Методическое пособие 557

получили импульсные ксеноновые лампы накачки, срок службы которых от сотен тысяч до 2,5 млн. вспышек.

Рис. 4.1. Структурная схема лазерной технологической установки: 1 - технологический лазер; 2 - лазерное излучение; 3 - оптическая система; 4 - обрабатываемая деталь;

5 - устройство для закрепления и перемещения детали;

6 - датчики параметров технологического процесса; 7 - программное устройство; 8 - датчики параметров излучения

Отклонение луча на необходимые углы осуществляется с помощью зеркал и призм. Если требуется быстрое отклонение луча, то механические системы колебаний и вращения зеркал и призм могут вследствие их инерционности ограничивать технологические процессы, например сканирование по построчному растру. Тогда можно использовать малоинерционные электрооптические и магнитооптические элементы или специальные электромеханические системы с приводом от вибраторов, например, на пьезоэлементах.

В лазерных процессах требуется управлять мощностью и энергией лазерного излучения. Плавную регулировку мощности от порогового значения до максимального можно выполнять, изменяя мощность накачки. Для быстрой модуляции ин-

120

тенсивности излучения применяют ячейку Поккельса, содержащую одноосный кристалл, превращающийся в двуосный после приложения к нему электрического поля. Во многих лазерах ослабление интенсивности излучения достигают с помощью дополнительных поглощающих фильтров, вводимых по пути распространения потока, электрооптических модуляторов или вращающихся секторов, прерывающих поток на определенное время (достигаемое ослабление порядка 103).

Большинство технологических процессов требуют изменения начального диаметра пучка. С целью увеличения плотности лучистого потока его фокусируют оптическими системами.

4.3. Термическая обработка и закалка

Лазерная закалка без плавления поверхностного слоя.

Одним из перспективных процессов лазерной технологии является упрочнение поверхности конструкционных материалов и деталей различных механизмов и машин. Поверхностное упрочнение стали может быть достигнуто нагреванием до температуры, при которой происходит аустенизация, то есть образование твердого раствора карбида железа в -Fe. Последующее быстрое охлаждение приводит к переходу к мартенситной структуре, при которой карбид железа сохраняется в растворе в -Fe. Эта фаза характеризуется повышенной твердостью. Требуемые для упрочнения скорости нагрева и охлаждения и толщины упрочненного слоя легко достигаются при лазерном нагреве быстро сканируемым расфокусированным лазерным лучом. Интенсивность излучения и скорость сканирования выбираются с учетом прогрева материала на нужную глубину, которая обычно не превышает 0,5 мм. После прекращения действия излучения происходит естественное охлаждение за счет теплопроводности. Скорости нагрева и охлаждения при этом составляют 104 град/с. Типичное значение плотности мощности при нагреве при диаметре пучка 1 см порядка 104

121

Вт/см2. Поэтому термическую обработку больших поверхностей проводят киловаттными лазерами на углекислом газе.

Локальная закалка позволяет уменьшить деформацию изделий после воздействия, сократить и даже исключить финишную обработку поверхностей.

Для импульсной лазерной закалки серийно выпускаются установка «Квант-16», в которой в качестве активной среды используется стекло, легированное неодимом. При лазерной закалке практически отсутствует разница в результатах упрочнения при обработке в средах аргона, азота при атмосферном давлении или в условиях вакуума.

Для лазерной закалки непрерывным излучением обычно используют СО2-лазеры, а также в ряде случаев - лазеры на алюмоиттриевом гранате (АИГ).

Термическая лазерная обработка может быть использована и для металлизации поверхности. На поверхность, содержащую окислы металлов, направляется лазерное излучение. Под действием луча происходит реакция восстановления и выделение чистого металла. Лазерным лучом можно сформировать на поверхности любой рисунок. Этот метод используется в промышленности для изготовления сопротивлений, индуктивностей, конденсаторов, микросхем.

Упрочнение и легирование при плавлении поверхност-

ных слоев. При достаточно больших плотностях мощности сканирующий лазерный луч можно использовать для плавления тонких поверхностных слоев металла. Возникающий расплав быстро охлаждается из-за отвода тепла в массу материала. При достаточно высоких скоростях охлаждения возможно образование различных метастабильных фаз с полезными свойствами. Застывающий расплав имеет высокую степень гомогенизации, мелкокристаллическую структуру, а в ряде случаев происходит аморфизация поверхности металла. Такие поверхностные слои обычно имеют высокую микротвердость, коррозионную устойчивость.

