Лекція 7. Технологічні операції лазерної обробки

Обробка отворів є одним з перших напрямів лазерній технології. За допомогою променя лазера виготовляють отвори діаметром від декількох мікрометрів до декількох міліметрів завглибшки до 15 мм в таких важко оброблюваних матеріалах як тверді сплави, магнітні матеріали, жароміцні і спеціальні сплави, алмази, ферити, кераміка і т.п. На лазерних установках «Квант», «Корунд», «Кристал» і ін. виготовляють отвори в алмазних фільєрах, рубінових годинникових каменях, у феритових пластинках пам'яті, в підкладках мікросхем, соплах, форсунках і інших деталях.

В даний час вітчизняна промисловість повністю перейшла на лазерну обробку отворів в рубінових годинникових каменях. Складність даної операції полягає в тому, що в твердому крихкому матеріалі - синтетичному рубіні необхідно свердлити отвір діаметром 50-60 мкм при допуску по діаметру в декілька мікрометрів і відсутності на його поверхні тріщин і сколов. При лазерній технології на одній установці за зміну виготовляється 22 тис. каменів, а при механічній обробці на шести - двадцяти верстатах - не більше 2500 заготовок, окрім цього поліпшуються умови праці, вивільняються виробничі площі, велике число робочих і забезпечується економічний ефект 1 млн. рублів.

При виготовленні отворів застосовують дві схем:

1. Одноімпульсну прошивку - отвір формується за один імпульс. Точність отворів за діаметральними розмірами відповідає 9-11 квалитету, по подовжніх - II -13 квалитету, шорсткість поверхні Ra=2,5-0,32 мкм, а глибина отримуваних отворів не більше 5 мм.

Діаметр d і глибину Н отвору, що отримується в непрозорому матеріалі, визначають за формулами:

,

,

де D₀ - початковий діаметр лунки; W - енергія випромінювання імпульсного ОКГ; - половинний кут розчину світлового конуса, що створюється оптичною системою; L₀ - питома енергія випаровування матеріалу при Т =0 ^оС (при абсолютному нулі.).

Геометрія отвору залежить від енергетичних параметрів пропменю, положення фокусу оптичної системи щодо поверхні заготовки, фокусної відстані цієї системи і теплофізичних властивостей оброблюваного матеріалу. На рис. 15 представлена залежність форми поздовжнього перетину отвору від положення фокусу лазерного променя щодо оброблюваної поверхні. Як видно з рис. 16, отвори мають максимальну глибину і майже циліндричну форму при положенні фокусу лазерного променя на поверхні оброблюваного виробу, в решті випадків спостерігається зміна форми поздовжнього перетину від конічної до параболічної.

Рис. 15. Залежність форми поздовжнього перетину отвору від положення фокусу лазерного променя щодо оброблюваної поверхні

Рис. 16. Схема газолазерного різання

2. Багатоімпульсна обробка - отвір виходить великою кількістю коротких імпульсів з малою енергією, величина якої визначає шорсткість поверхні, глибину поверхневого зміненого шару і точність обробки. У міру поглиблення отворів заготівка зміщується назустріч променя. Процес дозволяє виготовляти отвори завглибшки до 15 мм при відношенні H/d до 50. Точність діаметральних розмірів за 9 квалитетом, а при глибині отвору менше його діаметру - 7-8 квалитетом. Багатоімпульсний режим широко застосовується для обробки неметалічних матеріалів і тонких металів. При цьому отримувані точні отвори можуть мати поперечний перетин не тільки круглої, але і профільної форми, що досягається діафрагмуванням лазерного потоку. При лазерній обробці (за 1і 2 схемою) на бічній поверхні отворів спостерігається дефектний (із зміненою структурою, тріщинами і т.д.) шар завглибшки 0,05-0,1 мм, а на поверхні з боку входу променя утворюється кільцевий вал із застиглої рідкої фази. Глибину зміненого шару зменшують видаленням з отвору рідкої фази оброблюваного матеріалу піддуванням повітря або відсмоктуванням; підвищенням щільності пари матеріалу за рахунок збільшення щільності потужності випромінювання забезпечує ефективне видування рідкої фази.

Лазерне різання і скрайбування напівпровідникових матеріалів використовується у виробництві напівпровідникових приладів і інтегральних схем. Розділення матеріалів може бути здійснене або при повному видаленні матеріалу по лінії розрізу, або при частковому видаленні – скрайбуванні[2] з подальшим розломом, а також за допомогою способу терморозколювання, при якому видалення матеріалу немає, а розділення проводитися розломом по лінії дії теплового джерела. Найбільш перспективні для розділення напівпровідників лазери на межі, які дозволяють здійснювати прецизійне різання кремнієвих пластин завтовшки 0,25 мм із швидкістю 2 мм/с. Лазерне скрайбування ведеться з швидкістю до 250 мм/с при ширині різа до 25 мкм і глибині до 50 мкм. Даний процес скорочує трудомісткість операцій розділення пластин кремнію в 10-15 разів в порівнянні з алмазним і може бути застосований в мікроелектроніці для розділення пластин з кераміки, ситала і інших матеріалів.

Розрізання металів і неметалічних матеріалів значної товщини проводиться, як правило, з піддуванням активного або нейтрального газу (див. мал. 5.3). Суть цього процесу, що отримав назву газолазерного різання (ГЛР), полягає в тому, що співвісного з променем лазера в зону обробки подається, наприклад, кисень, який підтримує горіння матеріалу, очищає зону різання від продуктів процесу і інтенсивно охолоджує стінки леза. ГДР дозволяє отримати значну швидкість і глибину різання, а також кращу якість різання. Цим способом вдається різати неметалічні матеріали завтовшки до 20-50 мм, а метали до 10-13 мм. При цьому скло завтовшки 8-10 мм ріжеться із швидкістю 25 мм/с. Ширина різання знаходиться в межах 0,1-1 мм.

Підгонка товсто плівкових резисторів здійснюється автоматично на установках типу «Кристал-6» з точністю підгонки до +- 5%. Товщина оброблюваних плівок до 30 мкм, ширина реза 0,1-0,2 мм, машинний час підгонки одного резистора 0,2-1,5с.

Підгонка тонкоплівкових резисторів мікросхем може виконуватися на установці «Кристал-10/ із швидкістю обробки 4 мм/с при товщині плівки до 1 мкм і ширині реза 5-30 мкм.

Останнім часом розроблений лазерний метод маркування (друкування цифр) на тонких пластинках кремнію і фериту. Суть процесу полягає в тому, що лазерний промінь через маску і оптичну систему проектується на поверхню зразка, і проводиться випаровування поверхневого шару матеріалу без руйнування останнього. Прогрес сучасної мікроелектроніки багато в чому залежить від розвитку методу фотолітографії.

Метод лазерної літографії володіє достатньо високою точністю (1-1,5 мкм) і продуктивністю. Застосування лазерів з потужністю в імпульсі 50-100 кВт при частоті їх проходження 100-150 Гц забезпечує швидкість малювання лінії до 20 м/с, що вимагає на обробку фотошаблону не більше 3,5-5 годин.