В настоящее время в таких областях, как полупроводниковая, аэрокосмическая и высокотехнологичная испытательная аппаратура-часто требуется точный контроль газов или жидкостей. Качество обработки микро-отверстий в системах управления потоком является критическим фактором, определяющим точность потока, а также надежность и стабильность системы.
Являясь передовой-технологией лазерной обработки, фемтосекундные лазеры играют жизненно важную роль в изготовлении микронных-микро-отверстий благодаря своим преимуществам в высокой точности, высокой округлости и превосходному качеству. Они демонстрируют значительные преимущества в применении, особенно при обработке таких компонентов, как клапаны регулирования расхода.
Что такое газовый/жидкостный клапан?
Клапан — это устройство, используемое для управления газами или жидкостями. Он может ограничивать прохождение газа или жидкости, а также регулировать или контролировать направление, давление и скорость потока жидкости.
В медицинской и полупроводниковой промышленности требования к управлению потоками чрезвычайно строгие. Микро-отверстия в этих клапанах обычно имеют диаметр в микронном масштабе. Следовательно, для достижения точных и стабильных скоростей потока необходимы исключительно высокие стандарты качества и стабильности обработки.
Производительность фемтосекундного лазера при обработке микро-отверстий диаметром 100 мкм
Представьте себе, что когда газ или жидкость проходит через микро-отверстие, создается локализованный перепад давления. Точный контроль диаметра отверстия позволяет поддерживать расход жидкости в определенном диапазоне или создавать значительный перепад давления.
Требования к обработке микро-отверстий, предъявляемые гидравлическими клапанами
Если взять в качестве примера полупроводниковое оборудование, душевые насадки можно рассматривать как разновидность жидкостного клапана. Их микро-отверстия имеют решающее значение для контроля стабильности процесса, поскольку газ равномерно проходит через тысячи микро-отверстий в насадке душа, а затем равномерно распыляется или осаждается на поверхность пластины. Другими словами, качество обработки микро-отверстий напрямую определяет ключевые показатели прецизионного оборудования, такие как скорость потока жидкости, точность и стабильность контроля давления, а также повторяемость процесса.
В то же время это также создает проблемы при обработке микро-отверстий.
1. Апертура с микро-отверстием:
Требуются апертуры микронного-уровня, причем относительно часто встречаются 20–500 мкм. Кроме того, поскольку точность производства и требования продолжают расти, отрасль продвигается к соблюдению требований к апертуре 5–10 мкм и даже 2–5 мкм.
Производительность фемтосекундного лазера при обработке микро-отверстий диаметром 3 мкм
2. Точность размеров:
Микро-отверстия должны соответствовать строгим требованиям к точности размеров, обычно на уровне 1–5 мкм. В более требовательных приложениях требуется точность в пределах ±0,5 мкм для обеспечения точности и постоянства управления потоком.
Производительность фемтосекундного лазера при обработке массивов микро- отверстий диаметром 10 мкм
3. Шероховатость внутренней стенки микро-отверстий:
Стенки отверстий должны быть гладкими, со значением Ra в пределах 0,4 мкм (чем меньше, тем лучше). Кроме того, стенки отверстий не должны иметь таких дефектов, как микро-трещины и переплавленные слои. Это связано с тем, что даже самый маленький дефект может повлиять на точность контроля жидкости и стабильность производственного процесса.
Эффективность фемтосекундного лазера при изготовлении массовых микро-отверстий
4. Консистенция микро-отверстий:
В прецизионных системах контроля жидкости недостаточно просто гарантировать качество одного микро-отверстия; Крайне важно обеспечить единообразие всех микро-отверстий в одном компоненте или во всей партии продуктов. Следовательно, это предъявляет чрезвычайно высокие требования к стабильности процесса и оборудования для обработки микроотверстий.
Преимущества фемтосекундной лазерной обработки микро-отверстий клапанов
Фемтосекундный лазер состоит из двух основных понятий: фемтосекунды и лазера.
Фемтосекунда — это понятие времени, такое же, как минуты и секунды, которые мы обычно используем. Для сравнения: 1 секунда равна 1000 триллионам фемтосекунд. Отсюда видно, что фемтосекунда — чрезвычайно короткая единица времени.
