Uobičajena tehnologija laserske mikrostrojne obrade i njezin razvoj

Otkako je 1960. demonstriran prvi laser, istraživanje lasera i njegove primjene brzo su napredovale u gotovo svim tehničkim područjima. Visoka koherentnost laserskog svjetla pokreće precizno mjerenje,-analizu strukture materijala, pohranu informacija i optičku komunikaciju; njegova visoka usmjerenost i svjetlina čine ga ključnim alatom za proizvodnju. Kako se laserski izvori i procesi nastavljaju razvijati, laserska je proizvodnja prodrla u visoko-tehnološke industrije tijekom posljednja dva desetljeća, postupno zamjenjujući ili transformirajući mnoge tradicionalne načine obrade. Godine 1987. američki MEMS plan puta označio je početak sustavnog istraživanja mikro-strojeva -, a laserska mikrostrojna obrada pojavila se kao jedna od proizvodnih tehnologija koje najviše obećavaju za svijet mikro-razmjera.

Ovaj je vodič strukturiran kao karta cijelog područja: prvo definiramo lasersku mikrostrojnu obradu i postavljamo je u odnosu na konvencionalnu mikro{0}}proizvodnju, zatim prolazimo kroz glavne industrijske primjene, prelazimo na ultrabrzi pulsni spektar - gdje prijelaz od nanosekunde-u-atosekundu redefinira što znači preciznost - i završavamo s energija-proizvodna radna opterećenja i platforme-kriteriji odabira koji su najvažniji u praksi. U cijelom tekstu, svaka pod-tema povezuje se s namjenskim tehničkim resursom iz naše knjižnice, tako da možete prijeći s pregleda na parametre procesa u jednom kontinuiranom putu čitanja.

Mikrostrojna obrada odnosi se na izradu značajki, rupa, kanala i struktura na mikronskoj i sub{0}}mikronskoj skali. Rute proizvodnje koje su danas dostupne spadaju u četiri široke obitelji: obrada poluvodiča, LIGA (litografija-elektroformiranje-prelivanje), ultra-precizna mehanička obrada i specijalna strojna obrada - od kojih posljednja uklanja materijal molekulu po molekulu ili atom po atom putem izravne energetske interakcije. Posebna strojna obrada pokreće se električnom, toplinskom, optičkom, akustičnom ili kemijskom energijom, a najčešće primjene su EDM, ultrazvučna obrada, obrada-elektronskim snopom, obrada-ionskim snopom i elektrokemijska obrada.

Laserska mikrostrojna obrada je optički član ove obitelji: fokusirana laserska zraka isporučuje energiju izravno u ciljni volumen, isparavajući ili uklanjajući materijal bez fizičkog kontakta s alatom, bez trošenja alata i s iznimno malom zonom-zahvaćene toplinom. Njegova definirajuća karakteristika je "izravno pisanje" - proces pojednostavljuje putanje alata u jednu optičku putanju, omogućujući brzu izradu prototipova mikro-uređaja bez maski u mnogim slučajevima. Budući da ne sadrži korozivne kemikalije ili mehaničke ostatke, često se opisuje kao ekološki proizvodni proces. Za sustavan uvod u to kako se laserska precizna obrada uklapa u moderne proizvodne linije, pogledajte naš pregledtehnologija laserske precizne strojne obrade.

Odabir između lasera i konvencionalne mikro{0}}obrade ovisi o materijalu, geometriji i zahtjevima za protok. Matrica u nastavku sažima praktične razlike:

Laserska obrada je najpovoljnija u usporedbi gdje se susreću preciznost, brzina i fleksibilnost: ona je be-kontaktna, bez maske-i može bušiti, rezati, rezati, gravirati, variti i teksturirati istom zrakom mijenjajući samo parametre. Kada je pitanje odabir-duljine pulsa - jedina najkonzekventnija odluka u mikro-bušenju - razlike između dugog-pulsnog i ultrabrzog režima istražuju se uuspoređujući femtosekundno i nanosekundno lasersko mikro{0}}bušenje.

