Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

где EQ - плотность мощности на расстоянии го от оси излучения.

Кроме листовых материалов, методом управляемого термораскалывания могут раз­ деляться хрупкие материалы, изготовленные в виде труб. В общем виде термораскалывание хрупких материалов трубчатой формы выгля­ дит следующим образом. При вращении тру­ бы относительно неподвижного лазерного луча каждая точка поверхности трубы вдоль линии обработки нагревается до температуры Т. Вследствие относительно низкой теплопро­ водности хрупких материалов при уходе луча в процессе относительного перемещения об­ разец достаточно медленно охлаждается, пока лазерный луч не приходит снова в рассматри­ ваемую точку при следующем обороте. Нагрев поверхности трубы скачкообразно повторяет­ ся, пока градиент температур в осевом на­ правлении трубы вдоль всей линии обработки не превысит предел термостойкости материа­ ла. В этот момент'на одном из наиболее зна­ чительных дефектов материала вдоль линии воздействия лазерного излучения возникает начало трещины, приводящей к раскалыва­ нию трубы по намеченному контуру.

В результате воздействия лазерного из­ лучения прогревается очень тонкий поверхно­ стный слой материала. В нагретом слое воз­ никает термонапряжение сжатия в осевом направлении, а на внутренней части трубки под линией обработки - напряжение растяже­ ния. Благодаря окружной симметрии трубки возникшие в ней механические напряжения направлены вдоль оси и стремятся разорвать ее по линии лазерной обработки.

Разрушение стекла происходит с некото­ рым запаздыванием относительно движущего­ ся вдоль обрабатываемой поверхности лазер­ ного пучка. Для вычисления этого запаздыва­ ния необходимо описать движущуюся картину температурного поля.

Используя выражение для мгновенного значения температуры, до которой нагревает­ ся материал под воздействием поверхностного точечного источника теплоты, можно полу­ чить условия изменения температуры в е раз,

которое имеет вид z^ = 4а/ и подтверждает,

что на глубине, равной (4а/) , температура

материала в е раз меньше, чем на поверхно­ сти.

Есть основание предположить, что раз­ рушение хрупкого материала или, в данном случае, появление трещины в стекле под дей­ ствием лазерного излучения должно насту­

Данное допущение в рамках инженер­ ного расчета справедливо по следующим со­ ображениям. Как правило, термостойкость стекла составляет приблизительно одну треть от температуры стеклования (или размягче­ ния). Следовательно, если поверхность стекла в процессе обработки лазерным излучением нагревается до температуры, близкой к темпе­ ратуре размягчения, то через время / при вы­ полнении условия (2.6.2) практически по всей толщине стекло будет разогрето до температу­ ры, превышающей предел термостойкости.

Условие (2.6.2) позволяет определить технологическую скорость протекания про­ цесса управляемого термораскалывания. Пока стекло прогревается до такой степени, чтобы обеспечить условие (2.6.1), лазерный луч ус­ певает уйти на расстояние, равное произведе­ нию скорости перемещения луча на время, определяемое по (2.6.1): I = vt. Подставляя значения / из (2.6.2), получаем выражение для расстояния начала зарождения трещины от подвижной точки облучения поверхности стекла:

Чем больше запаздывает начало трещи­ ны по отношению к положению движущегося следа луча на поверхности стекла, тем меньше вероятность ее следования за лучом, особенно при наличии заметных дефектов, неоднородностей в стекле, а также внешних механиче­ ских воздействий, способных увести трещину в сторону от траектории перемещения лазер­ ного луча. Поэтому величина отставания тре­ щины должна задаваться условиями обеспе­ чения заданной траектории и точностью раз­ деления. Таким образом, задаваясь значением / из (2.6.3), можно получить выражение для определения скорости управляемого термо­ раскалывания стекла:

v = 4al/H^ .

