1.Wprowadzenie
Od czasu pojawienia się pierwszego lasera w 1960 badania nad laserem i jego zastosowaniem w różnych dziedzinach szybko się rozwinęły. Jego wysoka koherencja jest szeroko stosowana w dziedzinie precyzyjnych pomiarów, analizy struktury materiału, przechowywania informacji i komunikacji. Wysoka kierunkowość i jasność lasera może być szeroko stosowana w przemyśle wytwórczym. Dzięki ciągłym innowacjom i optymalizacji urządzeń laserowych, nowym stymulowanym źródłom promieniowania i odpowiednim procesom, zwłaszcza w ostatnich 20 latach, technologia produkcji lasera przeniknęła do wielu zaawansowanych technologii i zaczęła zastępować lub przekształcać niektóre tradycyjny przemysł przetwórczy.
W 1987 amerykańscy naukowcy przedstawili plan rozwoju mikroelektromechanicznego systemu (MEMS), który wyznacza nową erę badań nad ludzkimi mikro-maszynami. Obecnie technologie wytwarzania stosowane w mikroobróbce obejmują przede wszystkim technologię przetwarzania półprzewodników, technologię elektrolitycznego mikrolitografii (Liga), ultra precyzyjną technologię obróbki oraz specjalną technologię mikroobróbki. Wśród nich specjalna metoda mikroobróbki polega na bezpośrednim efekcie przetwarzania energii, w celu usunięcia cząsteczek lub atomów jeden po drugim. Specjalna obróbka odbywa się w postaci energii elektrycznej, energii cieplnej, energii świetlnej, energii akustycznej, energii chemicznej itp. Powszechnie stosowanymi metodami są obróbka elektroerozyjna, obróbka ultradźwiękowa, obróbka wiązką elektronów, obróbka wiązką jonów, obróbka elektrochemiczna itp. W w ostatnich latach opracowano nową metodę mikroobróbki: fotoformowanie, w tym stereolitografia, maska fotograficzna itp. Mikroobróbka laserowa ma ogromny potencjał w zakresie zastosowania i rozwoju.
2.Główne zastosowanie technologii mikroobróbki laserowej
Wraz z rozwojem produktów elektronicznych w kierunku urządzeń przenośnych i miniaturyzacyjnych, poprawa informacji o objętości jednostkowej (wysoka gęstość) i prędkości przetwarzania jednostkowego czasu (wysoka prędkość) stawiła nowe wymagania w zakresie technologii pakowania mikroelektronicznego. Na przykład nowoczesne telefony komórkowe i aparaty cyfrowe są wyposażone w około 1200 interkonektów na centymetr kwadratowy. Kluczem do poprawy poziomu upakowania mikroukładów jest utrzymanie istnienia mikro-przelotek między liniami różnych warstw, co nie tylko zapewnia szybkie połączenie między urządzeniami montowanymi na powierzchni a panelem sygnalizacyjnym poniżej, ale także skutecznie zmniejsza powierzchnię pakowania .
Z drugiej strony, wraz z rozwojem przenośnych produktów elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, aparaty cyfrowe i laptopy, do lekkich, cienkich, krótkich i małych w ostatnich latach, płytki drukowane (PCB) stopniowo wykazują cechy warstwowe i wielofunkcyjne z technologia połączeń o dużej gęstości jako główny element. Aby skutecznie zapewnić połączenie elektryczne między warstwami i mocowanie urządzeń zewnętrznych, stała się ważną częścią wielowarstwowej płytki drukowanej. Obecnie koszt wiercenia stanowi zwykle 30% - 40% kosztów produkcji PCB. W projektowaniu szybkich i gęstych obwodów drukowanych projektanci zawsze mają nadzieję, że im mniejszy, tym lepszy, dzięki czemu na płycie nie będzie tylko więcej miejsca na okablowanie. Im mniejszy przelot, tym bardziej nadaje się do obwodu o dużej prędkości. Minimalny rozmiar tradycyjnego wiercenia mechanicznego wynosi tylko 100 μm, co oczywiście nie spełnia wymagań. Zamiast tego przyjęto nową laserową metodę mikroperforacji. Obecnie można uzyskać mały otwór o średnicy 30 - 40 μm lub mały otwór o średnicy około 10 μm za pomocą lasera CO 2 w przemyśle.
Laserowa technologia mikroobróbki może być używana do cięcia, wiercenia, rzeźbienia, rysowania, przenikania ciepła, spawania i tak dalej w produkcji sprzętu, motoryzacji, precyzyjnej produkcji lotniczej i różnych branżach mikroprzetwarzania, takich jak obróbka atramentowej części drukarka atramentowa o wielkości większej niż 20 mikronów. Wykorzystując technologię laserowej obróbki powierzchni, taką jak mikrozcisk, polerowanie itp., Do przetwarzania różnych elementów mikro-optycznych lub poprzez wypełnienie laserowe porowatego szkła, amorfizacji szklano-ceramicznej w celu zmiany struktury, a następnie poprzez dostosowanie zewnętrznej siły mechanicznej , a następnie na etapie zmiękczania elementy mikrooptyczne przetwarzane są za pomocą mikrosformowania wspomaganego plazmą.