Поверхностное плавление используется также для легирования поверхностных слоев подложки и плакирования мате-

122

риала. Легирование тонкого поверхностного слоя расплава, созданного воздействием импульсного или непрерывного излучения, используют как метод повышения микротвёрдости, а также для получения локального участка с повышенными антикоррозионными свойствами.

Таким образом, лазерные технологии с плавлением поверхностного слоя успешно используются для создания износоустойчивых покрытий на режущем инструменте, лопатках турбин, рабочих поверхностях валов; для создания антикоррозионных покрытий; для легирования поверхностного слоя; для изменения электрических и магнитных свойств твердых тел.

4.4. Лазерная пайка

Процессы пайки широко используются в технологии современного производства. По оценкам экспертов доля соединений, полученных пайкой, в таких отраслях промышленности, как электронная, радио- и приборостроительная, составляет 40 - 60 %. Пайкой называют образование соединения с межатомными связями путём нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивание их припоем (при котором происходит физико-химическое взаимодействие расплавленного припоя с материалом, проявляющееся в растекании припоя или образовании мениска с конечным краевым углом смачивания), затекание припоя в зазор и последующая его кристаллизация. Для того чтобы при пайке образовывалось достаточно прочное соединение, припой должен смочить соединяемые поверхности. Смачивание твёрдого материала жидким припоем определяется наличием окисных плёнок на границе раздела твёрдый материал - жидкий припой и степенью физи- ко-химического взаимодействия паяемого материала и припоя. Можно выделить три способа активирования смачивания:

1)уменьшение поверхностного натяжения жидкого припоя на границе с твёрдым паяемым материалом;

2)увеличение поверхностного натяжения твёрдого паяемого материала;

123

3) уменьшение поверхностного натяжения жидкого припоя на границе с газовой средой.

Требования, предъявляемые к поверхностям в рамках пайки традиционными способами, остаются в силе и для лазерной пайки. Отличия связаны со специфическими свойствами лазерного излучения как источника нагрева. Для традиционных способов пайки увеличение шероховатости поверхности в определённых пределах повышает качество соединения. При лазерном нагреве наличие шероховатости нужно учитывать в двух аспектах. С одной стороны, фактическое увеличение площади поверхности уменьшает величину реальной плотности мощности, действующей на образец. С другой, когда длина волны падающего излучения соизмерима с величиной микронеровностей, можно отметить увеличение коэффициента поглощения излучения вследствие многократных отражений на шероховатостях. При лазерной пайке, так же как и при обычной, проводят предварительную очистку поверхности, защиту её специальными покрытиями, предотвращающими окисление, используют флюсы, производят поверхностное оплавление покрытия или осуществляют процесс в восстановительной атмосфере.

Лазерная пайка в производстве изделий электронной техники. Для пайки используются лазеры, работающие в режиме свободной генерации. Широко применяются как моноимпульсный, так и импульсно-периодический режимы. Достоинства импульсного режима: точное, прецизионное дозирование энергетического вклада, высокая воспроизводимость технологических параметров, малое время формирования паяного соединения. Для пайки применяют также лазеры, работающие в режиме модулированной добротности. Непрерывный режим позволяет реализовать пайку с мягким нагревом, с выравниванием температуры в зоне пайки. В процессах пайки, как правило, используются лазеры, работающие на длине волны = 1,06 мкм. Это связано с распространенностью твердотельных лазеров и простотой управления их энергетическими

124

и оптическими характеристиками. Основные применения пайки в электронной промышленности:

-пайка электрических проводников к поверхности;

-пайка электродной фольги с выводами электролитических конденсаторов;

-пайка плакирующего материала с подложкой;

-пайка выводов к видеоголовкам;

-пайка электронных ЧИПов к контактам;

-соединения типа трубка-лента (рис. 4.2);

-пайка конденсаторов и резисторов на контактных площадках микрополосовой линии подложки;

-пайка электрических выводов к тонкоплёночным системам;

-пайка электрических выводов ИС к проводнику;

-пайка проводников с плёнкой на подложке;

-соединение полублоков магнитных головок;

-соединение ИС с печатной платой;

-герметизация малогабаритного корпуса ПП прибора с крышкой;

-соединение нитей (вольфрам) с проволокой (молибден).

Рис. 4.2. Лазерная пайка: 1 - трубка с глухим отверстием, 2 - припой, 3 – лента

Достоинства лазерной пайки: бесконтактность, высокая степень локальности, точность энерговложения, высокая скорость нагрева, недостижимая в традиционных способах нагрева, пайка в труднодоступных местах, возможность механизации и автоматизации процесса. Лазерная пайка позволяет избежать перегрева радиодеталей при монтаже.