Mikro-otvori i pakiranje visoke-gustoće

Kako se elektronički proizvodi kreću prema prenosivosti i minijaturizaciji, gustoća informacija o jediničnom-volumenu i brzina obrade jediničnog-vremena doveli su tehnologiju mikroelektroničkog pakiranja do njezinih granica. Moderni pametni telefon ili digitalni fotoaparat nosi otprilike 1200 interkonekata po kvadratnom centimetru. Ključ za povećanje kvalitete pakiranja čip-je mikro-kroz - prolazni-otvor koji povezuje slojeve ožičenja, osigurava-brze veze između površinski-uređaja i signalne ploče ispod te učinkovito smanjuje otisak pakiranja.

U više-slojnom dizajnu PCB-a, vias su okosnica međupovezivanja visoke-gustoće. Troškovi bušenja obično čine 30–40% ukupnih troškova proizvodnje PCB-a, a dizajneri žele sve-manje otvore: manje rupe oslobađaju prostor za usmjeravanje i rade bolje-u brzim krugovima. Konvencionalno mehaničko bušenje iznosi oko 100 µm - daleko manje od onoga što zahtijevaju gusti dizajni. Lasersko bušenje zatvara jaz, s CO₂ i UV izvorima koji rutinski proizvode otvore od 30-40 µm, a napredne konfiguracije dosežu ~10 µm. Za strukturiranu obradu spektra bušenja, počnite stehnologija industrijskog laserskog bušenja, zatim pogledajte kako se ista fizika proteže na tvrdu keramiku ulasersko mikro{0}}bušenje poluvodičke keramike.

PCB i FPC mikro{0}}obrada

Osim otvora, laserska obrada izvodi punu PCB/FPC radnu ćeliju - putem bušenja, rezanja obrisa, uklanjanja panela i dubinski-kontroliranog graviranja na krutim pločama, savitljivim krugovima i HDI podlogama. Opseg ove aplikacije pokriven je ulaserske primjene za PCB i FPC proizvodnju, dokkako PCB tipovi oblikuju izbor laserske obradeobjašnjava zašto FR-4, keramika i poliimid flex zahtijevaju različite valne duljine i strategiju snopa. Tamo gdje UV izvori blistaju - uklanjanje finih linija, organska-selektivna obrada slojeva i kontrolirani-rad dubinskog kaviteta - prozori procesa detaljno su opisani uUV laserska obrada PCB materijala.

Rezanje, graviranje i graviranje

Ista obitelj greda proteže se daleko izvan ploča: laserska mikrostrojna rezanja, bušenja, urezivanje, šilanje i zavarivanje u proizvodnji opreme, automobilskoj industriji, zrakoplovnim preciznim dijelovima i mikro-procesnoj industriji. Ploče s mlaznicama za-inkjet pisače sa značajkama iznad 20 µm, otvori za-ubrizgavanje goriva, satovi i medicinske komponente proizvode se istim osnovnim procesima. U optici, laserska površinska obrada - mikro-prešanje, poliranje i plazma{8}}potpomognuto mikro-oblikovanje omekšanog stakla i staklo-keramike - oblikuje mikro-optičke elemente koje bi bilo nemoguće mehanički brusiti. Lasersko mikro{14}}rezanje slijedi isti princip kao i jetkanje: izvor-udvostručene frekvencije ili femtosekunde precizno se fokusira, unos energije strogo se kontrolira, a materijal se uklanja s minimalnim toplinskim učinkom i bez mehaničkog oštrenja. Budući da isti snop mijenja funkciju samo postavljenim parametrima, jedna stanica često zamjenjuje nekoliko konvencionalnih strojeva - što je glavni razlog zašto je laserska mikro-strojna obrada postala zadani put za visoko-miksanu, visoko-preciznu proizvodnju.

