脉冲高峰值功率密度的激光辐射金属表面时，金属表面吸收层(涂覆层)吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压(GPa)等离子体，该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成致密、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，显著地提高材料的抗应力腐蚀和抗疲劳等性能。近年来，铜微薄膜在娃集成电路与MEMS (Micro-Electro-Mechanical system,微电子机械系统)器件中得到广泛应用。铜薄膜构件经常因承受循环应力作用而发生疲劳失效，其疲劳寿命直接制约了 MEMS器件的长期可靠服役。鉴于在铜微薄膜构件应用的广泛性和特殊性，有必要设计一种有效方式愈合微薄膜构件积累的疲劳损伤，这对于延长MEMS器件的使用寿命意义重大。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决多晶铜薄膜材料疲劳损伤愈合的问题，提供一种新型的激光冲击愈合损伤铜薄膜材料的方法。对损伤薄膜材料激光冲击愈合后，达到延长和提高铜薄膜的疲劳寿命的效果，解决工程实际应用的难题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为:，其特征在于步骤为:A)提供激光冲击愈合装置，所述激光冲击愈合装置包括脉冲激光器，光路转换装置，培养皿和金属基体；所述光路转换装置包括反光镜调节装置以及凸透镜调节装置；B)对存在疲劳损伤的多晶轧制铜薄膜材料表面喷涂不溶于水的黑色涂料以增强材料对激光能量的吸收，将材料固定在金属基体上，使得多晶轧制铜薄膜材料表面能与激光器发出的激光束相对；C)将固定多晶轧制铜薄膜材料的金属基体放入培养皿当中，培养皿中注入水，水层作为激光冲击愈合过程中的约束层；D)根据激光器指示光路调整光路转换装置，并移动培养皿的位置，来控制激光光斑的冲击位置，通过调节凸透镜与多晶轧制铜薄膜材料的之间的距离控制焦距，来控制激光光斑，光斑宽度为1-2毫米； E)通过激光器控制系统控制单脉冲能量和脉冲个数，单个脉冲的能量为300-750毫焦，脉冲个数为1-60个；所述脉冲激光器发射出的激光经过光路转换装置中的反光镜和凸透镜穿过水层照射到涂覆层上，从而在金属薄膜材料上产生冲击压力；F)将多晶轧制铜薄膜材料从金属基体上取下，放入丙酮试剂中清洗，把多晶轧制铜薄膜材料上涂覆的黑色涂料清洗干净。所述步骤A)中所述的脉冲激光器为紫外准分子脉冲激光器。所述步骤B)中所述的作为吸收层的黑色涂料的材料为黑色油漆、石墨或薄金属箔，黑色油漆类涂层的酸碱性为中性，涂覆的厚度为50-100微米，石墨或薄金属箔的厚度为50-100微米。所述步骤C)中诉述的水层为1-1.5毫米。 ，其步骤为:A)提供激光冲击愈合装置，所述激光冲击愈合装置包括脉冲激光器，光路转换装置，培养皿和金属基体，由于铜材料对短波长激光吸收率较高，所述激光器选用紫外准分子脉冲激光器，所述光路转换装置包括反光镜调节装置以及凸透镜调节装置；B)对存在疲劳损伤的多晶铜薄膜材料表面喷涂不溶于水的黑色涂料以增强材料对激光能量的吸收，将材料固定在金属基体上，使得铜薄膜材料表面能与激光器发出的激光束相对；C)将固定铜薄膜材料的金属基体放入培养皿当中，培养皿中注入水，水层作为激光冲击愈合过程中的约束层；D)根据激光器指示光路调整光路转换装置，并移动培养皿的位置，来控制激光光斑的冲击位置，通过调节凸透镜与铜薄膜材料的之间的距离控制焦距，来控制激光光斑的大小；E)通过激光器控制系统控制单脉冲能量和脉冲个数，所述激光器发射出的激光经过光路转换装置中的反光镜和凸透镜穿过水层照射到涂覆层上，从而在金属薄膜材料上产生冲击压力；F)将薄膜材料从金属基体上取下，放入丙酮试剂中清洗，把薄膜材料表面上涂覆的黑色涂料清洗干净。本专利技术愈合工艺方法的创新，在于冲击愈合系统搭建简单，对多晶铜薄膜材料疲劳损伤进行愈合，在材料表层形成明显的致密层，大幅度增加其疲劳寿命。本专利技术表面处理方法的创新，在于处理表面喷涂中性黑色涂料，黑色涂料作为吸收层的作用主要有两个:一是保护金属表面不被激光烧蚀，二是能够吸收入射的激光能量气化形成冲击波。本专利技术的有益效果:通过采用上述激光冲击方法使材料表层形成致密层、且产生稳定的位错结构，从而达到愈合铜薄膜的疲劳损伤的目的，进而有效地提高铜薄膜微构件的疲劳寿命。附图说明图1为本专利技术中激光冲击装置的示意图。图2为本专利技术中光路转换装置的示意图。图3为本专利技术中铜薄膜试样固定示意图。图4为本专利技术中铜薄膜材料处理后的结构示意图。图1至图4中:1、准分子激光器，2、光路转换装置，3、培养皿，21、转换装置支座，22、转换装置支柱，23、透镜调节装置，24、透镜支座，25、反光镜支座，26、反光镜调节装置，4、金属基体，5、铜薄膜材料，6、蓝膜胶带，50、致密层，7、涂料吸收层，8、水层。