Когда заходит речь об обработке материалов лазером, чаще всего появляется образ некоего "гиперболойда инженера Гарина", сжигающего на своем пути все, что не попадется. Образ красочный, но имеющий мало отношения к реальным технологиям. Действительно, лазер может быть достаточно мощным, для того чтобы лазерный луч смог проплавить отверстие, скажем, в металлической пластине. Однако на практике такие лобовые применения встречаются крайнее редко. В первую очередь по причинам экономическим. Для того чтобы технология имела коммерческое применение, необходимо, чтобы цена продукта окупала издержки. Мощный лазер - агрегат сложный, дорогой и к тому же имеет ограниченный срок службы. Результат его работы будет стоить немало. Кроме того, эффективность (КПД) большинства лазеров достаточно низка, что дополнительно сужает круг возможных применений. Сделать отверстие в пластине можно и более дешевыми способами, но есть такие применения, когда лазер становится безальтернативным инструментом. В этой статье мы не будем рассматривать "грубые" применения лазерного излучения, вроде лазерной сварки или резки лазером броневой плиты, ограничимся только "тонкими" применениями. Поговорим о лазерной микрообработке.
Немного физики. Первое основное условие результативности лазера как технологического инструмента - возможность фокусировки энергии в очень малом объеме. Надо сказать, что не каждый лазер удовлетворяет этим требованиям. Для достижения предельных результатов излучение лазера должно быть "одномодовым". Например, полупроводниковые лазеры, имеющие рекордные среди других типов лазеров значения КПД, близкие к 50%, являются "многомодовыми", их излучение фокусируется только в пятно значительных размеров. Достичь высокой концентрации энергии при этом не удается.
Второе условие результативности лазера как технологического инструмента - возможность концентрирования энергии в малом временном интервале. Наряду с возможностью концентрировать энергию лазерного излучения в пространстве многие типы лазеров могут запасать энергию и выделять ее в крайне малый временной интервал. В настоящее время уже реализованы лазерные импульсы в диапазонах вплоть до фемтосекунд. Системы, генерирующие импульсы в диапазоне наносекунд, являются простыми и надежными "рабочими лошадками" многих лазерных технологий. Итак, лазер - это эффективный инструмент для преобразования энергии, концентрирующий энергию в пространстве и во времени. Численным выражением концентрации энергии во времени и в пространстве является величина плотности мощности Pm = Eимп / Sфок, где Eимп - энергия импульса лазерного излучения, а Sфок - площадь пятна, в которое этот импульс сфокусирован. Чем выше эта величина, тем выше "качество" лазерного излучения. Разумеется, для сравнения различных лазерных источников между собой следует учитывать не только качество, но и энергетическую эффективность, т.е. КПД преобразования. Так, диодные лазеры, имеющие уникально высокий КПД, не обладают способностью запасать энергию, их средняя и пиковая мощности практически совпадают. Кроме того, многомодовое излучение полупроводниковых лазеров не может фокусироваться в пятно малого размера. Отсюда и сравнительно скромная роль этого типа лазеров в современных технологиях микрообработки. Аналогично, современные модели фемтосекундных лазеров на основе сапфира, активированного титаном (Ti:Sp), являются многоступенчатыми преобразователями энергии, КПД каждой ступени не превышает нескольких процентов, результирующий КПД системы столь мал, что несмотря на рекордные значения плотности мощности, достижимые в фемтосекундных импульсах, надеяться на реальное практическое применение этого типа лазеров вряд ли приходится.
Проанализируем более подробно, почему излучение с более высокой плотностью мощности позволяет добиться лучших результатов. Для начала рассмотрим случай непрерывной работы лазера. Лазерное излучение, сфокусированное на поверхности обрабатываемого материала, частично отразится, а частично поглотится поверхностью. Поглощение энергии приводит к нагреву поверхности.
