A közös lézeres mikromegmunkálási technológia és fejlesztése

Az első lézer 1960-as bemutatása óta a lézerkutatás és alkalmazásai gyorsan fejlődtek szinte minden műszaki területen. A lézerfény magas koherenciája precíziós mérést, anyag-szerkezetelemzést, információtárolást és optikai kommunikációt eredményez; nagy irányíthatósága és fényereje alapvető gyártási eszközzé teszi. Ahogy a lézerforrások és -folyamatok folyamatosan fejlődnek, a lézergyártás az elmúlt két évtizedben behatolt a high-tech iparágakba az elmúlt két évtizedben, fokozatosan felváltva vagy átalakítva számos hagyományos megmunkálási utat. 1987-ben az Egyesült Államok MEMS-útvonala jelentette a szisztematikus mikro-gépkutatás - kezdetét, és a lézeres mikromegmunkálás az egyik legígéretesebb gyártási technológia lett a mikro-léptékű világban.

Ez az útmutató a teljes terület térképeként épül fel: először meghatározzuk a lézeres mikromegmunkálást, és a hagyományos mikro{0}}gyártással szemben pozicionáljuk, majd végigsétálunk a főbb ipari alkalmazásokon, áttérünk az ultragyors impulzusspektrumra -, ahol a nanoszekundum---attoszekundum átmenet újradefiniálja, mit jelent a precizitás az energiafelhasználással és a zárással. és platform{6}}kiválasztási kritériumok, amelyek a gyakorlatban a legfontosabbak. Végig minden altéma{8}}a könyvtárunk egy dedikált technikai forrására hivatkozik, így az áttekintéstől a folyamatparaméterek felé haladhat egyetlen folyamatos olvasási útvonalon.

A mikromegmunkálás a mikron és szubmikron skálán lévő elemek, lyukak, csatornák és szerkezetek előállítását jelenti. A ma elérhető gyártási módok négy nagy családba sorolhatók: félvezető feldolgozás, LIGA (litográfia-elektroformázó-öntés), ultra-precíziós mechanikai megmunkálás és speciális megmunkálás -, amelyek közül az utolsó az anyagot molekuláról molekulára vagy atomról atomra távolítja el közvetlen energiakölcsönhatás révén. A speciális megmunkálást elektromos, termikus, optikai, akusztikus vagy kémiai energia hajtja, a leggyakoribb megvalósítások az EDM, az ultrahangos megmunkálás, az elektronsugaras megmunkálás, az ionsugaras megmunkálás és az elektrokémiai megmunkálás.

A lézeres mikromegmunkálás ennek a családnak az optikai tagja: a fókuszált lézersugár közvetlenül a céltérfogatba juttatja az energiát, elpárologtatja vagy elpusztítja az anyagot anélkül, hogy fizikai érintkezésbe kerülne a szerszámmal, nem kopik a szerszám, és rendkívül kicsi a hőhatás{0}}zóna. Meghatározó jellemzője a "közvetlen írás" - a folyamat leegyszerűsíti a szerszámpályákat egyetlen optikai pályává, lehetővé téve a mikro-eszközök gyors prototípusát sok esetben maszk nélkül. Mivel nem tartalmaz korrozív vegyszereket vagy mechanikai törmeléket, gyakran zöld gyártási folyamatként írják le. Ha szisztematikusan szeretné bemutatni, hogyan illeszkedik a lézeres precíziós megmunkálás a modern gyártósorokhoz, tekintse meg áttekintésünketlézeres precíziós megmunkálási technológia.

A lézerek és a hagyományos mikro{0}feldolgozás közötti választás az anyagtól, a geometriától és az átviteli követelményektől függ. Az alábbi mátrix összefoglalja a gyakorlati különbségeket:

A lézeres feldolgozás ott a legkedvezőbb, ahol a precizitás, a sebesség és a rugalmasság találkozik: -érintkezés-, maszk--mentes, és képes fúrni, vágni, karcolni, gravírozni, hegeszteni és textúrálni ugyanazzal a sugárral, pusztán a paraméterek megváltoztatásával. Ha a kérdés az impulzus-hossz kiválasztása -, akkor a mikro-fúrás - legkövetkezményesebb döntése, a hosszú-impulzus és az ultragyors rezsimek közötti különbségek feltárásaa femtoszekundumos és nanoszekundumos lézeres mikro{0}}fúrás összehasonlítása.

