Chociaż ultraszybkie lasery istnieją już od dziesięcioleci, w ciągu ostatnich dwóch dekad ich zastosowania przemysłowe gwałtownie się rozwinęły. W 2019 roku wartość rynkowa ultraszybkichmateriał laserowyprzetworzenie wyniosło około 460 mln USD, przy złożonej rocznej stopie wzrostu wynoszącej 13%. Obszary zastosowań, w których z powodzeniem zastosowano ultraszybkie lasery do obróbki materiałów przemysłowych, obejmują wytwarzanie i naprawę fotomasek w przemyśle półprzewodników, a także krojenie krzemu w kostkę, cięcie/trasowanie szkła i usuwanie folii ITO (tlenkiem indu i cyny) w elektronice użytkowej, takiej jak telefony komórkowe i tablety , teksturowanie tłoków dla przemysłu motoryzacyjnego, produkcja stentów wieńcowych i produkcja urządzeń mikroprzepływowych dla przemysłu medycznego.
01 Produkcja i naprawa fotomasek w przemyśle półprzewodników
Ultraszybkie lasery znalazły zastosowanie w jednym z najwcześniejszych zastosowań przemysłowych w obróbce materiałów. IBM zgłosił zastosowanie ablacji laserem femtosekundowym w produkcji fotomasek w latach 90. W porównaniu z ablacją laserem nanosekundowym, która może powodować odpryski metalu i uszkodzenie szkła, maski laserowe femtosekundowe nie wykazują żadnych odprysków metalu, uszkodzeń szkła itp. Zalety. Metodą tą stosuje się do produkcji układów scalonych (IC). Wyprodukowanie układu scalonego może wymagać maksymalnie 30 masek i kosztować > 100 000 USD. Obróbka laserem femtosekundowym może przetwarzać linie i punkty o długości poniżej 150 nm.
Rysunek 1. Produkcja i naprawa fotomaski
Rysunek 2. Wyniki optymalizacji różnych wzorów masek dla litografii w ekstremalnym ultrafiolecie
02 Cięcie krzemu w przemyśle półprzewodników
Krojenie płytek krzemowych w kostkę jest standardowym procesem produkcyjnym w przemyśle półprzewodników i zwykle przeprowadza się je przy użyciu mechanicznego krojenia w kostkę. Na tych tarczach tnących często powstają mikropęknięcia i trudno jest ciąć cienkie (np. o grubości < 150 µm) płytki. Cięcie laserowe płytek krzemowych jest stosowane w przemyśle półprzewodników od wielu lat, zwłaszcza cienkich płytek (100-200 μm) i odbywa się wieloetapowo: rowkowanie laserowe, a następnie separacja mechaniczna lub cięcie stealth (tj. wiązka lasera podczerwonego wewnątrz trasowanie silikonowe), a następnie mechaniczne oddzielanie taśmą. Nanosekundowy laser impulsowy może przetwarzać 15 płytek na godzinę, a laser pikosekundowy może przetwarzać 23 płytki na godzinę, zapewniając wyższą jakość.
03 Cięcie/rysowanie szkła w przemyśle elektroniki użytkowej
Ekrany dotykowe i okulary ochronne do telefonów komórkowych i laptopów są coraz cieńsze, a niektóre kształty geometryczne są zakrzywione. Utrudnia to tradycyjne cięcie mechaniczne. Typowe lasery zazwyczaj zapewniają słabą jakość cięcia, zwłaszcza gdy szklane wyświetlacze są ułożone w 3-4 warstwy, a górne szkło ochronne o grubości 700 μm jest hartowane, co może pęknąć pod wpływem miejscowych naprężeń. Wykazano, że ultraszybkie lasery są w stanie ciąć te szkła z lepszą wytrzymałością krawędzi. W przypadku cięcia dużych płaskich paneli laser femtosekundowy można skupić na tylnej powierzchni tafli szkła, zarysowując wnętrze szkła bez uszkadzania przedniej powierzchni. Następnie szkło można rozbić za pomocą środków mechanicznych lub termicznych wzdłuż naciętego wzoru.
