Расписанные билеты по ЛИОЭС
.pdfДалее происходит его нагрев, а после того как температура поверхности достигает точки плавления, начинается распространение границы жидкой
(рис. 1, б). При дальнейшем облучении материала продолжается процесс нагрева, на этот раз – до температуры испарения (кипения). По достижении этой температуры инициируется процесс испарения вещества с обрабатываемой поверхности (рис. 1, в), сопровождающийся ионизацией поверхностных примесей и загрязнений, которые практически всегда, в том или ином виде присутствуют. Далее излучение поглощается основным материалом, и если интенсивность недостаточно высока, материал плавится,
испаряется, а пары ионизуются. При этом давление паров способствует выплескиванию расплава, и в материале постепенно формируется отверстие.
Если интенсивность излучения слишком велика, то в результате испарения образуется высокотемпературная непрозрачная плазма. Образовавшаяся плазма может распространяться навстречу лазерному пучку в форме индуцированной лазером волны поглощения. Облако плазмы поглощает падающее лазерное излучение и экранирует поверхность образца, препятствуя тем самым дальнейшему воздействию лазера на вещество (рис. 1, г). Это негативный эффект, и его нужно избегать в процессе лазерной обработки материалов. Таким образом, при построении любого технологического процесса, осуществляемого с помощью лазера, необходимо учитывать теплофизику лазерного нагревания.
Фокусирующая оптическая система выполняет следующие функции.
Она служит для фокусировки лазерного пучка на поверхности обрабатываемого объекта в световое пятно такого размера, что позволяет обеспечить уровень плотности мощности, достаточный для выполнения требуемой технологической операции. Кроме того, для более эффективной работы лазера она должна обеспечить максимально-возможное использование энергии лазерного излучения с учетом потерь на всех оптических элементах лазерной установки (возникающие из-за френелевского отражения,
остаточного поглощения и т.д.). Кроме того, в ее задачу входит формирование изображения зоны обработки заданной и строго пространственно-очерченной формы (включая формирование изображение зоны воздействия с минимальными неровностями края). Электромеханический координатный стол предназначен для высокоточного перемещения обрабатываемой детали относительно области фокусировки лазерного пучка. В простейшем случае это может быть двухкоординатный транслятор, но бывают и более сложные конструкции – трехкоординатные (с перемещением вдоль оси падающего
лазерного пучка), а также столы с осевым вращением и 5-координатные роботизированные трансляторы, в которых фокусирующая насадка,
соединенная с волоконнооптическим кабелем, перемещается в пространстве в
«руке» робота. Кроме того, для перемещения лазерного пучка относительно поверхности обрабатываемых деталей используется и так называемая летающая оптика – фокусирующая головка небольшого размера, которая с высокой скоростью перемещается по двум осям с помощью специальной системы электромеханического сканирования. В другом варианте используется система из двухскоростных гальванометрических зеркал, каждое из которых осуществляет наклон лазерного пучка по одной из координат. В
результате этого лазерный пучок движется по обрабатываемой поверхности по двум координатам по заданной траектории. Такое техническое решение широко используется, например, в системах лазерной маркировки и гравировки с целью нанесения сложных контурных и растровых изображений.
Это позволяет встраивать лазер в состав поточных технологических линий,
предназначенных для работы в автоматическом режиме.
15. Лазерная резка. Физические принципы работы, устройство и
основные параметры лазеров для резки. Газолазерная резка.
По сравнению с традиционными методами лазерная резка как металлических, так и неметаллических материалов имеет ряд существенных преимуществ. Среди них – обширный класс обрабатываемых изделий;
возможность получения тонких разрезов благодаря острой фокусировке лазерного луча; малая зона термического влияния излучения; минимальное механическое воздействие, оказываемое на материал; возможность быстрого включения и выключения «резака» с высокой точностью; химическая чистота процесса резки; возможность автоматизации процесса и высокая производительность метода; возможность резки по сложному профилю в двух
идаже трех измерениях.
Взадачах резки многие годы традиционно использовали непрерывный
CO2-лазер, который находит применение при резке металлов, стекла и керамики, органических и синтетических материалов, полимеров, кожи,
ткани, древесины, бумаги, картона и других материалов на основе целлюлозы.
В настоящее время для микробработки материалов широко применяют также импульсно-периодические Nd:YAG и Nd:YVO4 лазеры, которые используются в основном для резки тонких металлических листов, а также полупроводников и металлических пленок в электронной промышленности.
Резка, как и другие виды лазерной обработки, основана на тепловом действии излучения на обрабатываемый материал и происходит с помощью движущегося источника тепла, который может перемещаться в двух взаимно-
перпендикулярных направлениях с помощью специальной оптической системы, позволяющей формировать световой пучок с большой плотностью мощности излучения и направлять его в необходимую зону на поверхности обрабатываемого изделия.
Качество и точность лазерной резки могут быть улучшены с помощью других технологических методов, способствующих увеличению количества удаляемой жидкой фазы. Это позволяет снизить эффект неконтролируемого
перераспределения расплава в момент окончания лазерного импульса. Одним из таких методов является комбинация лазерного воздействия с поддувом активного газа (чаще всего, кислорода) в активную зону (зону резания). Такой процесс получил название газолазерной резки (ГЛР). Сущность ГЛР состоит в том, что излучение лазера фокусируется оптической системой на поверхности обрабатываемого материала. При этом с помощью специального сопла в активную зону соосно с лазерным лучом подается струя кислорода
(рис. 9).
При ГЛР поддув газовой струи выполняет следующие функции:
1)поддерживает горение металла с выделением дополнительного тепла;
2)удаляет продукты разрушения, очищает зону резания (и боковые стенки реза) путем выдувания газообразных продуктов и капельной фракции;
3)интенсивно охлаждает
прилегающие к зоне резания участки материала.