Wspólna technologia mikroobróbki laserowej
Technologia mikroobróbki laserowej ma wiele zalet, takich jak bezdotykowa, selektywna obróbka, mały obszar wpływu ciepła, wysoka precyzja i szybkość powtarzania, wysoka elastyczność obróbki wielkości i kształtu części. W rzeczywistości największą cechą technologii mikroobróbki laserowej jest GG; bezpośrednie pisanie&;, która upraszcza proces i realizuje szybkie prototypowanie mikromaszynek. Ponadto w tej metodzie nie występują problemy z zanieczyszczeniem środowiska, takie jak korozja, dlatego można ją nazwać&„zielony przemysł produkcji GG”. Istnieją dwa rodzaje technologii mikroobróbki laserowej stosowanych w mikroobróbce:
1) Technologia mikroobróbki do usuwania materiału, taka jak mikroobróbka laserowa z bezpośrednim pisaniem, laser Liga itp .;
2) Technologia mikroobróbki układania w stosy, taka jak mikro-stereolitografia laserowa, osadzanie wspomagane laserowo, spiekanie selektywne laserowo i tak dalej.
Inne technologie mikroobróbki laserowej
Laserowe trawienie pulsacyjne to nowa dziedzina badań technologii laserowej. Wykorzystuje laser podwójnie podwojonej częstotliwości fali lub pikosekundowy laser femtosekundowy w połączeniu z precyzyjną obrabiarką CNC do wytrawiania i obróbki różnych materiałów. Jakość mikrostruktury utworzonej na powierzchni tych materiałów jest znacznie wyższa, gdy materiały wytrawia się krótkim impulsem, a następnie usuwa. W 2001 przyrządy Heidelberga w Niemczech wykorzystały potrójną częstotliwość (długość fali {{{{{}}}}. 7 nm), aby uzyskać punkt ostrości o minimalnej wartości 5 mm, a minimalny rozmiar elementu obrabialnego 10 mm i dokładność 1 mm. Rysunek 5 pokazuje trójwymiarowy kształt lasera impulsowego wytrawionego na WC / Co. Średnica ogniska lasera wynosi 5 mm, a kierunek zasilania X i Y wynosi {{5 }} mm. {{1 3}}. 3 mm jest usuwany dla każdej warstwy, a średnia chropowatość powierzchni wynosi 0. 16 mm. Mikroobróbka laserowa jest zasadniczo taka sama jak laserowe trawienie. Wykorzystuje również laser o podwojonej częstotliwości lub femtosekundowy jako źródło światła, aby precyzyjnie skupić wiązkę i dokładnie kontrolować pobór energii. Efekt termiczny jest niewielki i wykonuje się cięcie z usuwaniem mikro.
3.Najnowszy rozwój ultrakrótkiego lasera pulsacyjnego w technologii mikroobróbki
Laser CO 2 i laser YAG to laser ciągły i o długim impulsie. Są one głównie skoncentrowane na tworzeniu wysokiej gęstości energii, która może generować wysokie temperatury w okolicy w celu usunięcia materiałów. Są one zasadniczo w dziedzinie obróbki termicznej, z ograniczoną dokładnością przetwarzania. Laser ekscymerowy wykorzystuje swoją krótką długość fali (UV) do interakcji z fotochemią materiału, a jego charakterystyczna skala może osiągnąć rząd mikrometra. Jednak gaz wymagany przez laser ekscymerowy jest żrący i trudny do kontrolowania. Ponadto laser UV o wysokiej wytrzymałości łatwo uszkadza elementy optyczne układu przetwarzania, więc jego zastosowanie jest ograniczone. Dzięki dalszym badaniom pola laserowego szerokość impulsu laserowego w dziedzinie czasu jest coraz bardziej kompresowana, od nanosekundy (10-9 s) do pikosekundy (10-12 s) do femtosekundy (10-l 5 s).
Laser pulsowy femtosekundowy ma dwie następujące cechy: (1) czas trwania impulsu jest krótki. Czas trwania impulsu femtosekundowego może być tak krótki jak kilka femtosekund, a światło propaguje tylko 0. {{{2}} μm w 1 FS, który jest krótszy niż średnica większości komórek; (2) moc szczytowa jest bardzo wysoka. Laser femtosekundowy koncentruje energię impulsu w ciągu kilkuset setek femtosekund, więc jego moc szczytowa jest bardzo wysoka. Na przykład, jeśli energia L μ J jest skoncentrowana w kilku femtosekundach i zbiega się w miejscu 1 0 μ m, jej gęstość mocy optycznej może osiągnąć 1 0 1 8 w / cm 2, a jego natężenie pola elektrycznego można przeliczyć na 2 × 1 0 1 2 v / m, czyli 4 razy siły pola kulombowskiego (5 × 1 0 1 1 v / M) w atomie wodoru, możliwe jest bezpośrednie oddzielenie elektronu od atomu.