CO₂ i YAG laseri su izvori kontinuiranih-valova ili dugih{1}}pulsa: oni koncentriraju energiju za stvaranje visokih lokalnih temperatura koje uklanjaju materijal, radeći uglavnom u toplinskom režimu s ograničenom preciznošću. Excimer laseri koriste kratke UV valne duljine za poticanje fotokemijske interakcije na mikronskoj razini, ali je njihove korozivne plinove teško kontrolirati, a UV{-intenzitet razgrađuje optičke komponente - ograničavajući usvajanje.

Odlučujući napredak došao je sažimanjem laserskog pulsa u vremenu: s nanosekundi (10⁻⁹ s) na pikosekunde (10⁻¹² s) na femtosekunde (10⁻¹⁵ s), a sada u domenu atosekunde. Širina impulsa je glavni parametar kvalitete mikro-strojne obrade - ona određuje granicu između toplinskog oštećenja i hladne ablacije. U 3C elektroničkoj industriji, gdje tanki-filmovi i krhke podloge ne podnose zaostalu toplinu,pikosekundna laserska obrada za 3C elektronikupostao proizvodni standard; na krajnjem kraju spektra,objašnjenje atosekundnih pulsirajućih laseraopisuje kamo dalje idu-istraživanja fizike pulsa.

Femtosekundni pulsni laser ima dvije definirajuće karakteristike. Prvo, puls je izuzetno kratak - nekoliko femtosekundi, tijekom kojih se svjetlost širi samo 0,3 µm, kraće od promjera većine stanica - tako da se energija taloži prije nego što počne toplinska difuzija. Drugo, vršna snaga je iznimno visoka: koncentracija mikrodžula energije u nekoliko femtosekundi preko točke od 10 µm daje gustoću snage reda veličine 10¹⁸ W/cm², s jakošću električnog-polja dovoljno jakom da izravno odvoji elektrone od atoma.

Time se mijenja sam mehanizam oštećenja. Za kontinuirane-valove do desetaka{2}}-pikosekundnih impulsa, oštećenjem upravlja lavinska ionizacija, koja ovisi o početnoj-gustoći slobodnih elektrona - i budući da distribucije nečistoća variraju, prag oštećenja je statistička vrijednost s vjerojatnošću od 50%. Ultrakratki impulsi prebacuju mehanizam na višefotonsku ionizaciju: vezani elektroni apsorbiraju nekoliko fotona istovremeno i prelaze izravno na slobodnu razinu, tako da prag oštećenja više ne ovisi o povijesti materijala - on postaje precizan, ponovljiv broj koji se smanjuje kako se širina pulsa skraćuje, izravnavajući se na razini femtosekunde.

Budući da je prag tako precizan, postavljanje laserske energije točno na - ili malo iznad - prag oštećenja uklanja samo željeni volumen, omogućujući sub{2}}mikronsku obradu ispod granice difrakcije. Rezultat je ultra-visoki intenzitet svjetlosti, precizan nizak prag, zanemariva toplinska-zona i mogućnost strojne obrade gotovo svih materijala s sub-mikronskom preciznošću. Tehnologija je već u proizvodnji u širokom rasponu primjene:

• Pakiranje mikroelektronike i poluvodiča- putem bušenja, tankog-skribovanja i rezanja krhkih matrica.
• Fotonski{0}}kristali i optički uređaji- 3D mikro-strukturiranje stakla i polimera, uključujući visoko{2}}informacijske-prijenosne-komponente (terabit-klase) optičkih-komunikacijskih komponenti.
• Pohrana podataka- nove tro-arhitekture optičke memorije ispisane točku po točku unutar prozirnog medija.
• Medicinski uređaji i bioinženjering- mikro-stentovi, otvori za igle, laboratorij-na--kanalima na čipu i obrada na-staničnoj razini za istraživanje bioinženjeringa.