Таким образом, наличие струи кислорода при резке металлов позволяет существенно увеличить глубину, скорость
резания и повысить качество краев реза. Однако при использовании газа следует избегать сильного окисления краев. Иногда, с целью улучшения эффективности охлаждения вместе потоком газа распыляется вода. В других случаях обрабатываемая поверхность непосредственно охлаждается водой.
16. Технология лазерной резки MicroJet.
Одна из интересных новаций последних лет в лазерной микрообработке это использование воздействия лазера в сочетании с подачей в зону реза водяной струи под высоким давлением. Эта технология была разработана швейцарской компанией Synova SA. Она называется LaserMicroJet и состоит в следующем. Прежде чем попасть на обрабатываемую поверхность, лазерный пучок сначала проходит специальную камеру с водой (он попадает туда через стеклянное окно) и выходит из нее сквозь сопло, установленное в нижней части камеры (см. рис. 10). Сопло изготавливается из сапфира или алмаза и является съемным (в зависимости от конкретной технологической задачи используются сопла диаметром от 25 до 150 мкм). В результате эффекта полного внутреннего отражения от стенок «водяного цилиндра» излучение лазера, выходящее из камеры с водой, приобретает вид узкого параллельного пучка и остается внутри водяной струи до тех пор, пока не достигнет поверхности материала. Когда луч лазера попадает в зону обработки,
начинается испарение материала. При этом ударяющая в это же место водяная струя удаляет из области реза продукты расплава и охлаждает ее в промежутках между лазерными импульсами. Давление водяной струи может меняться в пределах от 2 до 50 МПа. При этом вода не должна содержать никаких механических примесей и химических загрязнений. Для исключения вихревых потоков внутри водяной камеры, подаваемая туда вода подвергается деионизации и обезгаживанию.
В качестве лазерного источника в установках фирмы Synova SA
используются Nd:YAG лазер (работающий либо на основной длине волны 1,06
мкм, либо второй или третьей гармонике излучения) или волоконный лазер с длиной волны 1,07 мкм. Средняя мощность лазера составляет от 50 до 200 Вт,
длительность импульса может быть в пределах от нанодо микросекунд, а
частота повторения – от 500 Гц до 50 КГц (в зависимости от длительности импульса).
Даная технология широко применяется в электронной промышленности для резки и скрайбирования подложек из кремния,
арсенида галлия и германия, а также карбида кремния и сапфира. Характерный пример таких применений – резка
пластин из SiC толщиной 380 мкм, где технология LaserMicroJet обеспечивает ширину реза 45 мкм. При этом скорость резки оказывается на 40% выше, чем при использовании механических алмазных резаков и составляет 45 мм/c.
Данная технология может быть полезна также для обработки сверхпрочных материалов, в том числе, пластин из поликристаллических алмазов,
выращенных на пластинах из карбида вольфрама и кубического нитрида бора
(CBN). К примеру, при использовании сопла диаметром 50 мкм и лазера с длиной волны с 532 нм и мощностью излучения 60 Вт можно осуществлять высококачественный разрез пластин из CBN толщиной 3 мм со скоростью 5
мм/c.
Перечислим основные достоинства технологии LaserMicroJet: 1.
Водяная струя эффективно охлаждает обрабатываемую поверхность в промежутках между лазерными импульсами, что предотвращает риск появления негативных эффектов, связанных с нагревом материала (в том числе, образование микротрещин и оксидирование поверхности в зоне реза). 2. Рез получается идеально ровным, так расплавленные частицы (в зоне самого реза и оседающий конденсат) смываются сильной струей воды. 3. В результате водяной обработки не выделяется никаких (типичных для процесса абляции)
продуктов загрязнения окружающей среды (например, токсичных газов), что особенно актуально для скрайбирования подложек из арсенида галлия. 4.
Струя воды не вызывает сильных механических напряжений в зоне лазерной обработки. Максимальная величина напряжений не превосходит 0,1 Н, что
намного меньше, чем при ГЛР. 5. Диаметр лазерного пучка в месте обработки определяется размером сопла в водяной камере. Это позволяет обеспечить очень высокое качество лазерного реза (не хуже 1 мкм).
6. Отсутствует фокальная перетяжка лазерного пучка между соплом и зоной обработки. За счет этого качество реза не зависит от расстояния между соплом и обрабатываемой поверхностью (по крайней мере, в пределах до
1000d, где d – диаметр сопла). 7. Формирование параллельного лазерного пучка внутри водяной струи обеспечивает строгую вертикальность стенок разреза. 8. Незначительный расход воды в процессе лазерной обработки
(менее 1 л/ч при давлении в 300 бар).
17. Лазерная микрорезка-«невидимка» (технология Stealth dicing).
Основная идея технологии “stealth dicing” состоит в том, что надрез обрабатываемой полупроводниковой пластины осуществляется не снаружи (с
внешней стороны заготовки), а внутри нее. Происходит это следующим образом. Лазерный пучок направляется на одну из сторон пластины, но фокусировка пучка осуществляется не на обращенной к лазеру поверхности,
как при обычном скрайбировании, а внутри пластины (вблизи противоположной – дальней по отношению к лазеру, – поверхности) (см. рис. 14 и 15). В результате этого при достаточной плотности мощности лазерного излучения внутри заготовки образуется линия «микрокрэков» (от английского crack – трещина, свищ), т. е.
точечных дефектов, наподобие тех,
что создают методом лазерной 3-D
маркировки внутри стеклянных кубиков при изготовлении сувенирной продукции в виде надписей или объемных рисунков.