1.Introducere
De când primul laser a apărut în 1960, cercetarea laserului și aplicarea acestuia în diferite domenii s-au dezvoltat rapid. Coerența sa ridicată a fost utilizată pe scară largă în domeniile măsurării de înaltă precizie, analiza structurii materialelor, stocarea informațiilor și comunicare. Directivitatea ridicată și luminozitatea laserului pot fi utilizate pe scară largă în industria de fabricație. Odată cu inovația și optimizarea continuă a dispozitivelor cu laser, noi surse de radiații stimulate și procese corespunzătoare, în special în ultimii 20 ani, tehnologia de fabricație cu laser a pătruns în multe domenii și industrii de înaltă tehnologie și a început să înlocuiască sau să transforme unele industrii tradiționale de prelucrare.
În 1987, oamenii de știință americani au prezentat planul de dezvoltare al sistemului micro-electromecanic (MEMS), care marchează o nouă eră a cercetării umane cu privire la utilajele micro. În prezent, tehnologiile de fabricație utilizate în micromașinare includ în principal tehnologia de procesare a semiconductorilor, tehnologia de microfitografie cu electroformare (Liga), tehnologia de prelucrare ultra-precizie și tehnologia specială de micromașinare. Printre ele, metoda specială de micromașinare este prin efectul direct al energiei de procesare, pentru a realiza îndepărtarea moleculelor sau atomilor unul câte unul. Prelucrarea specială se realizează sub formă de energie electrică, energie termică, energie lumină, energie sonoră, energie chimică etc. Metodele utilizate frecvent sunt EDM, prelucrarea cu ultrasunete, prelucrarea fasciculului de electroni, prelucrarea fasciculului ionic, prelucrarea electrochimică etc. în ultimii ani, a fost dezvoltată o nouă metodă de micromașinare: fotoformare, incluzând stereolitografie, fotomask etc. Micromașinarea cu laser are un potențial mare în aplicare și dezvoltare.
2.Principala aplicație a tehnologiei de micromașinare cu laser
Odată cu dezvoltarea de produse electronice către portabil și miniaturizare, îmbunătățirea informațiilor despre volumul unității (densitate mare) și viteza de procesare a timpului unitar (viteză mare) au prezentat cerințe noi pentru tehnologia de ambalare microelectronică. De exemplu, telefoanele mobile moderne și camerele digitale sunt echipate cu aproximativ 1200 interconectări pe centimetru pătrat. Cheia pentru îmbunătățirea nivelului de ambalare a cipurilor este de a menține existența micro-vias între liniile diferitelor straturi, care nu numai că asigură conexiunea de mare viteză între dispozitivele montate pe suprafață și panoul de semnal de mai jos, dar, de asemenea, reduce eficient zona de ambalare. .
Pe de altă parte, odată cu dezvoltarea de produse electronice portabile, cum ar fi telefoanele mobile, camerele digitale și laptopurile, în ultimii ani, ușoare, scurte și mici, plăcile de circuite imprimate (PCB) arată treptat caracteristicile stratificării și multifuncționale cu Tehnologia de interconectare de înaltă densitate ca corp principal. Pentru a asigura eficient conexiunea electrică între straturi și fixarea dispozitivelor externe, via a devenit o parte importantă a PCB cu mai multe straturi. În prezent, costul de foraj reprezintă de obicei 30% - 40% din costul de fabricație a PCB. În proiectarea PCB de mare viteză, cu densitate ridicată, designerii speră întotdeauna că cu cât viața este mai mică, cu atât mai bine, astfel încât să nu existe doar mai mult spațiu de cablare pe placă. Și cu cât viața este mai mică, cu atât este mai potrivită pentru un circuit de mare viteză. Dimensiunea minimă a găurării mecanice tradiționale este de numai 100 μ m, ceea ce, evident, nu poate îndeplini cerințele. În schimb, este adoptată o nouă metodă de procesare a micro-găurilor cu laser. În prezent, este posibil să se obțină o gaură mică cu un diametru de 30 - 40 μm sau o gaură mică cu un diametru de aproximativ 10 μ m folosind un laser CO 2 în industrie.
