【技术及应用解析】高导热材料遇上先进加工：水导激光打开金刚石铜新应用

AI算力、高功率芯片、先进封装以及高频通信的发展，使芯片热流密度不断提升。金刚石/铜复合材料凭借金刚石的超高导热能力和铜的良好加工性，被认为是下一代高性能热管理材料的重要方向。

但材料性能越强，加工往往越难。金刚石具有极高硬度，而铜具有较高的激光反射率和热导率，两者组成复合材料后，传统机械加工容易面临刀具磨损、加工效率低等问题，普通激光加工又容易出现热影响区、材料重铸、金刚石颗粒脱落等缺陷。

一个值得关注的解决思路：水导激光。

研究表明，利用高速微细水射流引导激光加工金刚石/铜复合材料，可以将激光的高能量加工能力与水流的冷却、冲刷能力结合起来，实现低锥度、高质量切割，并制备微通道热沉。相关研究将水导激光再次带入了高导热难加工材料的视野。

但这项技术真正值得关注的地方，并不只是“金刚石铜可以用水导激光加工”，而是其背后所代表的一种新的激光加工思路。

什么是水导激光？让“水”成为激光的光纤

水导激光（Water-Jet Guided Laser，WJGL），顾名思义，就是利用高速、细小的水射流来引导激光传播和加工。

乍看之下，这似乎是一件很奇怪的事情：水会折射、散射甚至吸收部分光能，为什么反而能够“导光”？

关键就在于全反射。水和空气具有不同的折射率。当激光经过光学系统聚焦后进入微细水射流，只要入射条件满足全反射要求，激光就会在水射流与空气的界面不断发生全反射，从而被限制在水柱内部向前传播。

其工作方式与光纤具有一定相似性：水射流相当于一根不断流动的“液体光纤”。

典型水导激光系统主要包括激光器、聚焦光学系统、水腔、微喷嘴以及工件等部分。

激光首先经过光学系统聚焦进入水腔，在喷嘴处形成直径通常只有几十微米量级的细水射流。激光进入水射流后，在水/空气界面发生全反射，被限制在水柱内部，并随着水流一起传播至工件表面。

因此，水导激光实际上不是简单的“激光+水”，而是建立了一个新的加工体系：激光负责提供能量 → 水射流负责导光 → 水流同时负责冷却和排屑。这也是它与传统激光加工最大的区别之一。

水导激光为什么特殊？一束激光同时解决三个问题

传统激光加工最大的优势是非接触、高精度，但其本质仍然属于热加工。

激光能量集中作用于材料表面后，会引起局部熔化、汽化甚至等离子体形成。如果热量不能及时扩散和排出，就容易产生热影响区、重铸层、微裂纹、氧化、熔渣以及材料变形等问题。

而水导激光恰好通过水射流引入了三个关键作用。

1. 水射流负责“导光”

传统激光束离开焦点后会逐渐发散，因此加工深度越大，光斑越容易变大，切缝也容易形成锥度。

水导激光则不同。只要水射流保持稳定，激光可以沿着细水柱继续传播。因此，它能够在一定工作距离范围内维持较好的光束约束能力，形成细长、稳定的加工区域。

这意味着水导激光特别适合深窄槽、微孔、切割和高深宽比结构加工。Synova的Laser MicroJet技术资料也强调，其水射流能够在较长工作距离内引导激光，并降低传统激光因光束发散带来的聚焦限制。

2. 水射流负责“降温”

这是水导激光最核心的优势之一。激光加工产生的热量会被周围高速流动的水迅速带走，从而降低加工区域的热积累。

因此，水导激光并不是改变了激光的热加工本质，而是通过边加工、边冷却，把热影响控制在更小范围。

这对于金刚石、SiC、蓝宝石、陶瓷等硬脆材料尤其重要，因为这些材料一旦出现局部热应力，容易产生裂纹甚至崩边。

3. 水射流负责“冲刷排屑”