Однако локальное вложение энергии еще не обеспечивает локальность нагрева. Точечно вложенная энергия тут же начинает "расползаться" за счет теплопроводности. Зона нагрева становится много больше фокального пятна. Через какое-то время установится стационарное распределение температуры по поверхности с максимумом в центре фокального пятна и с плавным уменьшением по мере удаления от него. Вследствие "расползания" тепла по поверхности и внутри обрабатываемой детали нагрев происходит на значительной площади и до небольших температур. Энергия лазера расходуется впустую. Совсем другая картина наблюдается при импульсном воздействии. Процесс переноса тепла за счет теплопроводности материала требует времени. Как только длительность импульса становится сравнима или меньше времени тепловой релаксации, большая часть поглощенной лазерной энергии остается в пределах фокального пятна. "Расползания" тепла не успевает произойти, температура на поверхности при той же вложенной энергии многократно возрастает по сравнению с длинным импульсом той же энергии. Получается, что при одной и той же средней вложенной мощности импульсное воздействие достигает большего результата (в данном случае температуры нагрева). Результат воздействия может измениться качественно, если принять во внимание, что любой процесс обработки связан с неким пороговым эффектом. По достижении на поверхности материала температуры плавления он плавится и поверхность теряет возможность сохранить форму. При дальнейшем повышении температуры материал будет испаряться или разлагаться, а при еще больших значениях начнется ионизация атомов и материал станет переходить из твердого состояния в плазму. Материал поверхности будет удален, в зоне воздействия останется след. На физическом языке совокупность процессов, приводящих к разрушению поверхности под воздействием мощного лазерного излучения, принято называть "абляция", а соответствующие режимы воздействия "абляционными". Для нас принципиально важно, что большинство эффектов, приводящих к изменению поверхности, имеют пороговый характер. Пока температура на поверхности не достигнет определенного значения (температура плавления, испарения и т.д.), результата не будет. Вот и получается, что незначительный постоянный нагрев в постоянном режиме не окажет влияния, а даже кратковременный, но превышающий пороговое значение, приведет к определенному эффекту (локальному разрушению поверхности). Импульсное вложение мощности оказывается более эффективным.
Результат воздействия двух импульсов, длинного и короткого, иллюстрируется на рис.1. Площадь импульса соответствует его энергии. Очевидно, что при одинаковой энергии длинный импульс с интенсивностью ниже пороговой не оставляет последствий, в то время как короткий, сжатый во времени импульс, достигает эффекта. Этот тривиальный результат имеет нетривиальное следствие.
Легко понять, что максимальный результат (например, объем испаренного материала) зависит от энергии импульса. Для нагрева и испарения определенного объема вещества требуется вполне определенная энергия. Объем испаренного вещества ограничен сверху максимальным значением вложенной энергии. Ограничивая подачу энергии, мы ограничиваем и величину результата. Малая энергия - малые объемы. При этом эффект будет наблюдаться, только если интенсивность воздействия превышает пороговую величину. А как быть, если надо уменьшить вложенную энергию и сохранить при этом интенсивность воздействия выше пороговой? Ответ очевиден - необходимо уменьшать длительность импульса, сохраняя его амплитуду выше порогового значения. Если мы превысили порог воздействия, эффект будет, но результат воздействия не будет большим, если импульс содержал малое количество энергии. Таким образом, импульсы малой энергии, имеющие плотность мощности выше пороговой, гарантировано производят воздействие в малом объеме. Именно это обстоятельство делает лазеры с короткой длительностью импульса привлекательными для применения в технологиях прецизионной лазерной обработки. Для малого единичного воздействия, необходимого для достижения высоких точностей, необходимо применять импульсы с малой энергией, а для устойчивого превышения порога воздействия необходимы импульсы малой длительности. Другими словами, точность технологии, ее предельное разрешение может управляться изменением длины импульса лазерного излучения. Поэтому прецизионные технологии требуют коротких лазерных импульсов. Самые высокие результаты в настоящее время достигнуты на лазерах фемтосекундного диапазона. К сожалению, доступные ныне фемтосекундные лазерные системы имеют слишком низкий КПД, крайне сложны и ненадежны, т.е. нынешнее поколение фемтосекундных лазеров практически непригодно для реальных технологических применений. Ситуация может измениться, когда появятся аппараты, построенные по другим схемам, например волоконные, но это уже тема отдельной статьи. На наш взгляд, в настоящее время наиболее пригодными для нужд прецизионной обработки являются лазеры пикосекундного диапазона. Для этого диапазона разработаны простые и эффективные конструкции, позволяющие генерировать импульсы длительностью от десятков до сотен пикосекунд. Подобные лазеры позволяют реализовать большинство прецизионных технологий лазерной микрообработки, оставаясь при этом пригодными для применения в реальных технологических условиях как по стоимости, так и по уровню надежности и простоте обслуживания.