Od mechanizmu interakcji lasera i materiałów przezroczystych szerokość impulsu wynosi od lasera ciągłego do dziesiątek pikosekund, a mechanizmem uszkodzenia jest proces jonizacji lawinowej, który zależy od początkowej gęstości elektronowej, podczas gdy początkowa gęstość elektronowa w materiałach zmienia się znacznie z powodu nierównomierny rozkład zanieczyszczeń. Dlatego próg obrażeń zmienia się znacznie. Próg uszkodzenia lasera o długim impulsie jest definiowany jako gęstość przepływu energii lasera z prawdopodobieństwem uszkodzenia 50%, to znaczy próg uszkodzenia lasera o długim impulsie jest wartością statystyczną. Siła pola ultrakrótkiego lasera pulsacyjnego jest bardzo wysoka. Związany elektron może absorbować n fotonów jednocześnie i bezpośrednio przechodzić z poziomu związanego do poziomu swobodnego. Chociaż uszkodzenie spowodowane przez ultrakrótki laser impulsowy jest również procesem jonizacji lawinowej, jego elektrony są wytwarzane w procesie jonizacji wielofotonowej i nie zależą już od początkowej gęstości elektronów w materiale. Dlatego próg obrażeń jest dokładną wartością. Próg uszkodzenia lasera impulsowego zmniejsza się wraz ze spadkiem szerokości impulsu. Na poziomie pikosekundowym tempo zmniejszania spowalnia, a na poziomie femtosekundowym prawie się nie zmienia.
Ponadto, ponieważ próg uszkodzenia ultradźwiękowego lasera impulsowego jest bardzo dokładny, energia lasera jest kontrolowana tak, aby była dokładnie równa lub nieco wyższa od progu uszkodzenia, wtedy tylko część wyższa niż próg uszkodzenia powoduje ablację, a przetwarzanie submikronowe poniżej można ustalić granicę dyfrakcji. Laser femtosekundowy może wytwarzać ultrawysokie natężenie światła, mieć dokładny i niski próg uszkodzenia, mieć bardzo mały obszar wpływu ciepła i może precyzyjnie przetwarzać prawie wszystkie rodzaje materiałów. Ponadto precyzja przetwarzania jest bardzo wysoka i może precyzyjnie przetwarzać rozmiar submikronowy.
Mikroobróbka laserowa ma zalety wysokiej wydajności produkcji, niskiego kosztu, stabilnej i niezawodnej jakości przetwarzania, dobrych korzyści ekonomicznych i społecznych. Laser femtosekundowy przełamuje tradycyjną metodę obróbki laserowej dzięki swoim wyjątkowym zaletom: krótkiemu czasowi trwania impulsu, wysokiej mocy szczytowej i stworzeniu nowego pola ultradrobnych materiałów, uszkodzeń nietermicznych oraz 3 przetwarzania i przetwarzania przestrzeni D . Zastosowanie technologii przetwarzania lasera femtosekundowego obejmuje mikroelektronikę, urządzenia z kryształu fotonicznego, urządzenia do komunikacji światłowodowej o wysokiej prędkości transmisji informacji (1 tbit / s), mikroobróbkę, nową trójwymiarową pamięć optyczną, produkcję mikro urządzeń medycznych i bioinżynierię komórkową technologia i tak dalej. Można przewidzieć, że technologia mikroobróbki laserowej stanie się zaawansowaną technologicznie w II 1 stuleciu z jej niezastąpionymi zaletami.
ConcluSyjon
W erze uprzemysłowienia wszystkie kraje na świecie są dumne z produkcji dużych maszyn; w erze technologii informatycznych wszystkie zaawansowane kraje uprzemysłowione są zaangażowane w badania nad mikrocząsteczkami i wytwarzanie coraz mniejszych maszyn; podczas gdy w erze nanotechnologii, w celu dostosowania się do rozwoju obrony narodowej, lotnictwa, medycyny i bioinżynierii, mikroprzetwarzanie jest obecnie najbardziej aktywnym kierunkiem badawczym w przemyśle wytwórczym. Jednym z nich jest to, że poziom rozwoju technologii mikromechanicznej stał się jednym z standardy pomiaru kompleksowej siły kraju. Technologia mikroobróbki laserowej wykazuje coraz więcej unikalnych zalet w technologii mikroobróbki i ma szerokie perspektywy rozwoju. Chiny muszą opracować technologię mikroobróbki laserowej z niezależnymi prawami własności intelektualnej, aby zająć miejsce w dziedzinie zaawansowanych technologii.