4. Механизм воздействия лазерного излучения на вещество

Лазерная технология – это направление корпускулярно-фотонной технологии, в котором основные технологические процессы изготовления изделия пле­ночной электроники выполняются с применением одного инструмента - лазерного луча. Используя разные эффекты, протекающие при воздействии излучения на твердое тело, можно осуществлять такие виды обработки, как нагрев, диффузия, сварка, пайка, гермети­зация, размерная обработка и др.

Отсутствие промежуточных (химических) процессов, возможность обработки на воздухе и бесконтактность воздействия позволяют контроли­ровать результаты в реальном масштабе времени и автоматизировать процесс лазерной обработки, обеспечивая его высокую точность, технологическую простоту и производи­тельность.

Процессы, протекающие при лазерной обработке, зависят от интенсивности лазер­ного излучения, режима воздействия (импульсного или непрерывного), электрофизиче­ских характеристик материала. Мощность q на глубине x определяется законом Бугера:

, (1)

где q₀ - плотность мощности на поверхности образца, R – отражательная способ­ность материала, α - линейный коэффициент поглощения.

При воздействии излучения мощностью порядка 10⁵ Вт/см² в непрерывном режиме начинается плавление материала с постепенным увеличением площади расплава до уста­новления стационарного состояния. При увеличении мощности лазерного излучения до 10⁷ Вт/ см² вместе с плавле­нием происходят кипение и интенсивное испарение материала. На поверхности образу­ется лунка, размеры которой начинают расти. При мощности 10⁹ Вт/см² излучение и температура приводят к интенсивной ио­низации паров материала, образуется плазма и начинается интенсивное поглощение излу­чения плазмой, приводящее к прерывистому характеру обработки.

В импульсном режиме изменение температуры поверхности материала при воздей­ствии излучения зависит от соотношения глубины проникновения излучения, толщины прогретого слоя и радиуса зоны облучения.

При лазерной сварке процесс зависит от режима: плотности потока излучения, диа­метра светового луча и времени проведения процесса. На характер сварки оказывают су­щественное влияние чистота свариваемых материалов, толщина и электрофизические ха­рактеристики материалов, длительность и частота следования импульсов, плотность мощ­ности и т.д.

Поглощение оптического излучения с длиной волны 0,1 – 1000 мкм происходит в слое толщиной 10^-6 – 10^-5 см. Поглощенная энергия передается другим, более холодным частям тела с помощью различных механизмов теплопроводности, из которых для метал­лов основной является электронная.

Верхнюю допустимую температуру нагрева металлов при лазерной сварке обычно связывают с температурой кипения. Минимальная температура должна быть близкой к температуре плавления наиболее тугоплавкого из металлов. Распределение температуры зависит от длительности импульса , теплопроводности , плотности , теплоемкости и температуропроводности материала .

Количество света, поглощаемого металлической поверхно­стью, пропорционально 1-R, где R - коэффициент отражения. На рис. 2 приведена зависимость коэффициентов отра­жения некоторых металлов от длины волны. Результаты полу­чены для гладкой поверхности металлов. В общем случае зна­чения коэффициента отражения зависят от различных условий, в том числе от степени обработки поверхности и наличия на ней окисных пленок. Коэффици­ент отражения всех металлов возрастает по мере смещения в дальнюю ИК-область спек­тра.

Для длин волн, пре­вышающих 5 мкм, коэффициенты отражения практически всех металлов превышают 90%. В указанной области коэффициент отражения связан с электропроводностью материала. Металлы с высокой электропроводностью обладают максимальными зна­чениями коэффициента отражения в ИК - области спектра. На длине волны СО₂-лазера (10,6 мкм) коэффициент отраже­ния R ≈ 1 и величина 1-R становится малой, поэтому лишь небольшая часть падающей на поверхность энергии излучения СО₂ лазера поглощается и может быть использована для плавления ме­талла.

Рис. 2. Коэффициент отражения различ­ных металлов как функция длины волны.

А — по­лированное серебро; В — медь; С — алю­миний; D—никель; F—углеродистая сталь.

При проведении сварки важно распределение температуры в объеме нагреваемого тела и изменение ее во времени. Линейная задача нагрева полубесконечного тела (в частности пластины конечной тол­щины d для случая d>> и d>> ) и пренебрежения теплоотводом в основание предполагает решение следующего уравнения:

. (2) .

при r>r₀.

В этих уравнениях - текущий радиус, -радиус пятна лазерного излучения, - коэффици­ент отражения металла в зоне воздействия лазерного излучения, - плотность мощно­сти в импульсе излучения с осесимметричным распределением потока по поверхности тела. Последний член в правой части учитывает энергию, подводимую лазерным лучом.

Решение уравнения (2) для простейшего случая равномерной плотности мощности по сечению луча позволяет рассчитать зависимость температуры в центре луча от времени в процессе нагрева.

(3)

Функция iФ^*(U) есть интеграл дополнительной функции интеграла вероятности Гаусса:

(4)

Эта функция с достаточной точностью может быть представлена в следующем виде, более удобном для расчета:

(5)

После времени нагрева устанавливается квазистационарный режим и температура не зависит от времени нагрева.

Зависимость температуры в центре пятна от времени после окончания воздействия излучения подчиняется следующей закономерности:

(6)

Значения интеграла дополнительной функции интеграла вероятности для нескольких U приведены в табл. 1.

Таблица 1

	0,5642	0,5542	0,2521	0,4698	0,0503	0,3866	0,0010
U	0	0,001	0,1	0,2	0,4	1,0	2,0

Для типичных случаев лазерной сварки корпусов ИМС (сталь, никель, железо-нике­левые сплавы) с r₀=(0.25 – 0,5)мм, 0,1 см²/с. Необходимые сведения о характеристиках свариваемых материалов приведены в табл. 2. Ковар представляет собой сплав 54% Fe + 29% Ni +17% Co.

Таблица 2

Материал	Al	Ковар	Ni	Cu	Ag	Fe
, Вт/м.К	218	19,3	91	406	415	73
С, кДж/кг·К	0,923	0,67	0,44	0.386	0,234	0,45
,кг/м3· 103	2,7	8,3	8,9	8.93	10,5	7,87
Tпл, 0С	657	1450	1455	1083	961	1535
Tкип , 0С	2400	2730	2730	2580	2180	2900

Для герметизации используются несколько типов установок с длиной волны излучения 1,06 мкм. основные характеристики которых приведены в табл. 3.

Таблица 3