Mikro-Vias és nagy-sűrűségű csomagolás

Ahogy az elektronikai termékek a hordozhatóság és a miniatürizálás felé haladnak, az egységnyi{0}}térfogat információsűrűsége és az egységnyi-idő-feldolgozási sebesség a mikroelektronikai csomagolási technológiát a korlátaihoz sodorta. Egy modern okostelefon vagy digitális fényképezőgép négyzetcentiméterenként nagyjából 1200 összeköttetést hordoz. A chipek-csomagolási minőségének javításának kulcsa a mikro-a - átmenő-lyukon keresztül, amely összeköti a kábelezési rétegeket, nagy sebességű{10}}kapcsolatot biztosít a felületre szerelt eszközök és az alatta lévő jelzőtábla között, és hatékonyan csökkenti a csomagolás helynyomát.

A több-rétegű NYÁK-tervezésben a nagysűrűségű összeköttetések gerincét az átmenetek alkotják. A fúrási költségek általában a NYÁK teljes gyártási költségének 30–40%-át teszik ki, és a tervezők egyre-kisebb átmeneteket szeretnének: a kisebb lyukak teret szabadítanak fel az útválasztáshoz, és jobban teljesítenek a nagy sebességű{6}} áramkörökben. A hagyományos mechanikus fúrás körülbelül 100 µm-rel - messze elmarad attól, amit a sűrű kialakítás megkövetel. A lézerfúrás bezárja a rést, a CO₂- és UV-források rutinszerűen 30–40 µm-es átmenetet produkálnak, a fejlett konfigurációk pedig elérik a ~10 µm-t. A fúrási spektrum strukturált kezeléséhez kezdje a következővelipari lézeres fúrási technológia, majd nézze meg, hogy ugyanez a fizika hogyan terjed ki a kemény kerámiára isfélvezető kerámiák lézeres mikro{0}}fúrása.

PCB és FPC mikro{0}}megmunkálás

Az átmeneten túl a lézeres feldolgozás a teljes PCB/FPC munkacellát - végzi fúrással, körvonalvágással, panelbontással és mélység--vezérelt gravírozással merev táblákon, rugalmas áramkörökön és HDI-hordozókon. Ennek az alkalmazásnak a terjedelmét alézeres alkalmazások PCB és FPC gyártásához, míghogyan alakítják a PCB-típusok a lézeres feldolgozási lehetőségeketelmagyarázza, hogy az FR-4, a kerámia és a poliimid flex miért igényel eltérő hullámhossz- és sugárstratégiát. Ahol az UV-források ragyognak - finom vonalak eltávolítása, szerves-réteg-szelektív feldolgozás és ellenőrzött-mélységű üregmunka – a folyamatablakok részletes leírásaPCB anyagok UV lézeres feldolgozása.

Vágás, írás és rézkarc

Ugyanez a sugárnyalábcsalád messze túlmutat a táblákon: lézeres mikromegmunkálási vágások, fúrások, faragások, fúrók és hegesztések a berendezésgyártás, az autóipar, a repülési precíziós alkatrészek és a mikro{0}}feldolgozó iparágakban. A 20 µm-nél nagyobb jellemzőkkel rendelkező tintasugaras-sugaras nyomtató fúvókalapjait, az üzemanyag-befecskendező nyílásokat, valamint az órát és az orvosi alkatrészeket ugyanazokkal az alapvető folyamatokkal állítják elő. Az optikában a lézeres felületkezelés - mikro-sajtolása, polírozása és plazma-mikro{9}}lágyított üveg és üveg{10}}kerámia - olyan mikro-optikai elemeket formál, amelyeket lehetetlen mechanikusan csiszolni. A lézeres mikro{14}}vágás ugyanazt az elvet követi, mint a maratás: a frekvenciájú-dupla vagy femtoszekundumos forrást pontosan fókuszálják, az energiabevitelt szigorúan szabályozzák, az anyag eltávolítása minimális hőhatással és mechanikai sorja nélkül történik. Mivel ugyanaz a sugár önmagában paraméterkészlettől függően változtatja meg a funkciót, egy állomás gyakran több hagyományos gépet is helyettesít, - ez a fő ok, amiért a lézeres mikro-megmunkálás lett a nagy-keveréses, nagy{20}}precíziós gyártás alapértelmezett útja.

