1.Введение
С момента появления первого лазера в 1960 исследования лазера и его применение в различных областях быстро развивались. Его высокая согласованность широко используется в областях высокоточных измерений, анализа структуры материала, хранения информации и коммуникации. Высокая направленность и яркость лазера могут найти широкое применение в обрабатывающей промышленности. Благодаря постоянным инновациям и оптимизации лазерных устройств, новых источников стимулированного излучения и соответствующих процессов, особенно в последние 20 годы, технология лазерного производства проникла во многие высокотехнологичные области и отрасли и стала заменять или преобразовывать некоторые традиционные обрабатывающие производства.
В 1987 американские ученые выдвинули план развития микроэлектромеханической системы (MEMS), которая знаменует новую эру человеческих исследований в области микрооборудования. В настоящее время производственные технологии, используемые в микрообработке, в основном включают технологию обработки полупроводников, технологию электролитического микроформирования (Liga), технологию сверхточной обработки и специальную технологию микрообработки. Среди них особый метод микрообработки - прямое воздействие энергии обработки для достижения удаления молекул или атомов один за другим. Специальная обработка осуществляется в форме электрической энергии, тепловой энергии, световой энергии, звуковой энергии, химической энергии и т. Д. Обычно используются методы EDM, ультразвуковая обработка, электронно-лучевая обработка, ионно-лучевая обработка, электрохимическая обработка и т. Д. В В последние годы был разработан новый метод микрообработки: фотоформование, включая стереолитографию, фотомаски и т. д. Лазерная микрообработка имеет большой потенциал в области применения и разработки.
2.Основное применение технологии лазерной микрообработки
С развитием электронных продуктов в направлении портативности и миниатюризации, улучшение информации об объеме единицы (высокая плотность) и скорости обработки в единицу времени (высокая скорость) выдвинуло новые требования к технологии упаковки микроэлектроники. Например, современные мобильные телефоны и цифровые камеры оснащены примерно 1200 межсоединениями на квадратный сантиметр. Ключом к повышению уровня упаковки чипов является сохранение микроперегородок между линиями разных слоев, что не только обеспечивает высокоскоростное соединение между устройствами поверхностного монтажа и сигнальной панелью внизу, но также эффективно уменьшает площадь упаковки ,
С другой стороны, с развитием портативных электронных продуктов, таких как мобильные телефоны, цифровые камеры и ноутбуки, для легких, тонких, коротких и маленьких в последние годы, печатные платы (ПП) постепенно демонстрируют характеристики многослойного и многофункционального технология соединения высокой плотности в качестве основного корпуса. Для того, чтобы эффективно обеспечить электрическое соединение между слоями и фиксацию внешних устройств, через стало важной частью многослойной печатной платы. В настоящее время стоимость бурения обычно составляет 30% - 40% от стоимости изготовления печатных плат. В конструкции высокоскоростной печатной платы высокой плотности дизайнеры всегда надеются, что чем меньше переход, тем лучше, чтобы на плате было не только больше места для проводки. И чем меньше проход, тем больше подходит для высокоскоростной цепи. Минимальный размер традиционного механического бурения составляет всего 100 мкм, что, очевидно, не может соответствовать требованиям. Вместо этого принят новый лазерный метод обработки микро сквозных отверстий. В настоящее время можно получить небольшое отверстие диаметром 30 - 40 мкм или небольшое отверстие диаметром около 10 мкм, используя CO 2 лазер в промышленности.
Технология лазерной микрообработки может использоваться для резки, сверления, вырезания, разметки, проникновения тепла, сварки и т. Д. В производстве оборудования, автомобилестроении, авиационном прецизионном производстве и в различных отраслях микрообработки, таких как обработка струйной части струйный принтер размером более 20 микрон. Использование технологии лазерной обработки поверхности, такой как микропрессование, полировка и т. Д., Для обработки различных микрооптических элементов или посредством лазерного наполнения пористого стекла, аморфизация стеклокерамики для изменения структуры, а затем путем регулировки внешней механической силы и затем на стадии размягчения микрооптические элементы обрабатывают с помощью плазменного микроформирования.