Теперь несколько слов о точности и производительности лазерной обработки. Приведем пример из механики. Для грубой резки мы берем пилу с большим зубом. Рез производится быстро, но точность невысока. Для точного реза нужна пила с мелким зубом, в этом случае результат будет точен, но скорость мала. То же самое происходит и в случае лазерной обработки. Переход на высокие точности требует минимального единичного воздействия. В этом случае для удаления из зоны обработки фиксированного количества материала придется затратить больше импульсов. Высокая точность обработки приходит в противоречие с производительностью процесса. Для сохранения производительности необходимо повышать частоту следования лазерных импульсов. Таким образом, мы приходим к еще одному требованию, предъявляемому к лазеру для прецизионной обработки материала, - для поддержания приемлемой производительности технологического процесса необходимо использовать лазеры с короткой длительностью импульса и высокой частотой следования.
Естественным ограничением площади пятна одномодового лазера является так называемый "дифракционный предел". В зависимости от угла, под которым сходится фокусируемый пучок, минимальное значение может несколько изменяться (более короткий фокус - меньшее пятно), но в любом случае диаметр пятна остается пропорционален длине волны излучения. Чем короче длина волны, тем меньше пятно. Так, для лазера на основе иттрийалюминиевого граната, активированного неодимом (Nd:YAG), длина волны составляет 1,064 мкм, а для газоразрядного лазера на основе углекислого газа (CO2-лазер) длина волны в десять раз больше 10,6 мкм. Используя одинаковую по светосиле собирающую оптику, получим фокальные пятна, отличающиеся по диаметру в десять раз. Для соотношения площадей получим уже 102, т.е. 100. Это означает, что для достижения одинаковых значений плотности мощности в фокальном пятне в случае СО2-лазера придется использовать в 100 раз более мощный лазер. На практике эти соотношения могут изменяться из-за разных спектральных характеристик обрабатываемой поверхности, т.е. разных коэффициентов поглощения света с разной длиной волны, однако предельно достижимый размер пятна и достижимая точность обработки, безусловно, зависит от длины волны. Итак, мы можем сформулировать еще одно требование к лазеру, необходимое для достижения предельно точного результата обработки. Длина волны лазера должна быть по возможности более короткой, т.е. последовательность спектральных диапазонов в порядке улучшения результата будет выглядеть так: инфракрасный - видимый - ультрафиолетовый.
Суммируя наши выводы, получаем, что "идеальный лазер" для микрообработки материалов должен быть одномодовым, с высокой частотой следования и короткой длительностью импульсов, иметь как можно более короткую длину волны, а также обладать высоким КПД "от розетки". К сожалению, существующие в настоящее время лазерные системы удовлетворяют перечисленным требованиям лишь отчасти. Идеала нет, но грамотный технический компромисс возможен. На наш взгляд, в наибольшей степени перечисленным требованиям в настоящее время удовлетворяют лазерные системы, получившее название "твердотельные лазеры с диодной накачкой" (в английском варианте Diode Pumped Solid State Laser или сокращенно DPSSL). Сегодня это семейство имеет наилучшие показатели по эффективности и достижимым значениям плотности мощности, позволяет генерировать импульсы малой длительности с высокой частотой следования, а по спектральным характеристикам позволяет работать на длинах волн порядка 200 нм.
Установки для лазерной микрообработки производятся ООО "Мултитех" (до 2000 г. - MPB Spectrum). Компания, основанная в 1991 году, специализируется на разработке и производстве лазерного оборудования и специализированной электроники согласно конкретным требованиям заказчика. В компании проводятся научно-технические исследования и осуществляются конструктивные разработки в сфере лазерной техники (разработка и производство твердотельных лазеров с полупроводниковой и ламповой накачкой, специализированных лазерных систем научного и производственного назначения, систем регистрации), а также выполняются работы по применению лазерной техники для прецизионной обработки материалов.
