Хотя сверхбыстрые лазеры существуют уже несколько десятилетий, за последние два десятилетия их промышленное применение быстро возросло. В 2019 году рыночная стоимость сверхбыстрыхлазерный материалстоимость переработки составила около 460 миллионов долларов США, при этом совокупный годовой темп роста составил 13%. Области применения, в которых сверхбыстрые лазеры успешно используются для обработки промышленных материалов, включают изготовление и ремонт фотомасок в полупроводниковой промышленности, а также нарезку кремния кубиками, резку/скрайбирование стекла и удаление ITO-пленки (оксид индия и олова) в бытовой электронике, такой как мобильные телефоны и планшеты. , текстурирование поршней для автомобильной промышленности, производство коронарных стентов и производство микрофлюидных устройств для медицинской промышленности.
01 Изготовление и ремонт фотошаблонов в полупроводниковой промышленности
Сверхбыстрые лазеры использовались в одном из первых промышленных применений при обработке материалов. IBM сообщила о применении фемтосекундной лазерной абляции при производстве фотомасок в 1990-х годах. По сравнению с наносекундной лазерной абляцией, которая может вызвать разбрызгивание металла и повреждение стекла, фемтосекундные лазерные маски не вызывают разбрызгивания металла, повреждения стекла и т. д. Преимущества. Этот метод используется для производства интегральных схем (ИС). Для производства микросхемы может потребоваться до 30 масок и стоимость> 100 000 долларов. Фемтосекундная лазерная обработка позволяет обрабатывать линии и точки размером менее 150 нм.
Рисунок 1. Изготовление и ремонт фотомаски
Рисунок 2. Результаты оптимизации различных шаблонов масок для литографии в крайнем ультрафиолете.
02 Резка кремния в полупроводниковой промышленности
Нарезка кремниевых пластин на кубики является стандартным производственным процессом в полупроводниковой промышленности и обычно выполняется с использованием механического нарезания кубиками. На этих отрезных кругах часто образуются микротрещины, и их трудно резать тонкие (например, толщиной < 150 мкм) пластины. Лазерная резка кремниевых пластин уже много лет используется в полупроводниковой промышленности, особенно для тонких пластин (100-200 мкм), и выполняется в несколько этапов: лазерная обработка канавок с последующим механическим разделением или скрытая резка (т. е. инфракрасный лазерный луч внутри скрайбирование кремнием) с последующим механическим отделением ленты. Наносекундный импульсный лазер может обрабатывать 15 пластин в час, а пикосекундный лазер — 23 пластины в час, причем с более высоким качеством.
03 Резка/разметка стекла в промышленности расходуемой электроники
Сенсорные экраны и защитные очки для мобильных телефонов и ноутбуков становятся тоньше, а некоторые геометрические формы искривляются. Это затрудняет традиционную механическую резку. Типичные лазеры обычно обеспечивают низкое качество резки, особенно когда стеклянные дисплеи уложены в 3–4 слоя, а верхнее защитное стекло толщиной 700 мкм закалено, и оно может сломаться при локальном напряжении. Было показано, что сверхбыстрые лазеры способны резать эти стекла с большей прочностью кромок. Для резки больших плоских панелей фемтосекундный лазер можно сфокусировать на задней поверхности стеклянного листа, царапая внутреннюю часть стекла, не повреждая переднюю поверхность. Затем стекло можно разбить механическим или термическим способом по нанесенному рисунку.
Рисунок 3. Пикосекундная сверхбыстрая лазерная резка стекла специальной формы.
04 Текстуры поршней в автомобильной промышленности
Двигатели легких автомобилей изготавливаются из алюминиевых сплавов, которые не так износостойки, как чугун. Исследования показали, что фемтосекундная лазерная обработка текстур автомобильных поршней может снизить трение до 25%, поскольку мусор и масло могут эффективно храниться.
Рисунок 4. Фемтосекундная лазерная обработка поршней автомобильного двигателя для улучшения характеристик двигателя
05 Производство коронарных стентов в медицинской промышленности
Миллионы коронарных стентов имплантируются в коронарные артерии тела, чтобы открыть канал для тока крови в сосуды, которые в противном случае были бы свернуты, спасая миллионы жизней каждый год. Коронарные стенты обычно изготавливаются из металлической (например, нержавеющей стали, никель-титанового сплава с памятью формы или, в последнее время, кобальт-хромового сплава) проволочной сетки с шириной стойки примерно 100 мкм. По сравнению с длинноимпульсной лазерной резкой преимуществами использования сверхбыстрых лазеров для резки брекетов являются высокое качество резки, лучшее качество поверхности и меньшее количество мусора, что снижает затраты на постобработку.