Лазер, что означает усиление света посредством стимулированного излучения, известен как «самый быстрый нож», «самая точная линейка» и «самый яркий свет».
Таким образом, когда чрезвычайно короткая единица времени «фемтосекунда» сочетается с чрезвычайно высокими характеристиками плотности энергии «лазера», он приобретает волшебные свойства: сверх-высокая скорость импульса приводит к холодной обработке, а чрезвычайно высокая пиковая мощность позволяет обрабатывать любые материалы.
Эффективность фемтосекундного лазера при обработке отверстий для ограничения потока на полиимидной пленке
Эти характеристики обеспечивают значительные преимущества при обработке микро-отверстий, а именно:
1. Контролируемый диаметр микро-отверстий:
Фемтосекундные лазеры являются мастерами микро-нанопроизводства в микронном масштабе. Они позволяют выполнять обработку микро-отверстий диаметром 2 мкм и более, при этом диаметр и конусность отверстия полностью контролируются.
2. Высокая точность диафрагмы:
Диаметр пятна фемтосекундного лазера составляет всего от нескольких микрон до примерно десяти микрон, а площадь удаления материала за импульс мала. Следовательно, это гарантирует, что точность обработки апертуры микро-отверстий может достигать ±1 мкм. Более того, если фемтосекундное лазерное оборудование обладает достаточной стабильностью, оно может гарантировать, что массивы из десятков тысяч микро-отверстий также сохранят этот чрезвычайно высокий уровень точности.
3. Широкая адаптируемость материалов:
Используя свою особенность сверх-высокой пиковой мощности, фемтосекундная лазерная обработка позволяет обрабатывать практически любой материал. Сюда входят твердые сплавы, такие как нержавеющая сталь, титановые сплавы, никель-титановые сплавы и вольфрамовые-молибденовые сплавы, а также не-неметаллические материалы, такие как керамика, кремний, стекло и PI (полиимид).
4. Минимальное тепловое воздействие:
Длительность импульса фемтосекундных лазеров чрезвычайно мала, в фемтосекундном масштабе, что намного меньше пикосекундного масштаба, необходимого для передачи тепла в материале. Таким образом, достигается точное, локализованное удаление материала до того, как тепло рассеется в окружающий материал. Это позволяет избежать изменения физических или химических свойств соседних материалов, реализуя «холодную обработку» с минимальным термическим воздействием, что приводит к отсутствию повторного слоя и микротрещинам.
5. Высокое соотношение сторон:
С ростом спроса для некоторых микроотверстий клапана требуется соотношение сторон (отношение глубины-к-диаметру) более 10:1, а в некоторых случаях требуется соотношение 12:1 или даже 15:1. Хотя некоторые традиционные методы обработки могут достичь этого при больших отверстиях, они совершенно неспособны сделать это при работе с отверстиями в диапазоне суб-миллиметров (сотни микрон) в сочетании с высокими требованиями к точности. Однако фемтосекундные лазеры обеспечивают одновременное достижение высокой точности и высокого соотношения сторон.
6. Обрабатываемая поверхность различной геометрии:
Обычные клапанные пластины с микро-отверстиями обычно представляют собой плоские материалы, которые можно обрабатывать с помощью стандартного 3-осного оборудования. Однако некоторые клапаны изготавливаются из трубчатых материалов или представляют собой заготовки неправильной формы; в этих случаях обычное 3-осевое оборудование с трудом соответствует требованиям точной обработки. Фемтосекундные лазерные системы могут быть оснащены 5-осевой конфигурацией, что позволяет легко выполнять обработку микроотверстий для изделий различной формы и формы.
Микро-прецизионный станок для лазерной резки и сверления
Требования к обработке клапанов в таких областях, как производство полупроводников, представляют собой вершину высокотехнологичной-технологии управления подачей жидкости. Их стандарты проектирования и производства напрямую определяют производительность и надежность процессов производства полупроводников. Следовательно, понимание преимуществ обработки и характеристик фемтосекундных лазеров имеет огромное значение для обработки микро-отверстий для полупроводниковых ламп.
Мы считаем, что по мере того, как все больше профессионалов будут понимать и использовать технологию фемтосекундного лазера для обработки микро-отверстий клапанов, это будет способствовать дальнейшему развитию и инновациям в отечественных технологиях управления подачей жидкости.