Современная лазерная система микрообработки состоит из лазерного излучателя с блоком питания и системой охлаждения, системы прецизионного перемещения обрабатываемого объекта системы фокусировки излучения и телевизионной системы наблюдения объекта.
ООО "Мултитех" производит два типа установок: "Полифер" (рис.2,3) для обработки металлических и керамических материалов толщиной до 2 мм и "Сапфир" для обработки прозрачных материалов и прецизионной обработки непрозрачных.
Установка лазерной микрообработки "Полифер" предназначена для использования на предприятиях микроэлектронной промышленности для высокоточной автоматизированной обработки тонких (до 1 мм) пластин различных материалов, главным образом хрупких и/или труднообрабатываемых другими методами. Обрабатываемые материалы: поликор, ситалл, керамика 22ХС, кремний, ферриты, ниобат лития и другие аналогичные. Также могут обрабатываться различные металлы и сплавы, в том числе: сталь (также нержавеющая), медь, титан, алюминий, молибден, медно-никелевые сплавы и пр. Примеры изделий показаны на рис.4,5 и 6. На установке осуществляются процедуры резки, скрайбирования, фрезерования, прошивки отверстий, в ручном и в программируемом режиме. Контур реза, заданный программой, может иметь произвольную форму. Максимальное поле обработки ограничено рабочим ходом автоматизированной системы перемещения и составляет 100×100 мм. В установке "Полифер" материал обрабатывается в абляционых режимах, т.е. термически испаряется и затем удаляется из зоны обработки.
Установка обеспечивает:
* формирование отверстий диаметром ≥ 0,1 мм;
* точность положения получаемых элементов относительно базовых координат - ± 2,5 мкм;
* возможность обработки материалов в глубине изделия - на расстоянии 20 мм от поверхности корпуса при общей толщине корпуса 40 мм;
* перемещение рабочего стола установки в плоскости XY - 75 мм;
* ширина реза - 10-100 мкм (в зависимости от режима и обрабатываемого материала);
* толщина реза: керамических материалов - ≤ 2 мм, металлов или сплавов - ≤ 1 мм.
В состав установки входят три секции: оптическая (лазер твердотельный импульсный, система направляющей оптики, система видеонаблюдения, оптическая система сведения), механическая (прецизионный столик с подвижками, система обдува сжатым воздухом, система вытяжной вентиляции, осветитель рабочей зоны) и приборная (блок питания и управления лазером PLPS-1019, блок зарядного устройства, блок вспомогательной электроники).
За исключением системы охлаждения и управляющего компьютера установка скомпонована в виде единого модуля. Для безопасности эксплуатации установка закрывается защитным кожухом. Доступ к рабочей зоне происходит через загрузочный люк на фронтальной части защитного кожуха. Работа установки осуществляется при закрытом кожухе. Все управление процессом обработки происходит посредством управляющего компьютера, располагаемого вблизи установки. Процедуры ориентации заготовки, совмещения реперных точек, а также наблюдение за процессом обработки осуществляются через телевизионную камеру, входящую в состав установке, что исключает возможность попадания излучения лазера и рассеянного излучения на оператора или других лиц.
Установка лазерной микрообработки "Сапфир" предназначена для работы в режимах внутриобъемного скрайбирования по технологии IntraScribe твердых прозрачных материалов, лазерного фрезерования твердых прозрачных материалов, а также перфорации и резки по сложному контуру непрозрачных листовых органических и неорганических материалов толщиной до 100 мкм с точностью обработки до 2,5 мкм. Обрабатываемые материалы: сапфир (рис.7), кварц, стекло, и другие аморфные и кристаллические прозрачные материалы, а также тонкие (до 100 мкм) непрозрачные материалы, металлы, керамика, полупроводники, органические изоляционные и конструктивные материалы, полиимид, парилен, дюроид и прочие.
Сущность метода IntraScribe состоит в следующем. Микрорастрескивание прозрачного образца можно создать не только за счет термомеханического градиента, но также путем многофотонных процессов, вызывающих лавинную ионизацию в объеме, и, как следствие, лазерный пробой.