Rysunek 3. Pikosekundowe ultraszybkie cięcie szkła laserem o specjalnym kształcie
04 Tekstury tłoków w przemyśle motoryzacyjnym
Lekkie silniki samochodowe wykonane są ze stopów aluminium, które nie są tak odporne na zużycie jak żeliwo. Badania wykazały, że obróbka laserem femtosekundowym tekstur tłoków samochodowych może zmniejszyć tarcie nawet o 25%, ponieważ można skutecznie przechowywać zanieczyszczenia i olej.
Rysunek 4. Obróbka laserem femtosekundowym tłoków silników samochodowych w celu poprawy osiągów silnika
05 Produkcja stentów wieńcowych w przemyśle medycznym
Miliony stentów wieńcowych wszczepia się w tętnice wieńcowe organizmu, aby otworzyć kanał umożliwiający przepływ krwi do zakrzepłych naczyń, co roku ratuje życie milionów ludzi. Stenty wieńcowe są zwykle wykonane z metalowej siatki drucianej (np. ze stali nierdzewnej, stopu niklowo-tytanowego z pamięcią kształtu lub ostatnio ze stopu kobaltowo-chromowego) o szerokości rozpórki około 100 µm. W porównaniu do cięcia laserem o długim impulsie, zalety stosowania ultraszybkich laserów do cięcia zamków to wysoka jakość cięcia, lepsze wykończenie powierzchni i mniej zanieczyszczeń, co zmniejsza koszty obróbki końcowej.
06 Produkcja urządzeń mikroprzepływowych dla przemysłu medycznego
Urządzenia mikroprzepływowe są powszechnie stosowane w przemyśle medycznym do testowania i diagnozowania chorób. Są one zazwyczaj wytwarzane poprzez formowanie mikrowtryskowe poszczególnych części, a następnie łączenie za pomocą klejenia lub spawania. Ultraszybka laserowa produkcja urządzeń mikroprzepływowych ma tę zaletę, że wytwarza mikrokanały 3D w przezroczystych materiałach, takich jak szkło, bez konieczności stosowania połączeń. Jedną z metod jest ultraszybka obróbka laserowa wewnątrz szkła masowego, a następnie trawienie chemiczne na mokro, a inną jest ablacja laserem femtosekundowym wewnątrz szkła lub plastiku w wodzie destylowanej w celu usunięcia zanieczyszczeń. Innym podejściem jest obróbka kanałów w powierzchni szkła i uszczelnienie ich szklaną pokrywą za pomocą spawania laserem femtosekundowym.
Rysunek 6. Selektywne trawienie indukowane laserem femtosekundowym w celu przygotowania kanałów mikroprzepływowych wewnątrz materiałów szklanych
07 Mikrowiercenie dyszy wtryskiwacza
Obróbka mikrootworów laserem femtosekundowym zastąpiła mikro-EDM w wielu firmach na rynku wtryskiwaczy wysokociśnieniowych ze względu na większą elastyczność w zmianie profili otworów przepływowych i krótsze czasy obróbki. Możliwość automatycznego kontrolowania położenia ogniska i pochylenia wiązki za pomocą poprzedzającej głowicy skanującej doprowadziła do zaprojektowania profili apertury (np. beczki, flary, zbieżności, rozbieżności), które mogą sprzyjać atomizacji lub penetracji w komorze spalania. Czas wiercenia zależy od objętości ablacji, przy grubości wiertła 0,2 – 0,5 mm i średnicy otworu 0,12 – 0,25 mm, co czyni tę technikę dziesięć razy szybszą niż mikro-EDM. Mikrowiercenie odbywa się w trzech etapach obejmujących obróbkę zgrubną i wykańczającą otworów przelotowych. Argon stosuje się jako gaz pomocniczy do ochrony odwiertu przed utlenianiem i do osłony końcowej plazmy na początkowych etapach.