Общая лазерная технология микрообработки
Технология лазерной микрообработки имеет много преимуществ, таких как бесконтактная, селективная обработка, небольшая зона термического влияния, высокая точность и частота повторения, высокая гибкость обработки размера и формы детали. Фактически, самой большой характеристикой технологии лазерной микрообработки является" прямая запись" ;, которая упрощает процесс и реализует быстрое создание прототипов микромашин. Кроме того, этот метод не имеет проблем с загрязнением окружающей среды, таких как коррозия, поэтому его можно назвать&"зеленое производство GG". Существует два типа технологий лазерной микрообработки, используемых в микрообработке:
1) Технология микрообработки удаления материала, такая как лазерная прямая запись микрообработки, лазерная лига и т. Д .;
2) Технология микромашинной укладки материалов, такая как лазерная микростереолитография, лазерное осаждение, лазерное селективное спекание и так далее.
Другие технологии лазерной микрообработки
Импульсное лазерное травление - это новая область исследований лазерных технологий. Он использует коротковолновый удвоенный по частоте лазер или пикосекундный фемтосекундный лазер в сочетании с высокоточным станком с ЧПУ для травления и обработки различных материалов. Качество микроструктуры, сформированной на поверхности этих материалов, намного выше, когда материалы травятся коротким импульсом, а затем удаляются. В 2001 приборы Гейдельберга в Германии использовали тройную частоту (длину волны {{3}}. 7 нм), чтобы получить фокусное пятно с минимумом 5 мм. минимальный обрабатываемый размер элемента 10 мм и точность 1 мм. На рисунке 5 показана трехмерная форма импульсного лазера, протравленного на WC / Co. Диаметр фокусного пятна лазера составляет 5 мм, а направления подачи X и Y - {{5 }} мм. {{1 3}}. 3 мм удаляется для каждого слоя, а средняя шероховатость поверхности составляет 0. 16 мм. Лазерная микрорезка в принципе аналогична лазерному травлению. Он также использует удвоенный по частоте или фемтосекундный лазер в качестве источника света для точной фокусировки луча и точного контроля ввода энергии. Тепловой эффект невелик, и выполняется резка микроудалением.
3.Новейшая разработка ультракороткоимпульсного лазера в технологии микрообработки
CO 2 лазер и YAG лазер - это лазер с непрерывным и длинным импульсом. Они в основном направлены на формирование высокой плотности энергии, которая может генерировать высокие температуры в локальной области для удаления материалов. Они в основном в области термической обработки, с ограниченной точностью обработки. Эксимерный лазер полагается на свою коротковолновую часть (УФ) для взаимодействия с фотохимией материала, и его характерный масштаб может достигать порядка микрометра. Однако газ, необходимый эксимерному лазеру, является коррозийным и его трудно контролировать. Кроме того, высокопрочный УФ-лазер легко повреждает оптические элементы системы обработки, поэтому его применение ограничено. При дальнейшем изучении лазерного поля ширина лазерного импульса во временной области сжимается все более и более коротко, от наносекунды (10-9 с) до пикосекунды (10-12 с) до фемтосекунды (10 -1 5 с).
Лазер с фемтосекундным импульсом имеет следующие две характеристики: (1) длительность импульса мала. Длительность фемтосекундного импульса может составлять всего несколько фемтосекунд, и свет распространяется только на 0. {{2}} мкм в 1 ФС, что меньше диаметра большинства ячеек; (2) пиковая мощность очень высока. Фемтосекундный лазер концентрирует энергию импульса за несколько сотен фемтосекунд, поэтому его пиковая мощность очень высока. Например, если энергия L μ J концентрируется за несколько фемтосекунд и сходится в пятно 1 0 мкм, его оптическая плотность мощности может достигать 1 0 1 8 Вт / см 2, и его напряженность электрического поля может быть преобразована в 2 × 1 0 1 2 в / м, что в 4 раз Из-за напряженности кулоновского поля (5 × 1 0 1 1 v / M) в атоме водорода можно отделить электрон от атома напрямую.