Это явление является пороговым по мощности излучения, поскольку требуется сконцентрировать в одной точке много квантов света одновременно. Такой эффект может быть достигнут применением сверхкоротких лазерных импульсов. Применение лазера соответствующего типа позволяет получить малый размер фокуса порядка единиц микрон, что дает высокую плотность излучения уже при невысокой общей энергии импульса. Контролируемое по направлению разделение образца достигается за счет выбора подходящей геометрии лазерного пучка и расположения последовательных лазерных импульсов. Энергия лазерного импульса расходуется непосредственно на разрывание межмолекулярных связей и образование новой границы раздела. Правильный выбор параметров и дозирование энергии лазерного импульса позволяет добиться точности реза в несколько микрон. Метод особенно привлекателен для применения в микроэлектронике. Кроме высочайшей точности и качества реза, недостижимого для других технологий, достигается полная стерильность процесса. Поскольку нет механического контакта заготовки с обрабатывающим инструментом (только чистый свет!!!), то и не вносятся какие-либо загрязнения на обрабатываемое изделие. Более того, разрезание может быть произведено без извлечения заготовки из прозрачного контейнера, поэтому здесь не требуется чистое обеспыленное помещение, типичное для микроэлектронной промышленности. Единственное "загрязнение", возникающее в процессе обработки, - это тепловое, но и здесь наш метод вне конкуренции, так как средняя энергия, выделяющаяся в обрабатываемой детали, не превышает нескольких ватт и не приводит к заметному нагреванию.
Установка "Сапфир" обеспечивает:
* разделение пластин прозрачных материалов (кварц, стекло, сапфир и пр.) на прямоугольные фрагменты (чипы);
* разделение и фигурный рез тонких (до 100 мкм) непрозрачных материалов (металлы, полупроводники, диэлектрики);
* точность положения получаемых элементов относительно базовых координат - ± 2,5 мкм;
* перемещение рабочего стола установки в плоскости XY - 75 мм;
* отклонение трещины от идеальной плоскости реза - 10-100 мкм (в зависимости от режима и обрабатываемого материала);
* толщина реза: металлических материалов - ≤ 50 мкм, меторганических диэлектриков - ≤ 100 мкм.
На установке можно производить:
* скрайбирование вэйферов на сапфировой, стеклянной и других подложках;
* фигурную резку тонкого листового материала по произвольному контуру;
* создание сквозных и несквозных микрорельефов на поверхности прозрачных материалов.
На этой установке можно решать задачи ретуширования шаблонов, подгонки резисторов и прочие аналогичные задачи, требующие
Второе условие результативности лазера как технологического инструмента - возможность концентрирования энергии в малом временном интервале. Наряду с возможностью концентрировать энергию лазерного излучения в пространстве многие типы лазеров могут запасать энергию и выделять ее в крайне малый временной интервал. В настоящее время уже реализованы лазерные импульсы в диапазонах вплоть до фемтосекунд. Системы, генерирующие импульсы в диапазоне наносекунд, являются простыми и надежными "рабочими лошадками" многих лазерных технологий. Итак, лазер - это эффективный инструмент для преобразования энергии, концентрирующий энергию в пространстве и во времени. Численным выражением концентрации энергии во времени и в пространстве является величина плотности мощности Pm = Eимп / Sфок, где Eимп - энергия импульса лазерного излучения, а Sфок - площадь пятна, в которое этот импульс сфокусирован. Чем выше эта величина, тем выше "качество" лазерного излучения. Разумеется, для сравнения различных лазерных источников между собой следует учитывать не только качество, но и энергетическую эффективность, т.е. КПД преобразования. Так, диодные лазеры, имеющие уникально высокий КПД, не обладают способностью запасать энергию, их средняя и пиковая мощности практически совпадают. Кроме того, многомодовое излучение полупроводниковых лазеров не может фокусироваться в пятно малого размера. Отсюда и сравнительно скромная роль этого типа лазеров в современных технологиях микрообработки. Аналогично, современные модели фемтосекундных лазеров на основе сапфира, активированного титаном (Ti:Sp), являются многоступенчатыми преобразователями энергии, КПД каждой ступени не превышает нескольких процентов, результирующий КПД системы столь мал, что несмотря на рекордные значения плотности мощности, достижимые в фемтосекундных импульсах, надеяться на реальное практическое применение этого типа лазеров вряд ли приходится.
