1.Įvadas
Kadangi pirmasis lazeris pasirodė 1960, lazerio tyrimai ir jo pritaikymas įvairiose srityse sparčiai vystėsi. Jo didelis suderinamumas buvo plačiai naudojamas didelio tikslumo matavimų, medžiagų struktūros analizės, informacijos saugojimo ir komunikacijos srityse. Didelis lazerio kryptingumas ir ryškumas gali būti plačiai naudojamas gamybos pramonėje. Nuolat diegiant naujoves ir optimizuojant lazerinius prietaisus, naujus stimuliuojamos radiacijos šaltinius ir atitinkamus procesus, ypač per pastaruosius 20 metus, lazerių gamybos technologija įsiskverbė į daugelį aukštųjų technologijų sričių ir pramonės sričių ir pradėjo kai kurias pakeisti ar pertvarkyti. tradicinės perdirbimo pramonės šakos.
1987 amerikiečių mokslininkai pateikė mikroelektrinės mechaninės sistemos (MEMS) plėtros planą, kuris žymi naują žmonių atliktą mikro mašinų tyrimų erą. Šiuo metu mikrotraumuose naudojamos gamybos technologijos daugiausia apima puslaidininkių apdirbimo technologiją, mikrolitografijos elektroformavimo (Liga) technologiją, ypač tikslaus apdirbimo technologiją ir specialią mikromašinimo technologiją. Tarp jų, specialus mikromatavimo metodas yra skirtas tiesioginiam energijos perdirbimo efektui pasiekti, kad būtų galima po vieną pašalinti molekules ar atomus. Specialus apdirbimas atliekamas elektros energijos, šilumos energijos, šviesos energijos, garso energijos, cheminės energijos ir kt. Pavidalu. Dažniausiai naudojami metodai yra EDM, ultragarsinis apdirbimas, elektronų pluošto apdirbimas, jonų pluošto apdirbimas, elektrocheminis apdirbimas ir kt. Pastaraisiais metais buvo sukurtas naujas mikromašinimosi metodas: fotoformavimas, įskaitant stereolitografiją, fotomask ir kt. Lazerinis mikromašinimas turi didelį pritaikymo ir tobulinimo potencialą.
2.Pagrindinis lazerinio mikromatavimo technologijos pritaikymas
Tobulėjant elektroniniams gaminiams, siekiant nešiojamųjų ir miniatiūrinių, pagerėjus informacijos apie vienetą tūriui (dideliam tankiui) ir apdorojimo greičiui vienetui (dideliam greičiui), buvo iškelti nauji reikalavimai mikroelektroninėms pakavimo technologijoms. Pavyzdžiui, šiuolaikiniai mobilieji telefonai ir skaitmeniniai fotoaparatai aprūpinti maždaug 1200 sujungimais kvadratiniame centimetre. Svarbiausias dalykas, norint pagerinti lusto pakavimo lygį, yra išlaikyti mikro vijų egzistavimą tarp skirtingų sluoksnių linijų, o tai ne tik užtikrina greitą ryšį tarp paviršiuje montuojamų įtaisų ir žemiau esančio signalo skydelio, bet ir efektyviai sumažina pakavimo plotą. .
Kita vertus, pastaraisiais metais tobulinant nešiojamus elektroninius gaminius, tokius kaip mobilieji telefonai, skaitmeniniai fotoaparatai ir nešiojamieji kompiuteriai, lengvus, plonus, trumpus ir mažus, spausdintinės plokštės (PCB) palaipsniui demonstruoja sluoksniavimo savybes ir daugiafunkcines su didelio tankio sujungimo technologija kaip pagrindinis korpusas. Siekiant veiksmingai užtikrinti elektrinį ryšį tarp sluoksnių ir išorinių įrenginių fiksavimą, via tapo svarbia daugiasluoksnių PCB dalimi. Šiuo metu gręžimo išlaidos paprastai sudaro 30% - 40% PCB gamybos sąnaudų. Didelės spartos, didelio tankio PCB dizainas dizaineriai visada tikisi, kad kuo mažesnis tarpas, tuo geriau, kad plokštėje būtų ne tik daugiau laidų. Ir kuo mažesnis viadukas, tuo labiau tinkamas greitaeigėms grandinėms. Mažiausias tradicinio mechaninio gręžimo dydis yra tik 100 μm, o tai akivaizdžiai negali atitikti reikalavimų. Vietoj to, yra priimtas naujas lazerinis mikro-skylių apdorojimo būdas. Šiuo metu galima gauti mažą skylę, kurios skersmuo 30 - 40 μm, arba nedidelę, maždaug 10 μm skersmens skylę, naudojant CO 2 lazerį. pramonėje.