06 Производство микрофлюидных устройств для медицинской промышленности
Микрофлюидные устройства обычно используются в медицинской промышленности для тестирования и диагностики заболеваний. Обычно они изготавливаются путем микролитья отдельных деталей с последующим соединением их с помощью склеивания или сварки. Преимущество сверхбыстрого лазерного изготовления микрофлюидных устройств заключается в создании трехмерных микроканалов внутри прозрачных материалов, таких как стекло, без необходимости соединений. Один метод — сверхбыстрое лазерное изготовление внутри объемного стекла с последующим влажным химическим травлением, а другой — фемтосекундная лазерная абляция внутри стекла или пластика в дистиллированной воде для удаления мусора. Другой подход заключается в изготовлении каналов на поверхности стекла и герметизации их стеклянной крышкой с помощью фемтосекундной лазерной сварки.
Рисунок 6. Селективное травление, индуцированное фемтосекундным лазером, для подготовки микрофлюидных каналов внутри стеклянных материалов.
07 Микросверление форсунки
Обработка микроотверстий фемтосекундным лазером заменила микроэрозионную обработку во многих компаниях на рынке инжекторов высокого давления благодаря большей гибкости в изменении профилей проточных отверстий и сокращению времени обработки. Возможность автоматического управления положением фокуса и наклоном луча через прецессирующую сканирующую головку привела к разработке профилей апертуры (например, бочкообразной, бликовой, сходящейся, расходящейся), которые могут способствовать распылению или проникновению в камеру сгорания. Время сверления зависит от объема абляции: толщина сверла составляет 0,2–0,5 мм, диаметр отверстия 0,12–0,25 мм, что делает этот метод в десять раз быстрее, чем микроэрозионный электроэрозионный метод. Микросверление выполняется в три этапа, включая черновую и чистовую обработку сквозных направляющих отверстий. Аргон используется в качестве вспомогательного газа для защиты скважины от окисления и защиты конечной плазмы на начальных этапах.
Рис. 7. Высокоточная фемтосекундная лазерная обработка инвертированного конического отверстия форсунки дизеля.
08 Сверхбыстрое лазерное текстурирование
В последние годы в целях повышения точности обработки, уменьшения повреждения материала и повышения эффективности обработки область микрообработки постепенно стала в центре внимания исследователей. Сверхбыстрый лазер обладает различными преимуществами обработки, такими как низкий уровень повреждений и высокая точность, что стало основным направлением развития технологий обработки. В то же время сверхбыстрые лазеры могут воздействовать на различные материалы, а повреждение материалов при лазерной обработке также является основным направлением исследований. Сверхбыстрый лазер используется для абляции материалов. Когда плотность энергии лазера превышает порог абляции материала, поверхность аблируемого материала будет иметь микронаноструктуру с определенными характеристиками. Исследования показывают, что эта особая структура поверхности является распространенным явлением, возникающим при лазерной обработке материалов. Подготовка поверхностных микронаноструктур может улучшить свойства самого материала, а также позволить разрабатывать новые материалы. Это делает подготовку поверхностных микронаноструктур с помощью сверхбыстрого лазера техническим методом, имеющим важное значение для развития. В настоящее время, что касается металлических материалов, исследования по сверхбыстрому лазерному текстурированию поверхности могут улучшить свойства смачивания поверхности металла, улучшить свойства поверхностного трения и износа, улучшить адгезию покрытия, а также направленное распространение и адгезию клеток.
Рис. 8. Супергидрофобные свойства поверхности кремния, приготовленной лазером.
Являясь передовой технологией обработки, сверхбыстрая лазерная обработка имеет характеристики небольшой зоны термического влияния, нелинейного процесса взаимодействия с материалами и обработки с высоким разрешением за пределами дифракционного предела. Он может осуществлять высококачественную и высокоточную микронанообработку различных материалов. и изготовление трехмерных микро-наноструктур. Достижение лазерного производства специальных материалов, сложных структур и специальных устройств открывает новые возможности для микронанопроизводства. В настоящее время фемтосекундный лазер широко применяется во многих передовых научных областях: фемтосекундный лазер можно использовать для изготовления различных оптических устройств, таких как матрицы микролинз, бионические составные глаза, оптические волноводы и метаповерхности; используя свою высокую точность, высокое разрешение и возможности трехмерной обработки, фемтосекундный лазер может изготавливать или интегрировать микрофлюидные и оптофлюидные чипы, такие как компоненты микронагревателей и трехмерные микрофлюидные каналы; кроме того, фемтосекундный лазер также может создавать различные типы поверхностных микронаноструктур для достижения антиотражающих, антиотражающих, супергидрофобных, противообледенительных и других функций; Мало того, фемтосекундный лазер также применяется в области биомедицины, показывая выдающиеся результаты в таких областях, как биологические микростенты, субстраты для клеточных культур и биологическая микроскопическая визуализация. Широкие перспективы применения. В настоящее время области применения фемтосекундной лазерной обработки расширяются с каждым годом. В дополнение к вышеупомянутым микрооптике, микрофлюидике, многофункциональным микронаноструктурам и приложениям биомедицинской инженерии, он также играет огромную роль в некоторых новых областях, таких как подготовка метаповерхностей. , микро-нанопроизводство и многомерное оптическое хранение информации и т. д.
Время публикации: 17 апреля 2024 г.