С другой стороны, скорость V определя­ ется уровнем мощности или плотности мощ­ ности лазерного излучения, которую необхо­ димо обеспечить для создания условий термо­ раскалывания стекла. Скорость термораска­ лывания прямо пропорциональна температу­ ропроводности и обратно пропорциональна квадрату его толщины. Следовательно, ника­ кими изменениями параметров лазерного излучения, в том числе и повышением мощ-

увеличивая тем самым степень воздействия на стекло. В некоторых случаях это приводит к более точному разделению. Известны также другие меры - изменение степени фокусиров­ ки луча с переходом на скрайбирование на начальном участке, предварительное нанесение царапин, легкое обкалывание кромки, прикос­ новение острого охлажденного инструмента.

Особенно трудно зарождается термотре­ щина на кромке стекла, полученной в резуль­ тате лазерного термораскалывания. Высокое качество кромки стекла, обеспечиваемое в результате его разделения рассматриваемым методом, в данном случае затрудняет раскрой стекла во взаимно пересекающихся направле­ ниях.

На конечном участке линии разделения термораскалывание облегчается и часто здесь трещина обгоняет лазерный луч, что приводит к потере контроля над ходом процесса. Для устранения этой причины искривления линии термораскалывания можно повысить скорость перемещения лазерного луча на конечном участке разделения или снизить его мощ­ ность. Во многих случаях это позволяет уст­ ранить обгон и обеспечить контролируемое распространение термотрещины по всей ли­ нии разделения.

Результаты экспериментальных работ по управляемому термораскальканию некоторых хрупких материалов {X = 10,6 мкм) приведены в табл. 2.6.3.

Приведенные в табл. 2.6.3 данные по управляемому термораскалыванию керамики типа "Поликор" представляют интерес с двух точек зрения. Во-первых, скорость терморас­ калывания этого материала в десятки раз вы­ ше, чем стекла. Поэтому рассматриваемый процесс наиболее выгодно использовать при разделении прежде всего такого материала. Во-вторых, значительное ускорение процесса является следствием теплофизических свойств поликора. Благодаря высокой теплопроводно­ сти температуропроводность этой керамики примерно на два порядка превышает темпера­ туропроводность стекла. Тем самым экспери­ ментальные данные по разделению методом управляемого термораскалывания этого мате­ риала подтверждает теоретическое предполо­ жение о том, что скорость управляемого тер­ мораскалывания непрозрачных хрупких мате­ риалов с помощью лазерного излучения опре­ деляется их температуропроводностью.

Лазерное термораскалывание стеклян­ ных труб имеет много общего с управляемым термораскалыванием листового стекла. Одна­

ко одно принципиальное отличие приводит к необходимости рассмотреть этот процесс от­ дельно. При управляемом термораскалывании листового стекла начало трещины находится на краю стеклянной пластины, имеющем обычно много заметных дефектов, способст­ вующих достаточно легкому образованию начала линии термораскалывания по задан­ ному направлению разделения, которое далее относительно легко направляется лазерным лучом по заданной конфигурации разделяе­ мого изделия.

Стеклянная труба имеет замкнутый пе­ риметр. Она также имеет достаточно большое количество дефектов, способных дать начало трещине. Однако эти дефекты в большинстве случаев не выражены явно и не могут иметь свободы для образования локального зазора. Поэтому при лазерном термораскалывании стеклянных труб место начала трещины не определено.

Принципиально возможны две схемы лазерного термораскалывания стеклянных труб, также как и труб из других хрупких

материалов. Первая схема - преобразование формы лазерного луча в радиально сходящий­ ся (или радиально расходящийся - при обра­ ботке изнутри) лучевой диск. При равенстве длины лазерно-лучевой ленты длине контура резания на обрабатываемом стекле образуется линия, вдоль которой возникает напряжение в материале и которая задает контур термо­ раскалывания. На этой линии всегда найдется достаточно заметный дефект стекла, способ­ ный зародить трещину, которая практически мгновенно распространяется по описанному лазерным излучением контуру. Однако осу­ ществить такую технологию не всегда воз­ можно из-за сложности оптической системы. Кроме того, надежность и повторяемость процесса термораскалывания стеклянных труб при однократном воздействии теплового ис­ точники невысоки.