Tehnologia de micromachining cu laser poate fi folosită pentru tăierea, găurirea, cioplirea, scribul, pătrunderea căldurii, sudarea și așa mai departe în fabricarea de echipamente, automobile, producția de precizie a aviației și diverse industrii de micro-prelucrare, cum ar fi prelucrarea părții cu jet de cerneală din imprimantă cu jet de cerneală cu dimensiunea mai mare de 20 microni. Folosind tehnologia de tratare a suprafeței cu laser, precum micro presare, lustruire și așa mai departe, pentru a prelucra o varietate de elemente micro-optice, sau prin umplerea cu laser, sticlă poroasă, amorfizare ceramică-sticlă pentru a schimba structura, apoi, prin reglarea forței mecanice externe , iar apoi în stadiul de înmuiere, elementele micro-optice sunt prelucrate prin formarea micro-asistată de plasmă.
Tehnologie comună de micromachining cu laser
Tehnologia de micromașinare cu laser are multe avantaje, cum ar fi contactul, prelucrarea selectivă, zona afectată de căldură mică, precizia ridicată și rata de repetare, flexibilitatea ridicată a prelucrării de dimensiuni și forme ale pieselor. De fapt, cea mai mare caracteristică a tehnologiei de micromachinare cu laser este GG, scriere directă GG, care simplifică procesul și realizează prototiparea rapidă a micromachinelor. În plus, această metodă nu are probleme de poluare a mediului, cum ar fi coroziunea, așa că poate fi denumită GG; producție ecologică GG; Există două tipuri de tehnologii de micromachinare cu laser utilizate în micromașinare:
1) Tehnologia de micromachining de îndepărtare a materialelor, cum ar fi micromachining cu scriere directă cu laser, Liga laser, etc;
2) Tehnologia de stivuire a micromachiningului, cum ar fi micro-stereolitografia cu laser, depunerea asistată cu laser, sinterizarea selectivă cu laser și așa mai departe.
Alte tehnologii cu micromachining laser
Gravura cu impulsuri laser este un nou domeniu de cercetare a tehnologiei cu laser. Utilizează laser cu dublă frecvență de durată de undă sau picosecundă, laser femtosecund combinat cu mașină-unealtă CNC de înaltă precizie pentru gravare și prelucrare a diverselor materiale. Calitatea microstructurii formate pe suprafața acestor materiale este mult mai mare atunci când materialele sunt gravate cu un puls scurt și apoi eliminate. În 2001, instrumentele Heidelberg din Germania au folosit frecvența triplă (lungimea de undă {{3}}}. 7 nm) pentru a obține un punct de focalizare cu minimum 5 mm, a Dimensiunea minimă a caracteristicilor mecanizabile de 10 mm și o precizie de 1 mm. Figura 5 arată forma tridimensională a unui laser cu impuls gravat pe WC / Co. Diametrul punctului focal al laserului este 5 mm, iar direcția de intrare X și Y sunt {{5 }} mm. {{1 3}}. 3 mm se elimină pentru fiecare strat, iar rugozitatea medie a suprafeței este 0. 16 mm. În general, tăierea cu laser este aceeași cu gravura cu laser. De asemenea, folosește un laser dublat de frecvență sau un femtosecund ca sursă de lumină pentru a focaliza fasciculul cu precizie și pentru a controla cu exactitate intrarea de energie. Efectul termic este mic și se efectuează tăierea cu micro.
3.Cea mai recentă dezvoltare a laserului cu impuls ultrashort în tehnologia de micromașinare
Laserul CO 2 și laserul YAG sunt laser cu impuls continuu și lung. Acestea sunt concentrate în principal pentru a forma o densitate energetică ridicată, ceea ce poate genera temperaturi ridicate în zona locală pentru ablarea materialelor. Acestea sunt practic în domeniul prelucrării termice, cu o precizie de prelucrare limitată. Laserul excimerului se bazează pe lungimea sa de undă scurtă (UV) pentru a interacționa cu fotochimia materialului, iar scara sa caracteristică poate atinge ordinea unui micrometru. Cu toate acestea, gazul necesar laserului excimer este coroziv și greu de controlat. Mai mult decât atât, laserul UV de înaltă rezistență poate deteriora ușor elementele optice ale sistemului de procesare, astfel încât aplicarea sa este limitată. Odată cu studiul suplimentar al câmpului laser, lățimea domeniului timp al pulsului laser este comprimată din ce în ce mai scurt, de la nanosecundă (10-9 secunde) la picosecundă (10-12 secunde) până la femtosecundă (10 l l 5) s).
