3.1.2. Размерная обработка материалов
Под размерной обработкой подразумевают пробивку и сверление микроотверстий, резку различных материалов, скрайбирование и раскалывание хрупких материалов. Все перечисленные операции, кроме последней, связаны с удалением материала за счет испарения из зоны обработки. Это требует использования плотностей мощности порядка 106 - 108 Вт/см2 .
ПРОБИВКА И СВЕРЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ
Эта операция широко используется в промышленности, в приборостроении для получения отверстий в любых, в том числе хрупких и твердых, материалах диаметром от 10 мкм до 1 мм. Имеющая место шероховатость стенок при пробивке отверстий может быть уменьшена продувкой газа в процессе формирования канала.
Рис. 2 Стадии обработки отверстия алмазной волоки:
1 - кристалл алмаза; 2 - пластина из хорошо поглощающего излучение материала; 3 - сфокусированное излучение; 4 - лунка в пластине 2; 5 - начальная лунка в кристалле алмаза; 6 - входная распушка и смазочный конус; 7 - рабочий канал; 8 - выходная распушка
Наиболее выигрышной эта операция является при изготовлении отверстий малых диаметров и в хрупких материалах. Впечатляющим процессом является технология получения отверстий в алмазных волоках. Этот процесс достаточно сложный и ответственный, поэтому обработку ведут, комбинируя лазерную и ультразвуковую обработки. Ввиду чрезвычайной хрупкости материала используется многоимпульсный метод. Стадии одного из вариантов показаны на рис.2. Использование лазерного излучения позволило процесс получения отверстий в алмазных волоках или подшипниках ускорить в сотни раз.
Для получения отверстий диаметром dо < 5 мкм используются лазеры с малыми значениями длин волн.
ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА
Особенности физических процессов лазерной резки связаны с разрушением материала за счет испарения движущимся источником тепла и использованием при резке непрерывного или импульсного излучения. Удобнее всего резку материалов вести лазерами непрерывного действия, например СО2 -лазерами мощностью 10 2 – 104 Вт. Для обеспечения процесса резки металлов часто производится поддув газов: инертных – для повышения чистоты поверхности реза или кислорода – для повышения скорости реза.
В большинстве случаев световой поток, сфокусированный в пятно dг движется со скоростью uо. Если теплонасыщение произойдет раньше, чем световое пятно пройдет путь, равный своему радиусу, то есть uо× rг /x < 1 (коэффициент температуропроводности), то источник считается медленно движущимся и наиболее употребим. Пороговая интенсивность светового потока, необходимая для начала резки.
В случае импульсного излучения возникают дополнительные требования к скорости движения источника тепла, мощности и частоте излучения. При импульсном излучении, если скважность импульсов мала, пользуются усредненными мощностными характеристиками эквивалентными характеристикам непрерывного излучения. Если tи < 0,1 rг / uо, то источник считается неподвижным при uо < 1 см/с, rг > 10 мкм. При f< x /(30 rг2) после каждого импульса материал начинает остывать, так как не происходит достаточного накопления тепла, а результат воздействия определяется параметрами отдельного импульса. Отсюда понятно, что при импульсном режиме работы лазера для проведения этой технологической операции необходимо увеличение мощности, частоты импульсов при уменьшении скорости перемещения источника излучения.
По сравнению с традиционными методами резки абразивными алмазными кругами лазер обладает следующими преимуществами: позволяет легко резать сверхтвердые материалы (например, алмазы, корунды); делать малую ширину пропила (в несколько десятков микрон); изготавливать детали сложной формы в хрупких материалах, обрабатывать кристаллы с большими внутренними напряжениями независимо от их кристаллической ориентации.
СКРАЙБИРОВАНИЕ.
Скрайбирование лучам лазера можно проводить при острой фокусировке луча (10-5 – 10-6 см2) достаточно высокой мощности (до 108 Вт) и малом времени воздействия (до 10-9 с). С увеличением мощности и уменьшением длительности импульса до 10-8 с на поверхности обрабатываемого материала возникает плазменное облако, дающее при расширении плазменную волну, которая стимулирует возникновение дефектов структуры в монокристаллических пластинах кремния. Воздействие лазерного луча приводит к нагреву кремния со скоростью 108 град/с, плавлению и частичному испарению, затем охлаждению со скоростью 105 град/с и эпитаксиальной рекристаллизации расплавленного кремния. Термические напряжения, возникающие вследствие больших градиентов температуры, генерируют большое число дислокаций, выстраиваемых по направлению распространения трещин.
Скрайбирование лучом лазера имеет как преимущества, так и недостатки по сравнению со скрайбированием алмазным резцом. К первым относятся: уменьшение числа и размеров микротрещин и сколов, возможность создания большей глубины царапин, более высокая скорость скрайбирования. Недостатками метода являются: разбрызгивание расплавленного материала, что заставляет применять специальные покрытия для защиты рабочей поверхности полупроводниковой пластины.
В установках лазерного скрайбирования применяют твердотельные лазеры с частотой следования импульсов до 10 кГц, длительностью импульса не более 0,5 мкс и диаметром пятна около 25 мкм, что обеспечивает получение риски шириной около 30 мкм и глубиной 50 мкм при скорости скрайбирования 100 мм/с. Сквозное разделение (на глубину 200 мкм) осуществляется скоростью 5…10 мм/с.