5.2. Технологічні операції лазерної обробки
Обробка отворів є одним з перших напрямів лазерній технології. За допомогою променя лазера виготовляють отвори діаметром від декількох мікрометрів до декількох міліметрів завглибшки до 15 мм в таких важко оброблюваних матеріалах як тверді сплави, магнітні матеріали, жароміцні і спеціальні сплави, алмази, ферити, кераміка і т.п. На лазерних установках «Квант», «Корунд», «Кристал» і ін. виготовляють отвори в алмазних фільєрах, рубінових годинникових каменях, у феритових пластинках пам'яті, в підкладках мікросхем, соплах, форсунках і інших деталях.
В даний час вітчизняна приладобудівна промисловість повністю перейшла на лазерну обробку отворів в рубінових годинникових каменях. Складність даної операції полягає в тому, що в твердому крихкому матеріалі - синтетичному рубіні необхідно свердлити отвір діаметром 50-60 мкм при допуску по діаметру в декілька мікрометрів і відсутності на його поверхні тріщин і сколов. При лазерній технології на одній установці за зміну виготовляється 22 тис. каменів, а при механічній обробці на шести двадцяти верстатах шпінделів - не більше 2500 заготовок, окрім цього поліпшуються умови праці, вивільняються виробничі площі, велике число робочих і забезпечується економічний ефект 1 млн. рублів.
При виготовленні отворів застосовують дві схем:
1. Одноімпульсну прошивку - отвір формується за один імпульс. Точність отворів за діаметральними розмірами відповідає 9-11 квалитету, по подовжніх - II -13 квалитету, шорсткість поверхні Ra=2,5-0,32 мкм, а глибина отримуваних отворів не більше 5 мм.
Діаметр d і глибину Н отвору, що отримується в непрозорому матеріалі, визначають по формулах:
( 5.2)
(5.3)
де
D0 - початковий діаметр лунки; W - енергія
випромінювання імпульсного ОКГ;
- половинний кут розчину світлового
конуса, що створюється оптичною системою;
L0 - питома енергія випаровування матеріалу
при Т =0 До (при абсолютному нулі.) .
Геометрія отвору залежить від енергетичних параметрів світивши, положення фокусу оптичної системи щодо поверхні заготівки, фокусної відстані цієї системи і теплофизических властивостей оброблюваного матеріалу. На мал. 5.2 представлена залежність форми подовжнього перетину отвору від положення фокусу лазерного променя щодо оброблюваної поверхні. Як видно з мал. 5.2, отвори мають максимальну глибину і майже циліндрову форму при положенні фокусу лазерного променя на поверхні оброблюваного виробу, в решті випадків спостерігається зміна форми подовжнього перетину від конічної до параболічної.
Мал. 5.2. Залежність форми подовжнього перетину отвору від положення фокусу лазерного променя щодо оброблюваної поверхні.
Мал. 5.3 Схема газолазерної резки.
Багатоімпульсна обробка - отвір виходить великою кількістю коротких імпульсів з малою енергією, величина якої визначає шорсткість поверхні, глибину поверхневого зміненого шару і точність обробки. У міру поглиблення отворів заготівка зміщується назустріч свічу. Процес дозволяє виготовляти отвори завглибшки до 15 мм при відношенні H/d до 50 з Точность’0 діаметральних розмірів по 9 квалитету, а при глибині отвору менше його діаметру - 7-8 квалитет. Багатоімпульсний режим широко застосовується для обробки неметалічних матеріалів і тонких металів. При цьому отримувані точні отвори можуть мати поперечний перетин не тільки круглої, але і профільної форми, що досягається діафрагмуванням лазерного потоку. При лазерній обробці (по1и 2 схемі) на бічній поверхні отворів спостерігається дефектний (із зміненою структурою, тріщинами і т.д.) шар завглибшки 0,05-0,1 мм, а на поверхні з боку входу променя утворюється кільцевий вал із застиглої рідкої фази. Глибину зміненого шару зменшують видаленням з отвору рідкої фази оброблюваного матеріалу піддуванням повітря або відсмоктуванням; підвищенням щільності пари матеріалу за рахунок збільшення щільності потужності випромінювання, чим забезпечується ефективніше видування рідкої фази.
Лазерне різання і скрайбирование напівпровідникових матеріалів використовується у виробництві напівпровідникових приладів і інтегральних схем. Розділення матеріалів може бути здійснене або при повному видаленні матеріалу по лінії розрізу, або при частковому видаленні - скрайбировании 2з подальшим розломом, а також за допомогою способу термораскалывания, при якому видалення матеріалу немає, а розділення проводитися розломом по лінії дії теплового джерела. Найбільш перспективні для розділення напівпровідників лазери на межі, які дозволяють здійснювати прецизійну резку кремнієвих пластин завтовшки 0,25 мм із швидкістю 2 мм/с. Лазерне скрайбирование ведеться з швидкістю до 250 мм/с при ширині реза до 25 мкм і глибині до 50 мкм. Даний процес скорочує трудомісткість операцій розділення пластин кремнію в 10-15 разів в порівнянні з алмазним і може бути застосований в мікроелектроніці для розділення пластин з кераміки, ситалла і інших матеріалів.
Розрізання металів і неметалічних матеріалів значної товщини проводиться, як правило, з піддуванням активного або нейтрального газу (див. мал. 5.3). Суть цього процесу, що отримав назву газолазерної резки (ГЛР), полягає в тому, що співісного з променем лазера в зону обробки подається, наприклад, кисень, який підтримує горіння матеріалу, очищає зону різання від продуктів процесу і інтенсивно охолоджує стінки реза. ГДР дозволяє отримати значну швидкість і глибину різання, а також кращу якість реза. Цим способом вдається різати неметалічні матеріали завтовшки до 20-50 мм, а метали до 10-13 мм. При цьому стекло завтовшки 8-10 мм режется із швидкістю 25 мм/с, а корозійний-стійка сталь - би мм/с. Ширина реза знаходиться в межах 0,1-1 мм.
Підгонка товсто плівкових резисторів здійснюється автоматично на установках типу «Кристал-6» з точністю підгонки до +- 5%. Товщина оброблюваних плівок до 30 мкм, ширина реза 0,1-0,2 мм, машинний час підгонки одного резистора 0,2-1,5с.
Підгонка тонкопленочных резисторів мікросхем може виконуватися на установці «Кристал-10/ із швидкістю обробки 4 мм/с при товщині плівки до 1 мкм і ширині реза 5-30 мкм.
Останнім часом розроблений лазерний метод маркіровки (друкування цифр) на тонких пластинках кремнію і фериту. Суть процесу полягає в тому, що лазерний промінь через маску і оптичну систему проектується на поверхню зразка, і проводиться випаровування поверхневого шару матеріалу без руйнування останнього. Прогрес сучасної мікроелектроніки багато в чому залежить від розвитку методу фотолітографії.
Метод лазерної літографії володіє достатньо високою точністю (1-1,5 мкм) і продуктивністю. Застосування лазерів з потужністю в імпульсі 50-100 кВт при частоті їх проходження 100-150 Гц забезпечує швидкість малювання лінії до 20 м/с, що вимагає на обробку фотошаблону не більше 3,5-5 годин.