Проанализируем более подробно, почему излучение с более высокой плотностью мощности позволяет добиться лучших результатов. Для начала рассмотрим случай непрерывной работы лазера. Лазерное излучение, сфокусированное на поверхности обрабатываемого материала, частично отразится, а частично поглотится поверхностью. Поглощение энергии приводит к нагреву поверхности.
Однако локальное вложение энергии еще не обеспечивает локальность нагрева. Точечно вложенная энергия тут же начинает "расползаться" за счет теплопроводности. Зона нагрева становится много больше фокального пятна. Через какое-то время установится стационарное распределение температуры по поверхности с максимумом в центре фокального пятна и с плавным уменьшением по мере удаления от него. Вследствие "расползания" тепла по поверхности и внутри обрабатываемой детали нагрев происходит на значительной площади и до небольших температур. Энергия лазера расходуется впустую. Совсем другая картина наблюдается при импульсном воздействии. Процесс переноса тепла за счет теплопроводности материала требует времени. Как только длительность импульса становится сравнима или меньше времени тепловой релаксации, большая часть поглощенной лазерной энергии остается в пределах фокального пятна. "Расползания" тепла не успевает произойти, температура на поверхности при той же вложенной энергии многократно возрастает по сравнению с длинным импульсом той же энергии. Получается, что при одной и той же средней вложенной мощности импульсное воздействие достигает большего результата (в данном случае температуры нагрева). Результат воздействия может измениться качественно, если принять во внимание, что любой процесс обработки связан с неким пороговым эффектом. По достижении на поверхности материала температуры плавления он плавится и поверхность теряет возможность сохранить форму. При дальнейшем повышении температуры материал будет испаряться или разлагаться, а при еще больших значениях начнется ионизация атомов и материал станет переходить из твердого состояния в плазму. Материал поверхности будет удален, в зоне воздействия останется след. На физическом языке совокупность процессов, приводящих к разрушению поверхности под воздействием мощного лазерного излучения, принято называть "абляция", а соответствующие режимы воздействия "абляционными". Для нас принципиально важно, что большинство эффектов, приводящих к изменению поверхности, имеют пороговый характер. Пока температура на поверхности не достигнет определенного значения (температура плавления, испарения и т.д.), результата не будет. Вот и получается, что незначительный постоянный нагрев в постоянном режиме не окажет влияния, а даже кратковременный, но превышающий пороговое значение, приведет к определенному эффекту (локальному разрушению поверхности). Импульсное вложение мощности оказывается более эффективным.
Результат воздействия двух импульсов, длинного и короткого, иллюстрируется на рис.1. Площадь импульса соответствует его энергии. Очевидно, что при одинаковой энергии длинный импульс с интенсивностью ниже пороговой не оставляет последствий, в то время как короткий, сжатый во времени импульс, достигает эффекта. Этот тривиальный результат имеет нетривиальное следствие.