От механизма взаимодействия лазера и прозрачных материалов ширина импульса составляет от непрерывного лазера до десятков пикосекунд, а механизм повреждения - это процесс лавинной ионизации, который зависит от начальной электронной плотности, в то время как начальная электронная плотность в материалах сильно изменяется из-за неравномерное распределение примесей. Следовательно, порог повреждения сильно меняется. Порог повреждения лазера с длинным импульсом определяется как плотность потока энергии лазера с вероятностью повреждения 50%, то есть порог повреждения лазера с длинным импульсом является статистическим значением. Напряженность поля ультракороткого импульсного лазера очень высока. Связанный электрон может одновременно поглощать n фотонов и напрямую переходить от связанного уровня к свободному. Хотя повреждение, вызванное ультракоротким импульсным лазером, также является процессом лавинной ионизации, его электроны образуются в процессе многофотонной ионизации и более не зависят от начальной плотности электронов в материале. Следовательно, порог повреждения является точным значением. Порог повреждения импульсного лазера уменьшается с уменьшением ширины импульса. На пикосекундном уровне скорость снижения замедляется, а на фемтосекундном уровне практически не изменяется.
Кроме того, поскольку порог повреждения ультракороткого импульсного лазера является очень точным, энергия лазера контролируется так, чтобы быть точно равной или немного превышающей порог повреждения, тогда только часть, превышающая порог повреждения, производит абляцию, а субмикронная обработка ниже дифракционный предел может быть выполнен. Фемтосекундный лазер может генерировать сверхвысокую интенсивность света, иметь точный и низкий порог повреждения, иметь очень небольшую площадь теплового воздействия и может точно обрабатывать практически все виды материалов. Кроме того, точность обработки очень высока и может точно обрабатывать субмикронный размер.
Лазерная микрообработка имеет такие преимущества, как высокая эффективность производства, низкая стоимость, стабильное и надежное качество обработки, хорошие экономические и социальные преимущества. Фемтосекундный лазер разрушает традиционный метод лазерной обработки с его уникальными преимуществами короткой длительности импульса, высокой пиковой мощности и создания нового поля сверхтонких материалов, нетеплового повреждения и 3 обработки и обработки пространства {D} , Применение технологии фемтосекундной лазерной обработки включает микроэлектронику, фотонно-кристаллические устройства, устройства волоконно-оптической связи с высокой скоростью передачи информации (1 тбит / с), микрообработку, новую трехмерную оптическую память, производство микромедицинских устройств и клеточную биоинженерию. технологии и тд. Можно предсказать, что технология лазерной микрообработки станет высокотехнологичной во 2 1 веке с ее незаменимыми преимуществами.
ConcluSion
В эпоху индустриализации все страны мира гордятся производством крупногабаритных машин; в эпоху информационных технологий все развитые индустриальные страны стремятся исследовать микроматериалы и производить все более мелкие станки; в то время как в эпоху нанотехнологий, чтобы приспособиться к развитию национальной обороны, аэрокосмической, медицинской и биоинженерии, микрообработка сегодня является наиболее активным научным направлением в обрабатывающей промышленности. Одним из них является то, что уровень развития микромеханических технологий стал одним из стандарты для измерения всесторонней силы страны. Технология лазерной микрообработки показывает все больше уникальных преимуществ в технологии микрообработки и имеет широкие перспективы развития. Китай должен разработать технологию лазерной микрообработки с независимыми правами интеллектуальной собственности, чтобы занять место в будущей сфере высоких технологий.