Lazerinis mikromažo technologija gali būti naudojama pjaustyti, gręžti, drožti, raštiniui ruošti, šilumai įsiskverbti, suvirinti ir pan. Įrangos gamybos, automobilių, aviacijos tiksliosios gamybos ir įvairiose mikro apdirbimo pramonės šakose, pavyzdžiui, apdirbant rašalo purkštukų dalį. rašalinis spausdintuvas, kurio dydis yra didesnis nei 20 mikronų. Naudojant paviršiaus lazerio apdorojimo technologijas, tokias kaip mikro presavimas, poliravimas ir pan., Apdoroti įvairius mikrooptinius elementus, arba naudojant lazeriu užpildytą porėtą stiklą, stiklo-keramikos amorfizaciją, kad būtų pakeista struktūra, tada, pritaikant išorinę mechaninę jėgą , o tada minkštinimo stadijoje mikrooptiniai elementai yra apdorojami plazminiu mikro formavimu.
Įprasta lazerio mikromatavimo technologija
Lazerinė mikrotraumų apdorojimo technologija turi daug privalumų, tokių kaip nekontaktinis, atrankinis apdirbimas, mažas karščio paveiktas plotas, didelis tikslumas ir pasikartojimo greitis, didelis apdirbimo lankstumas detalių dydžio ir formos atžvilgiu. Tiesą sakant, didžiausia lazerinių mikrotraumų technologijos savybė yra" tiesioginis rašymas" ;, kuris supaprastina procesą ir įgyvendina greitą mikromašinų prototipų sudarymą. Be to, šis metodas neturi jokių aplinkos taršos problemų, tokių kaip korozija, todėl jis gali būti vadinamas" žaliosios gamybos" ;. Yra dviejų tipų lazerinės mikromašinimo technologijos, naudojamos mikromažinime:
1) Medžiagos šalinimo mikromašinimo technologija, tokia kaip tiesioginio rašymo lazeriu mikromašinimas, lazerinė „Liga“ ir kt .;
2) Medžiagų klojimo mikromašinomis technologija, tokia kaip lazerinė mikrolitologija, nusodinimas lazeriu, selektyvusis lazerinis sukepinimas lazeriu ir pan.
Kitos lazerinės mikromatavimo technologijos
Impulsinis lazerinis ėsdinimas yra nauja lazerių technologijos tyrimų sritis. Įvairių medžiagų ėsdinimui ir apdorojimui naudojamas trumpo bangos ilgio dvigubai padidintas lazeris arba pikosekundinis, femtosekundinis lazeris kartu su didelio tikslumo CNC staklėmis. Šių medžiagų paviršiuje susidarančios mikrostruktūros kokybė yra daug aukštesnė, kai medžiagos išgraviruojamos trumpu impulsu, o po to pašalinamos. 2001, Heidelbergo prietaisai Vokietijoje naudojo trigubą dažnį (bangos ilgį {{3}}. 7 nm), kad būtų sufokusuotas taškas, kurio mažiausiai 5 mm, a Mažiausias mechaninio apdirbimo elemento dydis yra 10 mm, o tikslumas - 1 mm. Paveikslėlyje 5 parodyta trimatė impulsinio lazerio forma, išgraviruota ant WC / Co. Lazerio židinio taško skersmuo yra 5 mm, o padėjimas X ir Y kryptimis yra {{5 }} mm. {{1 3}}. 3 mm pašalinamas iš kiekvieno sluoksnio, o vidutinis paviršiaus šiurkštumas yra 0. 16 mm. Mikro pjovimas lazeriu yra tas pats, kas iš principo lazerinis ėsdinimas. Jis taip pat naudoja dvigubai dažnį arba femtosekundinį lazerį kaip šviesos šaltinį, kad tiksliai nukreiptų spindulį ir tiksliai kontroliuotų energijos tiekimą. Šiluminis poveikis yra mažas ir atliekamas mikro pašalinimas.
3.Naujausias ultratrumpų impulsų lazerio tobulinimas mikromažinant
CO 2 lazeris ir YAG lazeris yra nuolatinio ir ilgo impulso lazeris. Jie daugiausia orientuoti į didelio energijos tankio susidarymą, kuris vietinėje vietoje gali sukelti aukštą temperatūrą medžiagoms sugadinti. Iš esmės jie yra terminio apdorojimo srityje, turintys ribotą apdorojimo tikslumą. Eksimerinis lazeris, veikdamas medžiagos fotochemiją, priklauso nuo trumpojo bangos ilgio (UV), o jo charakteristika gali pasiekti mikrometrą. Tačiau dujos, reikalingos eksimeriniam lazeriui, yra ėsdinančios ir sunkiai kontroliuojamos. Be to, didelio stiprio ultravioletiniu lazeriu lengva sugadinti apdorojimo sistemos optinius elementus, todėl jo taikymas yra ribotas. Toliau tiriant lazerio lauką, lazerio impulsų laiko diapazonas yra vis trumpesnis: nuo nanosekundės (10–9 s) iki pikosekundės (10–12 s) iki femtosekundės (10 l 5 s).