Наиболее надежное и качественное раз­ деление стекла обеспечивается при использо­ вании второй схемы термораскалывания - при многократном воздействии лазерного излуче­ ния на стекло вдоль линии разрушения. Наи­ более легко термораскалывание стеклянных труб можно осуществить их вращением отно­ сительно лазерного луча (или наоборот).

Для осуществления термораскалывания стеклянных труб необходимо обеспечить нафев стекла вдоль всей линии обработки до температуры, превышающей предел термо­ стойкости. При этом необходимо учитывать, что температура нагрева в рассматриваемом случае является неравномерной: в текущей точке непосредственного облучения она зна­ чительно превышает предел термостойкости. Для предотвращения растрескивания поверх­ ности и связанного с этим ухудшения качест­ ва разделяемых изделий максимальная темпе­ ратура нагрева поверхности стекла не должна достигать, как и в процессе управляемого термораскалывания листовых материалов, температуры стеклования.

Другим условием качественного разде­ ления хрупких материалов лазерным излуче­ нием в результате непосредственного термо­ раскалывания независимо от формы разде­ ляемых образцов является обеспечение равен­ ства диаметра df лазерного луча толщине Н стенки разделяемого материала:

Учитывая условие (2.6.4), а также под­ ставляя вместо линейной скорости взаимного перемещения разделяемого материала и ла­ зерного луча более удобную при разделении труб угловую скорость вращения, из (2.6.4) можно получить выражение для максималь­ ной температуры, до которой нагревается поверхность стекла под воздействием под­ вижного лазерного источника:

где п ' частота вращения изделия, с"^; D - наружный диаметр трубы; Р - мощность ла­ зерного источника.

До определяемой по (2.6.5) температуры нагревается поверхность стекла в текущей точке, непосредственно облучаемой в момент времени. При уходе луча в процессе враще­ ния трубы эта температура в результате отвода теплоты вследствие теплопроводности стекла начинает снижаться до прихода луча в эту же точку на следующим обороте. С каждым по­ следующим оборотом линия обработки будет прогреваться до все более высокой температу­ ры. Суммарный нагрев поверхности обраба­ тываемого материала может быть определен как сумма мгновенной температуры То непо­ средственно в точке облучения и средней

температуры стекла Т , которую можно опре­ делить как результат стационарного нагрева усредненным во времени источником нагрева. Для средней температуры нагрева тонких (Н « D) стеклянных труб справедливо выра­ жение:

P{at)1/2

(2.6.6)

Ti^X^DH

Для обеспечения термораскалывания по заданному контуру средняя температура на­ грева по всей линии разделения должна дос­ тигнуть предела термостойкости стекла:

f >ATjf ,

где ATfj - интервал температур, определяю­

щий термостойкость стекла.

Это условие позволяет непосредственно из (2.6.6) получить формулу для расчета вре­ мени, необходимого для нагрева стекла вдоль линии разделения до предела термостойкости. Поскольку в этот момент должно наступить термораскалывание, это значение можно принять в качестве времени резки стеклянной трубы:

а

Для инженерных расчетов необходимо использовать экспериментальное понятие термостойкости стекла АЕр , основанное на

наборе статистических данных по его прочно­ сти при воздействии температурного градиен­ та. Учитывая это, следует иметь в виду, что экспериментальные значения термостойкости

2.6.4.ЛАЗЕРНОЕ СКРАЙБИРОВАНИЕ

ИМАРКИРОВАНИЕ

Скрайбирование представляет собой ши­ роко распространенный метод резки и кон­ турной обработки образцов, в ходе которого испарению подвергается лишь часть поверх­ ности вдоль границы раздела.

Скрайбирование осуществляется путем нанесения на поверхность сплошной канавки или прошивки близко расположенных отвер­ стий, после чего материал легко надламывает­ ся вдоль линии скрайбирования.

Лазерное скрайбирование значительно повышает точность разделения пластин на отдельные кристаллы и производительность операции резки, обеспечивает высокое каче­ ство поверхности пластин, а также позволяет автоматизировать этот процесс. Процесс ла­ зерного скрайбирования универсален и при­ меним для приборов различной геометрии и широкого ряда материалов. Он экономичен даже при малом объеме производства, не тре­ бует высокой квалификации операторов. Этот метод используется для обработки хрупких материалов типа керамики, стекла.