125

проплавления, выбор которых определяется свойствами свариваемых материалов и требованиями к параметрам шва.

Лазерная сварка применима для соединения массивных деталей, деталей из листовых материалов, проволок, металлических и полимерных фольг и пленок и т.д.

Особенности сварки изделий электронной техники.

Основные сложности, возникающие при сварке изделий электронной техники, связаны с применением в них широкого спектра материалов, резко отличающихся по своим оптическим и теплофизическим свойствам; с необходимостью проводить сварку деталей существенно разных толщин (от 20 мкм до 1,5 мм); с требованиями вакуумной плотности сварных швов, высокой чистоты и отсутствия окисления их поверхности; с недопустимостью перегрева изделий в целом и отдельных участков.

Точечной сваркой соединяют детали катодных и анодных узлов электронных пушек, изготовленных из молибдена, вольфрама, сплавов нихром, монель, константан. Точечной сваркой также соединяют проводники микронных толщин из Au, Cu, сплава 29НК с выводами и контактами из Ni, Cu, бронзы и т.д. С помощью шовной лазерной сварки проводят герметизацию оболочек ЭВП и корпусов модулей твердотельных приборов.

Лазерная сварка применяется при герметизации корпусов на установке шовной лазерной сварки «Квант 17». Основным требованием при герметизации корпусов твердотельных приборов является предохранение рабочих элементов приборов и металлостеклянных вводов от перегрева. Использование импульсных лазеров позволяет разрешить этот вопрос без применения какихлибо специальных устройств для теплоотвода.

Для импульсной лазерной точечной сварки разработан ряд специализированных установок: СПС-10-1; «Квант-10»; «Квант-12», «Квант17».

Преимущества и особенности процесса лазерной сварки могут быть сформулированы следующим образом:

127

1.За счёт высокой концентрации энергии и малого пятна нагрева объём сварной ванны при лазерной сварке в несколько раз меньше чем при других видах. Этот фактор положительно сказывается на целом ряде характеристик сварного шва.

2.Отсутствие электрода или других элементов обычных сварочных устройств, близко расположенных к поверхности сварочной ванны, исключает попадание в неё инородных материалов, что практически во всех случаях наблюдается при дуговой сварке.

3.Острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительные расстояния позволяет осуществлять сварку в труднодоступных местах (углублениях, внутренних полостях и др.).

4.Размер сварной точки при лазерной сварке существенно меньше, чем при контактной, что даёт возможность соединять миниатюрные детали.

5.Отсутствует механическое давление при получении сварного соединения, что позволяет соединять хрупкие и легкодеформируемые детали.

6.Время получения одной точки при лазерной сварке составляет 0,01 - 0,001 с, тогда как при контактной сварке оно равно 0,5 - 1 с, т.е. производительность лазерного луча в сотни раз выше.

7.Возможность сварки материалов с резко отличающимися физическими свойствами и в первую очередь электрическим сопротивлением.

Лазерная сварка имеет и некоторые особенности, затрудняющие её универсальное применение:

1.Высокая стоимость лазерного оборудования и оснастки. Цена его значительно превышает стоимость, например, дуговых источников нагрева.

2.Лазерную сварку отличает невысокая энергетическая эффективность, так как КПД лазерных установок редко превышает 10 %.

128

4.6. Лазерная резка

Резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных ещё в начале 70- х годов. При резке обычно лазерное излучение фокусируется в круглое пятно радиусом r, которое перемещается по поверхности материала со скоростью v. Если скорость движения пятна меньше скорости установления стационарной температуры, то режим резки считается медленным, а максимальное значение температуры достигается в центре пятна и определяется уравнением для неподвижного теплового источника:

Лазерная резка большинства металлов и полупроводников (а = 0,1 - 1 см2/с) при скорости резания до 1 см/с соответствует условию медленного движения источника тепла.

Для сред с малой температуропроводностью (диэлектрики, металлические пленки на диэлектрических подложках) часто проявляется приближение быстродвижущегося теплового источника.

При этом максимальная температура материала равна температуре поверхности при времени действия источника тепла, равном времени прохождения световым пятном своего диаметра.

Созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности от нескольких десятков ватт до нескольких десятков киловатт, обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. Данный способ разделения металлов известен под названием газолазерной резки (ГЛР). Газовый поток не только транспортирует продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется окисная плёнка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количе-

129