A CO₂ és a YAG lézerek folyamatos -hullámú vagy hosszú{1}}impulzusforrások: az energiát koncentrálva magas helyi hőmérsékletet hoznak létre, amely elszívja az anyagot, és alapvetően a termikus üzemmódban működnek korlátozott pontossággal. Az excimer lézerek rövid UV-hullámhosszokat használnak a mikron méretű fotokémiai kölcsönhatások előmozdítására, de korrozív gázaikat nehéz ellenőrizni, és a nagy -intenzitású UV roncsolja az optikai komponenseket -, ami korlátozza az alkalmazást.

A döntő előrelépés a lézerimpulzus időben történő tömörítéséből származott: nanoszekundumról (10-12 s) pikoszekundumra (10-12 s) femtoszekundumra (10-115 s), és most az attoszekundumos tartományba. Az impulzusszélesség a mikro-megmunkálási minőség fő paramétere -, amely meghatározza a határt a hőkárosodás és a hideg abláció között. A 3C elektronikai iparban, ahol a vékony-filmrétegek és a rideg hordozók nem tűrik a maradék hőt,pikoszekundumos lézeres feldolgozás 3C elektronikáhozgyártási szabvány lett; a spektrum legszélső végén,attoszekundumos impulzuslézerek magyaráztákleírja, merre tart a következő lépés az impulzus{0}}fizikai kutatás.

A femtoszekundumos impulzuslézernek két meghatározó jellemzője van. Először is, az impulzus rendkívül rövid - néhány femtoszekundum, amely alatt a fény csak 0,3 µm-rel terjed, rövidebb, mint a legtöbb sejt átmérője -, tehát energia rakódik le, mielőtt a hődiffúzió megindulhatna. Másodszor, a csúcsteljesítmény rendkívül nagy: ha egy mikrojoule energiát néhány femtoszekundumra koncentrálunk egy 10 µm-es foltban, 10¹8 W/cm² nagyságrendű teljesítménysűrűség érhető el, és az elektromos térerősség elég erős ahhoz, hogy az elektronokat közvetlenül az atomoktól távolítsa el.

Ez megváltoztatja magát a károsodási mechanizmust. Folyamatos -hullámtól több tíz--pikoszekundumos impulzus esetén a károsodást a lavinaionizáció szabályozza, amely a kezdeti szabad-elektronsűrűségtől - függ, és mivel a szennyeződések eloszlása ​​változó, a károsodási küszöb egy statisztikai érték 50%-os valószínűséggel. Az ultrarövid impulzusok többfoton ionizációra kapcsolják a mechanizmust: a kötött elektronok egyszerre több fotont abszorbeálnak és közvetlenül a szabad szintre mennek át, így a károsodási küszöb már nem függ az anyagtörténettől - ez egy precíz, reprodukálható szám lesz, amely az impulzusszélesség rövidülésével csökken, femtoszekundumos szinten ellaposodik.

Mivel a küszöbérték nagyon pontos, ha a lézerenergiát pontosan - értékre vagy valamivel - fölé állítja, a sérülési küszöb csak a kívánt térfogatot ablálja, lehetővé téve a -mikron alatti feldolgozást a diffrakciós határ alatt. Az eredmény ultra-magas fényintenzitás, precízen alacsony küszöb, elhanyagolható hőhatás-zóna, és szinte bármilyen anyag megmunkálhatósága szub-mikron hűséggel. A technológia már széles alkalmazási tartományban folyik:

• Mikroelektronika és félvezető csomagolás- fúrással, vékony-filmbeírással és rideg matricák felkockázásával.
• Fotonikus{0}}kristályos és optikai eszközök- 3D mikro-üvegek és polimerek strukturálása, beleértve a nagy-információs-átviteli (terabit-osztályú) optikai-szálas kommunikációs komponenseket.
• Adattárolás- új háromdimenziós optikai memória architektúra, amely pontról pontra írható átlátszó adathordozón belül.
• Orvosi eszközök és biomérnöki technika- mikro-stentek, tűnyílások, labor-a-a-chipcsatornák és sejtszintű feldolgozás a biomérnöki kutatásokhoz.