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术方法作进一步的描述，请参阅图1至图4，一种多晶铜薄膜材料激光冲击愈合方法，其步骤为:A)提供激光冲击愈合装置，所述激光冲击愈合装置包括脉冲激光器1，光路转换装置2，培养皿3和金属基体4，由于铜材料对短波长激光吸收率较高，所述激光器选用紫外准分子脉冲激光器。所述光路转换装置2包括转换装置支座21，转换装置支柱22，透镜调节装置23，透镜支座24，反光镜支座25，反光镜调节装置26，透镜调节装置23和反光镜调节装置26由滑块机构组成，通过滑块的移动和转动来调节反光镜和透镜的位置；B)对存在疲劳损伤的多晶铜薄膜材料5表面覆盖不溶于水的黑色涂料层7以增强材料对激光能量的吸收，所述黑色涂料层7的酸碱性为中性，其厚度为50-100微米，所述黑色涂料层7通过喷涂的方式覆盖在铜薄膜材料5表面上，所述黑色涂料层7的设置不仅可以增强铜薄膜材料5表面对激光的吸收，还可以防止铜薄膜材料5的表面被激光束烧蚀。将铜薄膜材料5通过蓝膜胶带6固定在金属基体4上，所述蓝膜胶带6粘性较弱，所述蓝膜胶带6的设置使得铜薄膜材料5装卸较为方便，不会使铜薄膜材料5产生损伤。调整培养皿3和金属基体4的位置，使得铜薄膜材料5表面能与激光器I发出的激光束相对；C)将固定铜薄膜材料5的金属基体4放入培养皿3当中，培养皿3中注入水形成厚度为1-1.5毫米的水层8，所述的水层8作为激光冲击愈合过程中的约束层；D)根据激光器I的指示光路来调整光路转换装置2，并移动培养皿3的位置，来控制激光光斑的冲击位置，通过调节凸透镜支座24的位置控制焦距，来控制激光光斑的大小，光斑大小为45X1毫米；E)通过激光器1控制系统控制单脉冲能量和脉冲个数，所述激光器I发射出的激光经过光路转换装置2中的反光镜和凸透镜穿过水层8照射到黑色涂覆层7上，从而在金属薄膜材料5表面上产生冲击压力，并在铜薄膜材料5表面上产生一层5微米左右的致密层50，铜薄膜材料5产生了硬化现象，极大地改善了材料的抗疲劳性能。由于在激光冲击处理过程中不添加其他材料，因此不会发生烧蚀现象，不会产生其他的物质，且无材料损耗，污染小；F)最后将铜薄膜材料5从金属基体4上取下，放入丙酮试剂中清洗，把本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多晶轧制铜薄膜疲劳损伤激光冲击愈合方法，其步骤为：A）提供激光冲击愈合装置，所述激光冲击愈合装置包括脉冲激光器，光路转换装置，培养皿和金属基体；所述光路转换装置包括反光镜调节装置以及凸透镜调节装置；B）对存在疲劳损伤的多晶轧制铜薄膜材料表面喷涂不溶于水的黑色涂料以增强材料对激光能量的吸收，将材料固定在金属基体上，使得多晶轧制铜薄膜材料表面能与激光器发出的激光束相对；C）将固定多晶轧制铜薄膜材料的金属基体放入培养皿当中，培养皿中注入水，水层作为激光冲击愈合过程中的约束层；D）根据激光器指示光路调整光路转换装置，并移动培养皿的位置，来控制激光光斑的冲击位置，通过调节凸透镜与多晶轧制铜薄膜材料的之间的距离控制焦距，来控制激光光斑，光斑宽度为1?2毫米；?E）通过激光器控制系统控制单脉冲能量和脉冲个数，单个脉冲的能量为300?750毫焦，脉冲个数为1?60个；所述脉冲激光器发射出的激光经过光路转换装置中的反光镜和凸透镜穿过水层照射到涂覆层上，从而在金属薄膜材料上产生冲击压力；F）将多晶轧制铜薄膜材料从金属基体上取下，放入丙酮试剂中清洗，把多晶轧制铜薄膜材料上涂覆的黑色涂料清洗干净。

【技术特征摘要】
1.一种多晶轧制铜薄膜疲劳损伤激光冲击愈合方法，其步骤为: A)提供激光冲击愈合装置，所述激光冲击愈合装置包括脉冲激光器，光路转换装置，培养皿和金属基体；所述光路转换装置包括反光镜调节装置以及凸透镜调节装置； B)对存在疲劳损伤的多晶轧制铜薄膜材料表面喷涂不溶于水的黑色涂料以增强材料对激光能量的吸收，将材料固定在金属基体上，使得多晶轧制铜薄膜材料表面能与激光器发出的激光束相对； C)将固定多晶轧制铜薄膜材料的金属基体放入培养皿当中，培养皿中注入水，水层作为激光冲击愈合过程中的约束层； D)根据激光器指示光路调整光路转换装置，并移动培养皿的位置，来控制激光光斑的冲击位置，通过调节凸透镜与多晶轧制铜薄膜材料的之间的距离控制焦距，来控制激光光斑，光斑宽度为1-2毫米； E)通过激光器控制系统控制单脉冲能量和脉冲个数，单个脉冲的能量为300-750毫焦，...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚德广，刘小冬，靳佳，王露，张立红，郭毓博，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：