激光作用后产生的熔融物、烧蚀产物和碎屑，如果滞留在加工区域，就可能再次吸收激光能量，引起二次加热。

高速水流可以持续冲刷加工区域，将这些熔融物和颗粒及时带走。因此，水导激光实际上构建了：激光热作用 + 水射流冷却 + 水动力冲刷 + 材料排出的协同加工机制。

这也是为什么水导激光可以在传统激光容易产生热损伤的材料上实现更高质量加工。

从“加工”到“去除”：金刚石铜中的水导激光机制

金刚石/铜复合材料很好地体现了水导激光的独特优势。在水导激光作用下，金刚石/铜复合材料并不是通过单一机制完成去除。

首先，激光能量进入材料后，铜基体发生熔化，而金刚石颗粒表面则发生石墨化。随后，高速水射流对加工区域产生冲击，将熔融铜以及金刚石表面的石墨层机械剥离并带走。

与此同时，激光加工过程中产生的等离子体冲击波也会进一步促进熔融铜和石墨层排出。

因此，其材料去除过程可以概括为：激光加热 → 铜熔化/金刚石石墨化 → 水射流冲击 → 熔融物与石墨层剥离 → 水流排出。

这也解释了为什么水导激光尤其适合加工金刚石/铜这样的异质复合材料。

传统干式激光加工中，金刚石和铜的热物性差异容易导致两者去除速率不一致；而水导激光通过冷却和冲刷作用，可以降低热积累，同时改善加工产物排出，使两种材料的加工过程更加协调。

当然，如果加工参数选择不合理，仍然可能产生问题。研究发现，当铜基体和金刚石颗粒之间的去除深度差过大时，铜基体对金刚石颗粒的支撑能力下降，在热应力和水射流冲击力共同作用下，仍可能出现金刚石颗粒脱落、铜基体边缘隆起等缺陷。

因此，水导激光并非简单地“加水就能解决问题”，其核心依然是建立合理的激光能量—扫描速度—水射流压力—扫描次数工艺窗口。

性能验证：水导激光究竟能做到什么程度？

广东工业大学团队通过单道划槽实验，对脉冲能量、扫描速度、水射流压力以及扫描次数等参数进行了系统研究。

结果显示：

提高脉冲能量，能够增加沟槽深度，同时使沟槽宽度增加；降低扫描速度，能够提高沟槽深度；增加扫描次数，也能够进一步增加加工深度；提高水射流压力，有助于提高材料去除率，并降低金刚石与铜基体之间的去除深度差；

• 材料去除率随脉冲能量、扫描速度和水射流压力增加而提高，但随着扫描次数增加而下降。

其中一个非常关键的结果是：

通过工艺参数优化，沟槽底部金刚石与铜基体之间的去除深度差可以控制在31.4 μm以内，并实现接近无锥度的切割，同时避免金刚石颗粒脱落。

进一步地，研究团队还基于优化参数制备了高深宽比微通道热沉，获得了形貌均匀、重复性良好的微通道结构。

这意味着水导激光的价值已经不再局限于“切割金刚石铜”。它实际上已经开始从：切割 → 划槽 → 微孔 → 微通道 → 三维微结构逐渐拓展。

水导激光能加工什么？应用边界正在不断扩大

从技术原理来看，只要材料能够有效吸收相应波长的激光，水导激光就具备加工潜力。因此，其应用并不局限于金刚石/铜。

1. 半导体材料

这是水导激光非常重要的应用方向。

硅、SiC、GaAs、蓝宝石等晶圆材料通常具有硬度高、脆性大、对热损伤敏感等特点。水导激光可以用于晶圆切割、划片、开槽、边缘加工等环节。

尤其对于第三代半导体材料而言，传统机械加工容易产生崩边和微裂纹，而传统激光又存在热影响问题，因此水导激光提供了另一种选择。

2. 金刚石与超硬材料

金刚石、PCD、CVD金刚石、CBN等超硬材料是水导激光非常典型的应用场景。

例如，Synova公开的Laser MicroJet技术已经应用于PCD、CVD金刚石、MCD以及天然金刚石刀具的切割、磨边、钻孔和划线加工。

这对于金刚石刀具、超硬刀具以及金刚石热管理材料都具有较强的应用价值。

3. 微通道和先进热管理

这可能是未来值得重点关注的方向。随着AI芯片、高功率器件和先进封装热流密度持续提高，微通道热沉的重要性越来越高。

传统加工方法很难在高导热、硬脆材料上同时获得深度、宽度、表面质量和低热损伤。

而水导激光能够形成细而深的加工结构，因此天然适合微流道、微槽、微孔等热管理结构加工。

这也是此次金刚石/铜研究中最值得产业界关注的结果之一——不仅能够加工材料，还能够直接在高导热材料中构筑散热结构。

4. 其他先进制造领域

目前水导激光还在金属精密加工、医疗器械、航空航天、能源、复合材料以及精密工具等领域展现应用潜力。

从已有应用来看，其核心优势可以归结为一句话：对于那些“传统机械加工太硬、传统激光加工太热”的材料，水导激光提供了一条新的加工路径。

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