Rysunek 7. Precyzyjne przetwarzanie laserem femtosekundowym otworu o odwróconym stożku we wtryskiwaczu silnika wysokoprężnego
08 Ultraszybkie teksturowanie laserowe
W ostatnich latach, w celu poprawy dokładności obróbki, zmniejszenia uszkodzeń materiału i zwiększenia wydajności przetwarzania, dziedzina mikroobróbki stopniowo staje się przedmiotem zainteresowania badaczy. Ultraszybki laser ma różne zalety przetwarzania, takie jak niskie uszkodzenia i wysoka precyzja, co stało się celem promowania rozwoju technologii przetwarzania. Jednocześnie ultraszybkie lasery mogą oddziaływać na różnorodne materiały, a głównym kierunkiem badań są także uszkodzenia materiałów podczas obróbki laserowej. Do ablacji materiałów używany jest ultraszybki laser. Gdy gęstość energii lasera jest wyższa niż próg ablacji materiału, powierzchnia ablowanego materiału będzie wykazywać strukturę mikronano o określonych właściwościach. Badania pokazują, że ta specjalna struktura powierzchni jest powszechnym zjawiskiem występującym podczas obróbki laserowej materiałów. Przygotowanie powierzchniowych struktur mikronano może poprawić właściwości samego materiału, a także umożliwić opracowanie nowych materiałów. Sprawia to, że przygotowanie powierzchniowych mikronanostruktur za pomocą ultraszybkiego lasera jest metodą techniczną o istotnym znaczeniu rozwojowym. Obecnie w przypadku materiałów metalowych badania nad ultraszybkim laserowym teksturowaniem powierzchni mogą poprawić właściwości zwilżania powierzchni metalu, poprawić tarcie powierzchniowe i właściwości zużycia, zwiększyć przyczepność powłok oraz kierunkową proliferację i adhezję komórek.
Rysunek 8. Właściwości superhydrofobowe powierzchni krzemu przygotowanej laserowo
Jako najnowocześniejsza technologia przetwarzania, ultraszybka obróbka laserowa charakteryzuje się małą strefą wpływu ciepła, nieliniowym procesem interakcji z materiałami i przetwarzaniem o wysokiej rozdzielczości przekraczającej granicę dyfrakcji. Może realizować wysokiej jakości i precyzyjne przetwarzanie mikro-nano różnych materiałów. oraz wytwarzanie trójwymiarowej struktury mikronano. Osiągnięcie laserowej produkcji specjalnych materiałów, złożonych struktur i specjalnych urządzeń otwiera nowe możliwości w produkcji mikro-nano. Obecnie laser femtosekundowy jest szeroko stosowany w wielu najnowocześniejszych dziedzinach nauki: laser femtosekundowy można wykorzystać do przygotowania różnych urządzeń optycznych, takich jak układy mikrosoczewek, oczy złożone bioniczne, falowody optyczne i metapowierzchnie; wykorzystując swoją wysoką precyzję, wysoką rozdzielczość i możliwości przetwarzania trójwymiarowego, laser femtosekundowy może przygotowywać lub integrować chipy mikroprzepływowe i optofluidyczne, takie jak elementy mikrogrzejników i trójwymiarowe kanały mikroprzepływowe; ponadto laser femtosekundowy może również przygotowywać różne typy mikronanostruktur powierzchniowych w celu uzyskania funkcji przeciwodblaskowych, przeciwodblaskowych, superhydrofobowych, przeciwoblodzeniowych i innych; Co więcej, laser femtosekundowy znalazł także zastosowanie w biomedycynie, wykazując wyjątkową skuteczność w takich dziedzinach, jak mikrostenty biologiczne, substraty do hodowli komórkowych i biologiczne obrazowanie mikroskopowe. Szerokie perspektywy zastosowań. Obecnie obszary zastosowań obróbki laserem femtosekundowym poszerzają się z roku na rok. Oprócz wyżej wymienionych mikrooptyki, mikroprzepływów, wielofunkcyjnych mikronanostruktur i zastosowań inżynierii biomedycznej, odgrywa ona również ogromną rolę w niektórych nowych dziedzinach, takich jak przygotowanie metapowierzchni. , produkcja mikronano i wielowymiarowe optyczne przechowywanie informacji itp.
Czas publikacji: 17 kwietnia 2024 r