Mikro-kemény és törékeny anyagok fúrása

A tűzálló és törékeny anyagok - molibdén, kerámiák és szelepötvözetek - legyőzik a hagyományos fúrást: a szerszámok extrém kopása, gyakori az élek leforgácsolása, és a méretarányok elakadnak. A femtoszekundumos fúrás mechanikai feszültségátvitel nélkül, közvetlen ablációval távolítja el az anyagot, tiszta, kúpos{3}}szabályozott furatokat készítve még a legkeményebb aljzatokon is. Az alkalmazási tanulmányok magukban foglaljákmolibdén femtoszekundumos mikro{0}}fúrásaésfemtoszekundumos mikro{0}}furatok megmunkálása gáz- és folyadékszelepekhez, ahol a mikron-méretű nyílásoknak sorja-mentesnek kell maradniuk több millió működési cikluson keresztül.

Precíziós alkatrészek és mikrofluidika

Ahol a geometria a termék - szűkítőnyílások, mikrofluidikus csatornák és nagy-értékű precíziós komponensek -, a femtoszekundumos feldolgozás felbontást és megismételhetőséget is biztosít gyártási léptékben. A lég-csapágyak szűkítőnyílásai például pontos átmérőt és tiszta bemeneteket igényelnek több ezer alkatrésznél;femtoszekundumos fúrás légcsapágy szűkítő nyílásokhozbemutatja, hogyan terjed a folyamat a prototípustól a tömeggyártásig. Az élettudományok és diagnosztika{1}}szegmensbenmikrofluidikus chipek femtoszekundumos lézeres feldolgozásaátlátszó anyagokon belüli 3D-s csatornagyártást mutat be - olyan képességgel, amelyhez semmilyen mechanikai vagy termikus folyamat nem fér hozzá.

A leggyorsabban{0}}növekvő mikro-megmunkálási munkaterhelések közül kettő a tiszta-energia szektorból származik. A vékony-filmes fotovoltaikánál a perovszkit abszorbert sorba-összekapcsolt cellákká alakítják át. - A P1/P2/P3 vonalaknak tisztáknak, keskenyeknek és halottaknak kell lenniük-a nagy üveglapokon pontosan; lásdperovskit napelem lézeres írása berendezés és a folyamat követelményeihez. Az akkumulátorgyártás során a cellák ellenőrzött felületi textúrája javítja az UV-kikeményedett bevonatok tapadását és javítja a hőkezelési érintkezést; a munkafolyamat magyarázata alézeres felületi textúra akkumulátorcellákhoz. Ha a cél a strukturálás helyett a tisztítás - az oxidok és maradványok eltávolítása a bevonat vagy ragasztás előtt -, a két művelet közötti határ tisztázzalézeres tisztítás a felületi textúrával szemben.

A helyes platformot négy paraméter határozza meg: impulzusszélesség (nanoszekundum, pikoszekundum, femtoszekundum), hullámhossz (IR, zöld, UV), impulzusenergia és nyaláb{0}}továbbítási architektúra. A nanoszekundumos források a legtöbb jelölést és rutinvágást kezelik; A pikoszekundumos rendszerek védik a vékony-filmkötegeket a fogyasztói-elektronikai gyártás során; femtoszekundumos rendszerekre van szükség, ahol a -mikron alatti pontosság, a nulla HAZ vagy a rideg{5}}anyagminőség nem alku tárgya; Az UV-hullámhosszok pedig fotokémiai szelektivitást tesznek lehetővé a táblákon és kijelzőkön végzett szerves{7}rétegfeldolgozáshoz. Mivel a választási lehetőségek kölcsönhatásban vannak, a sugárforrást és a mozgásrendszert egy egységként értékeli - a pásztázási mező, a színpadi pontosság és a feldolgozó szoftver ugyanúgy meghatározza az elérhető eredményt, mint maga a lézer. A miénkprecíziós mikro{0}}nanolézeres feldolgozórendszerekoldal lefedi az egyes rezsimekhez elérhető gépi{0}}szintű konfigurációkat.

A lézeres mikromegmunkálás a laboratóriumi technikából a mikro-elektronika, az orvosi eszközök, a precíziós optika és a tiszta{1}}energetikai alkatrészek gyártási gerincévé vált. A technológia azokat a mérnököket jutalmazza, akik az impulzusrendszert az anyaghoz, a hullámhosszt az abszorpciós profilhoz, a platformot pedig a gyártási mennyiséghez igazítják - a CO₂-átvezetésektől és az UV-lemezfeldolgozástól a pikoszekundumos fogyasztói-elektronikai munkáig és a femtoszekundumos hideg ablációig. Használja a fent hivatkozott forrásokat, ha mélyebbre szeretne menni bármely al-témában, vagy forduljon mérnöki csapatunkhoz egy adott alkalmazás megvitatásához.