Скрайбирование осуществимо для всех видов полупроводниковых пластин, включая Si, Ge, GaAs, InSb. В отличие от скрайбиро­ вания алмазным резцом возможна обработка пластин с нанесенными на них металличе­ скими пленками.

Лазерное скрайбирование требует мень­ ших затрат энергии на единицу длины, по­ скольку для его осуществления не требуется прорезать материал на всю толщину. По этой причине процесс разделения образца на части с прямолинейными краями выполняется ме­ тодом скрайбирования значительно быстрее, чем путем непосредственной резки. Края за­ готовок, получаемых в результате разделения по методу скрайбирования, менее подверже­ ны разрушению в результате избыточного нагрева и менее искажены термическими напряжениями. Поэтому в тех случаях, когда необходимо получить заготовки прямоуголь­ ной формы, целесообразнее применять метод скрайбирования. Методы непосредственной

резки следует использовать в тех случаях, когда требуется получить заготовки сложной формы.

Учитывая, что разделение материалов методом лазерного скрайбирования с после­ дующим разламыванием наиболее рациональ­ но осуществлять с помощью импульсного лазерного излучения, анализ физических про­ цессов, протекающих при этом, сходен с ана­ лизом процесса возгонки лазерным лучом отверстий в материале.

Лунки в материале могут образовываться как под действием сильных единичных им­ пульсов, так и с помощью многоимпульсной обработки в режиме модулированной доброт­ ности. Последний режим обработки позволяет получать необходимый результат при скрайбировании материала непрерывно движущим­ ся лазерным лучом с большой частотой следо­ вания импульсов, обеспечивающей перекры­ тие лунок. Снижение энергии в импульсе в данном случае компенсируется соответствую­ щим повышением частоты повторения им­ пульсов.

Перекрытие лунок характеризуется соот­ ветствующим коэффициентом

^п=(27-^)/Ы'

где rf - радиус лунки на поверхности образца; S - расстояние между центрами двух соседних лунок.

Учитывая, что

' 1

коэффициент перекрытая можно определить как

'-^ii-^'

где 1^ - длительность паузы; т^^ - длитель­

ность импульса; F^ - частота следования

импульсов.

При достаточно большой мощности из­ лучения поверхностная часть стекла расплав-

ляется. При уходе луча стекло быстро затвер­ девает, что сопровождается резким изменени­ ем его объема в обрабатываемой области и приводит к поверхностному растрескиванию стекла. При этом след луча имеет вид строч­ ного шва (строчки). При достаточно большой скорости обработки эта строчка отделяется от стекла аналогично стружке при механической обработке. Самопроизвольное разделение стекла по этому контуру происходит доста­ точно редко. Чаще всего необходимо разла­ мывать стекла по контуру механическим спо­ собом, дополнительным термоударом или их комбинацией.

При дальнейшем повышении степени воздействия лазерного излучения часть стекла разлагается, возгоняется и испаряется, обра­ зуя вдоль линии обработки дорожку, сопро­ вождаемую крестообразными трещинами. При этом последующее разламывание значительно облегчается. Однако края разделенного таким образом стекла получаются неровными из-за наличия трещин, искажающих область разде­ ления, а также возможности ухода трещин в сторону от линии скрайбирования. Этот не­ достаток можно устранить повышением энергии лазерного излучения снижением вре­ мени его воздействия до такой степени, чтобы стекло испарялось вдоль линии обработки практически без прогрева прилегающей об­ ласти стекла.

Такой режим обработки реально осуще­ ствим при воздействии на материал импульс­ ного лазерного излучения. Большая энергия в импульсе позволяет быстро испарить часть стекла вдоль линии обработки, а пауза между импульсами приводит к тому, что стекло в это время охлаждается и его средний нагрев ока­ зывается незначительным. В результате этого в стекле не наблюдаются заметные термона­ пряжения и оно не разрушается. Такой вид скрайбирования образует последовательность лунок вдоль линии обработки, по которой можно осуществить разламывание стекла без образования заметных сколов и неровностей краев среза. Еще большая точность разделе­ ния обеспечивается в том случае, если обра­ зованные лазерным излучением лунки распо­ лагаются рядом, с небольшим перекрытием в виде ровной неглубокой канавки. Таким пу­ тем удается обеспечить наиболее качественное разделение хрупких материалов с точностью до 30 мкм.