Laserul cu puls femtosecund are următoarele două caracteristici: (1) durata pulsului este scurtă. Durata pulsului femtosecund poate fi la fel de scurtă decât câteva femtosecunde, iar lumina se propagă doar 0. {{2}} μ m în 1 FS, care este mai scurt decât diametrul majorității celulelor; (2) puterea de vârf este foarte mare. Laserul Femtosecond concentrează energia pulsului în câteva până la sute de femtosecunde, deci puterea sa maximă este foarte mare. De exemplu, dacă energia lui L μ J este concentrată în câteva femtosecunde și converg într-un loc de 1 0 μ m, densitatea sa de putere optică poate ajunge la 1 0 1 8w / cm 2 și intensitatea câmpului electric poate fi convertită în 2 × 1 0 1 2 v / m, care este de 4 ori din puterea câmpului Coulomb (5 × 1 0 1 1 v / M) în atomul de hidrogen, este posibil să separe electronul de atom direct.
Din mecanismul de interacțiune dintre laser și materiale transparente, lățimea pulsului este de la laser continuu la zeci de picosecunde, iar mecanismul de deteriorare este un proces de ionizare la avalanșă, care depinde de densitatea inițială a electronilor, în timp ce densitatea de electroni inițială în materiale se schimbă mult datorită distribuția inegală a impurităților. Prin urmare, pragul de daune se schimbă foarte mult. Pragul de deteriorare al laserului cu impulsuri lungi este definit ca densitatea fluxului de energie al laserului cu o probabilitate de deteriorare de 50%, adică pragul de deteriorare al laserului cu impuls lung este o valoare statistică. Rezistența câmpului laserului cu impuls ultrashort este foarte mare. Electronul legat poate absorbi n fotoni în același timp și trece direct de la nivelul legat la nivelul liber. Deși deteriorarea cauzată de laserul cu impuls ultrashort este de asemenea un proces de ionizare la avalanșă, electronii săi sunt produși prin procesul de ionizare multiphoton și nu mai depind de densitatea inițială de electroni din material. Prin urmare, pragul de daune este o valoare exactă. Pragul de deteriorare al laserului cu impuls scade odată cu scăderea lățimii pulsului. La nivelul picosecundelor, rata de scădere încetinește, iar la nivelul femtosecundelor este aproape neschimbată.
În plus, deoarece pragul de deteriorare al laserului cu impulsuri ultrashort este foarte precis, energia laserului este controlată să fie exact egală sau ușor mai mare decât pragul de daune, atunci doar partea mai mare decât pragul de daune produce ablație, iar prelucrarea submicronului mai jos limita de difracție poate fi realizată. Laserul femtosecund poate produce o intensitate de lumină ultra-ridicată, poate avea un prag de deteriorare precis și scăzut, poate avea o suprafață foarte mică afectată de căldură și poate prelucra cu exactitate aproape tot felul de materiale. Mai mult decât atât, precizia de prelucrare este foarte mare și poate prelucra precis dimensiunea submicronului.
Micromașinarea cu laser are avantajele unei eficiențe ridicate de producție, costuri reduse, calitate de procesare stabilă și fiabilă, beneficii economice și sociale bune. Laserul femtosecund rupe metoda tradițională de procesare a laserului cu avantajele sale unice de scurtă durată a impulsului, putere ridicată la vârf și creează un nou câmp de materiale ultra-fine, daune non-termice și procesare și procesare spațiu 3 D. . Aplicarea tehnologiei de procesare cu laser femtosecundă include microelectronică, dispozitive cu cristale fotonice, dispozitive de comunicare cu fibre optice cu viteză mare de transmitere a informațiilor (1 tbit / s), micromașinare, memorie optică nouă tridimensională, fabricare de dispozitive medicale și bioinginerie celulară tehnologie și așa mai departe. Se poate prezice că tehnologia de micromașinare cu laser va deveni o tehnologie înaltă în secolul 2 1 cu avantajele sale de neînlocuit.
Conclusion
În era industrializării, toate țările din lume sunt mândre să producă mașini la scară largă; în era tehnologiei informației, toate țările industriale avansate se angajează să cerceteze micro-materiale și să producă mașini din ce în ce mai mici; în timp ce în era nanotehnologiei, pentru a se adapta dezvoltării apărării naționale, aerospațialului, medicinii și bioingineriei, micro-procesarea este cea mai activă direcție de cercetare din industria de fabricație astăzi. Unul este că nivelul de dezvoltare a tehnologiei micromecanice a devenit unul dintre standardele pentru măsurarea forței cuprinzătoare a unei țări. Tehnologia de micromașinaj cu laser prezintă din ce în ce mai multe avantaje unice în tehnologia micromașinării și are perspective largi de dezvoltare. China trebuie să dezvolte tehnologia de micromașinare laser cu drepturi de proprietate intelectuală independente, pentru a ocupa un loc în viitorul domeniu de înaltă tehnologie.