Femtosekundės impulsų lazeris turi šias dvi savybes: (1) impulso trukmė yra trumpa. Femtosekundės impulso trukmė gali būti tokia trumpa kaip kelios femtosekundės, o šviesa sklinda tik 0. {{2}} μm 1 FS, tai yra trumpesnis nei daugumos ląstelių skersmuo; (2) didžiausia galia yra labai didelė. „Femtosecond“ lazeris sukoncentruoja impulsų energiją per keletą ar šimtų femtosekundžių, todėl jo didžiausia galia yra labai didelė. Pavyzdžiui, jei L μ J energija yra sukoncentruota per keletą femtosekundžių ir paverčiama į 1 0 μm tašką, jos optinės galios tankis gali siekti 1 0 1 8w / cm 2, o jo elektrinio lauko intensyvumą galima paversti į 2 × 1 0 1 2 v / m, tai yra 4 kartus Kulono lauko stiprio (5 × 1 0 1 1 v / M) vandenilio atome, galima elektroną atskirti nuo atomo tiesiogiai.
Lazerio ir skaidrių medžiagų sąveikos mechanizmo impulsų plotis yra nuo nepertraukiamo lazerio iki dešimčių pikosekundžių, o pažeidimo mechanizmas yra lavinos jonizacijos procesas, kuris priklauso nuo pradinio elektronų tankio, o pradinis elektronų tankis medžiagose labai keičiasi dėl netolygus priemaišų pasiskirstymas. Todėl žalos slenkstis labai keičiasi. Ilgo impulso lazerio pažeidimo riba yra apibrėžiama kaip lazerio energijos srauto tankis, kurio pažeidimo tikimybė yra 50%, tai yra, ilgalaikio impulsinio lazerio pažeidimo riba yra statistinė vertė. Ultratrumpų impulsų lazerio lauko stipris yra labai didelis. Susietas elektronas tuo pačiu metu gali absorbuoti n fotonus ir tiesiogiai pereiti iš surišto lygio į laisvąjį lygį. Nors ultragarso impulsų lazerio daroma žala taip pat yra lavinos jonizacijos procesas, jo elektronai yra gaminami daugiafonio jonizacijos proceso metu ir nebepriklauso nuo pradinio elektronų tankio medžiagoje. Todėl žalos riba yra tiksli vertė. Impulsų lazerio pažeidimo slenkstis mažėja mažėjant impulsų pločiui. Pikosekundės lygiu mažėjimo greitis sulėtėja, o femtosekundės lygiu - beveik nepakitęs.
Be to, kadangi ultratrumpo impulsinio lazerio pažeidimo slenkstis yra labai tikslus, lazerio energija kontroliuojama tiksliai lygi ar šiek tiek didesnė už pažeidimo slenkstį, tada tik ta dalis, didesnė už pažeidimo slenkstį, sukelia abliaciją, o submikrono apdorojimas žemiau difrakcijos ribą galima atlikti. Femtosekundinis lazeris gali generuoti ypač didelį šviesos intensyvumą, turėti tikslų ir žemą žalos slenkstį, turėti labai mažą šilumos paveiktą plotą ir tiksliai apdoroti beveik visas medžiagas. Be to, apdorojimo tikslumas yra labai didelis ir gali tiksliai apdoroti submikronus.
Lazerinis mikromažinimas turi aukšto gamybos efektyvumo, mažų sąnaudų, stabilios ir patikimos apdorojimo kokybės, geros ekonominės ir socialinės naudos pranašumus. Femtosekundinis lazeris nutraukia tradicinį lazerio apdorojimo metodą, pasižymėdamas išskirtiniais trumpo impulso trukmės, didelės piko galios pranašumais ir sukurdamas naują ypač smulkių medžiagų, neterminės žalos, 3 D erdvės apdorojimo ir apdorojimo lauką. . Femtosekundės lazerio apdorojimo technologijos taikymas apima mikroelektroniką, fotoninių kristalų įrenginius, optinio pluošto ryšio įrenginius su dideliu informacijos perdavimo greičiu (1 tbit / s), mikromažinimą, naują trimatę optinę atmintį, mikromedicinos prietaisų gamybą ir ląstelių bioinžineriją. technologija ir pan. Galima numatyti, kad lazerinio mikromaterijavimo technologija taps nepakeičiamais pranašumais 2-ajame amžiuje.
Conclusionas
Industrializacijos laikais visos pasaulio šalys didžiuojasi gamindamos didelio masto mašinas; informacinių technologijų eroje visos pažengusios pramonės šalys yra įsipareigojusios tirti mikro medžiagas ir gaminti vis mažesnes mašinas; Nors nanotechnologijų eroje, siekiant prisitaikyti prie krašto apsaugos, kosminės erdvės, medicinos ir bioinžinerijos plėtros, mikroapdorojimas yra aktyviausia tyrimų kryptis gamybos pramonėje šiandien. Viena yra ta, kad mikromechaninių technologijų išsivystymo lygis tapo vienu iš standartai, skirti išmatuoti bendrą šalies galią. Lazerinė mikrotraumų technologija rodo vis daugiau unikalių mikromodinėjimo technologijos pranašumų ir turi plačias plėtros perspektyvas. Kinija, norėdama užimti vietą būsimoje aukštųjų technologijų srityje, turi sukurti lazerinio mikromaterijavimo technologiją su nepriklausomomis intelektinės nuosavybės teisėmis.