При скрайбировании стекла благодаря короткоимпульсному воздействию с непо­ средственной возгонкой материала размягче­ ния стекла не происходит. Для предотвраще­ ния откалывания стекла область материала, в которой возникают заметные напряжения, должна быть ограниченной. Это возможно в

том случае, если на периферии пространства, ограниченного линейной протяженностью области скрайбирования /, температура нагре­ ва стекла не достигает предела термостойкости

Учитывая, что в режиме скрайбирования применяется фокусировка лазерного излуче­ ния в пятно минимального размера, диаметр которого меньше линейной протяженности области профева, лазерное излучение можно считать точечным источником и использовать для вычисления температурного поля соответ­ ствующую формулу:

тывая, что для эффективного разделения дос­ таточно, чтобы глубина лунки составляла примерно 25% толщины материала [/ = Я/4],

получаем формулу для оценки средней мощ­ ности лазерного излучения, превышение ко­ торой приводит к обкалыванию кромок раз­ деления стекла:

Р <(\/2)nXjHATff ехр|

Связь между импульсными параметрами излучения

Р = Р X F =w F

дает возможность оценить граничную частоту следования импульсов, превышение которой приводит к перегреву материала и его некон­ тролируемому скалыванию.

Скрайбирование пластин из кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов выполняют для последующего разделения пластин на отдельные элементы по линии надреза. В электронной промыш­ ленности такой способ разделения применяют на одной из стадий групповой технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. Лазерное скрайбирование находит все более широкое применение, вы­ тесняя скрайбирование алмазным резцом.

Лазерный метод имеет следующее дос­ тоинство: возможность получения надрезов с ровными и чистыми краями, без загрязнения микросхем отходами резки; получение более глубоких по сравнению с механическим спо­ собом надрезов без приложения усилий к разделяемому материалу, что исключает ско­ лы на углах микросхем; более высокий про­ цент выхода годных изделий после разламы­ вания пластины; возможность получения не

Маркировка. Один из видов фигурной обработки поверхности материалов состоит в том, что лазерный луч, форма сечения кото­ рого задается с помощью маски, проецируется на обрабатываемую поверхность в нужном масштабе для получения фигурного изобра­ жения, повторяющего форму маски.

Данный метод обработки поверхностей, получивший название проекционного, широ­ ко применяется в микроэлектронике для фи­ гурной обработки тонких пленок, а также в других областях для обработки поверхностей объемных заготовок. Одним из направлений проекционного метода является нанесение знаков (лазерное печатание) на обрабатывае­ мые детали с целью идентификации продук­ ции, нанесения на изделия соответствующей информации.

К лазерной маркировке следует прибе­ гать лишь в тех случаях, когда требования к маркировке не могут быть достаточно хорошо выполнены обычными методами (трафаретная печать, механическая или ручная гравировка, травление). Эта необходимость возникает в

тех случаях, когда изделия имеют малые раз­ меры или очень хрупки, а также при необхо­ димости обеспечить высокую скорость марки­ ровки.

В частности, к механическим воздейст­ виям чувствителен материал интегральных схем, в качестве которого используются тон­ кие пластины монокристалла кремния.

Спектр поглощения кремния таков, что только излучение с длиной волны Aienee 1,1 мкм может достаточно эффективно ис­ пользоваться для маркировки этого материала при плотности мощности порядка 10^ Вт/см^; температурные градиенты достигают значений 10^ °С/см. Ширина зоны возникновения на­ пряжений в полупроводнике, вызванных тер­ мическим действием лазерного пучка, состав­ ляет около 180 мкм.

Проекционный метод обработки позво­ ляет наносить сложные знаки с помощью всего лишь одного лазерного импульса с вы­ сокой мощностью излучения.

Второй метод маркировки заключается в сканировании сфокусированного лазерного