Mikro-bušenje tvrdih i lomljivih materijala

Vatrostalni i lomljivi materijali - molibden, keramika i legure ventila - pobjeđuju konvencionalno bušenje: habanje alata je ekstremno, pucanje rubova je uobičajeno, a omjeri širine i visine su zaustavljeni. Femtosekundno bušenje uklanja materijal izravnom ablacijom bez mehaničkog prijenosa naprezanja, stvarajući čiste, konusno{3}}kontrolirane rupe čak iu najtvrđim podlogama. Studije primjene uključujufemtosekundno mikro{0}}bušenje molibdenaifemtosekundna obrada mikro{0}}rupa za plinske i tekuće ventile, gdje mikronski{0}}otvori kamenca moraju ostati bez ivica tijekom milijuna radnih ciklusa.

Precizne komponente i mikrofluidika

Tamo gdje je geometrija proizvod - restriktorski otvori, mikrofluidni kanali i-komponente visoke preciznosti - femtosekundna obrada pruža razlučivost i ponovljivost u proizvodnom opsegu. Otvor-restriktora koji nosi zrak, na primjer, zahtijeva točne promjere i čiste ulaze kroz tisuće dijelova;femtosekundno bušenje za otvore restriktora ležaja zrakapokazuje kako se proces kreće od prototipa do masovne proizvodnje. U segmentu-znanosti o životu i dijagnostike,femtosekundna laserska obrada mikrofluidnih čipovademonstrira izradu 3D kanala unutar prozirnih materijala - sposobnost s kojom se nijedan mehanički ili toplinski proces ne može mjeriti.

Dva najbrže-rastuća radna opterećenja mikro-strojne obrade dolaze iz sektora čiste-energije. U tankoslojnim-fotonaponskim sustavima lasersko crtanje uzoraka perovskitnog apsorbera u niz-povezanih ćelija - P1/P2/P3 linije pisanja moraju biti čiste, uske i mrtve-na preciznim velikim staklenim pločama; vidjetiperovskit lasersko skrajbiranje solarnih ćelijaza opremu i zahtjeve procesa. U proizvodnji baterija, kontrolirano površinsko teksturiranje kućišta ćelija poboljšava prianjanje UV-stvrdnutih premaza i poboljšava topli-upravljački kontakt; tijek rada je objašnjen ulasersko površinsko teksturiranje kućišta baterijskih ćelija. Kada je cilj čišćenje, a ne strukturiranje - uklanjanje oksida i ostataka prije premazivanja ili lijepljenja -, granica između dviju operacija je pojašnjena ulasersko čišćenje naspram površinskog teksturiranja.

Ispravnu platformu definiraju četiri parametra: širina impulsa (nanosekunda, pikosekunda, femtosekunda), valna duljina (IR, zelena, UV), energija pulsa i arhitektura-isporuke snopa. Nanosekundni izvori podnose većinu označavanja i rutinskog rezanja; pikosekundni sustavi štite snopove tankih-slojeva u proizvodnji potrošačke-elektronike; femtosekundni sustavi su potrebni tamo gdje se o sub-mikronskoj preciznosti, nultom ZUT-u ili krhkoj-kvaliteti materijala ne može pregovarati; a UV valne duljine dodaju fotokemijsku selektivnost za obradu organskih-slojeva na pločama i zaslonima. Budući da su izbori međusobno povezani, procijenite izvor zrake i sustav kretanja kao jednu jedinicu - polje skeniranja, točnost pozornice i softver za obradu odlučuju o mogućem rezultatu jednako kao i sam laser. Našeprecizni mikro{0}}nano laserski sustavi za obradustranica pokriva konfiguracije-na razini stroja dostupne za svaki režim.

Laserska mikrostrojna obrada sazrela je iz laboratorijske tehnike u okosnicu proizvodnje mikro-elektronike, medicinskih uređaja, precizne optike i komponenti za-čistu energiju. Tehnologija nagrađuje inženjere koji usklađuju pulsni režim s materijalom, valnu duljinu s profilom apsorpcije i platformu s volumenom proizvodnje - od CO₂ otvora i UV obrade ploča do pikosekundnog rada potrošačke-elektronike i femtosekundne hladne ablacije. Upotrijebite gore povezane resurse da dublje istražite bilo koju pod-temu ili se obratite našem inženjerskom timu kako biste razgovarali o određenoj primjeni.