Легко понять, что максимальный результат (например, объем испаренного материала) зависит от энергии импульса. Для нагрева и испарения определенного объема вещества требуется вполне определенная энергия. Объем испаренного вещества ограничен сверху максимальным значением вложенной энергии. Ограничивая подачу энергии, мы ограничиваем и величину результата. Малая энергия - малые объемы. При этом эффект будет наблюдаться, только если интенсивность воздействия превышает пороговую величину. А как быть, если надо уменьшить вложенную энергию и сохранить при этом интенсивность воздействия выше пороговой? Ответ очевиден - необходимо уменьшать длительность импульса, сохраняя его амплитуду выше порогового значения. Если мы превысили порог воздействия, эффект будет, но результат воздействия не будет большим, если импульс содержал малое количество энергии. Таким образом, импульсы малой энергии, имеющие плотность мощности выше пороговой, гарантировано производят воздействие в малом объеме. Именно это обстоятельство делает лазеры с короткой длительностью импульса привлекательными для применения в технологиях прецизионной лазерной обработки. Для малого единичного воздействия, необходимого для достижения высоких точностей, необходимо применять импульсы с малой энергией, а для устойчивого превышения порога воздействия необходимы импульсы малой длительности. Другими словами, точность технологии, ее предельное разрешение может управляться изменением длины импульса лазерного излучения. Поэтому прецизионные технологии требуют коротких лазерных импульсов. Самые высокие результаты в настоящее время достигнуты на лазерах фемтосекундного диапазона. К сожалению, доступные ныне фемтосекундные лазерные системы имеют слишком низкий КПД, крайне сложны и ненадежны, т.е. нынешнее поколение фемтосекундных лазеров практически непригодно для реальных технологических применений. Ситуация может измениться, когда появятся аппараты, построенные по другим схемам, например волоконные, но это уже тема отдельной статьи. На наш взгляд, в настоящее время наиболее пригодными для нужд прецизионной обработки являются лазеры пикосекундного диапазона. Для этого диапазона разработаны простые и эффективные конструкции, позволяющие генерировать импульсы длительностью от десятков до сотен пикосекунд. Подобные лазеры позволяют реализовать большинство прецизионных технологий лазерной микрообработки, оставаясь при этом пригодными для применения в реальных технологических условиях как по стоимости, так и по уровню надежности и простоте обслуживания.
Теперь несколько слов о точности и производительности лазерной обработки. Приведем пример из механики. Для грубой резки мы берем пилу с большим зубом. Рез производится быстро, но точность невысока. Для точного реза нужна пила с мелким зубом, в этом случае результат будет точен, но скорость мала. То же самое происходит и в случае лазерной обработки. Переход на высокие точности требует минимального единичного воздействия. В этом случае для удаления из зоны обработки фиксированного количества материала придется затратить больше импульсов. Высокая точность обработки приходит в противоречие с производительностью процесса. Для сохранения производительности необходимо повышать частоту следования лазерных импульсов. Таким образом, мы приходим к еще одному требованию, предъявляемому к лазеру для прецизионной обработки материала, - для поддержания приемлемой производительности технологического процесса необходимо использовать лазеры с короткой длительностью импульса и высокой частотой следования.
Естественным ограничением площади пятна одномодового лазера является так называемый "дифракционный предел". В зависимости от угла, под которым сходится фокусируемый пучок, минимальное значение может несколько изменяться (более короткий фокус - меньшее пятно), но в любом случае диаметр пятна остается пропорционален длине волны излучения. Чем короче длина волны, тем меньше пятно. Так, для лазера на основе иттрийалюминиевого граната, активированного неодимом (Nd:YAG), длина волны составляет 1,064 мкм, а для газоразрядного лазера на основе углекислого газа (CO2-лазер) длина волны в десять раз больше 10,6 мкм. Используя одинаковую по светосиле собирающую оптику, получим фокальные пятна, отличающиеся по диаметру в десять раз. Для соотношения площадей получим уже 102, т.е. 100. Это означает, что для достижения одинаковых значений плотности мощности в фокальном пятне в случае СО2-лазера придется использовать в 100 раз более мощный лазер. На практике эти соотношения могут изменяться из-за разных спектральных характеристик обрабатываемой поверхности, т.е. разных коэффициентов поглощения света с разной длиной волны, однако предельно достижимый размер пятна и достижимая точность обработки, безусловно, зависит от длины волны. Итак, мы можем сформулировать еще одно требование к лазеру, необходимое для достижения предельно точного результата обработки. Длина волны лазера должна быть по возможности более короткой, т.е. последовательность спектральных диапазонов в порядке улучшения результата будет выглядеть так: инфракрасный - видимый - ультрафиолетовый.
Суммируя наши выводы, получаем, что "идеальный лазер" для микрообработки материалов должен быть одномодовым, с высокой частотой следования и короткой длительностью импульсов, иметь как можно более короткую длину волны, а также обладать высоким КПД "от розетки". К сожалению, существующие в настоящее время лазерные системы удовлетворяют перечисленным требованиям лишь отчасти. Идеала нет, но грамотный технический компромисс возможен. На наш взгляд, в наибольшей степени перечисленным требованиям в настоящее время удовлетворяют лазерные системы, получившее название "твердотельные лазеры с диодной накачкой" (в английском варианте Diode Pumped Solid State Laser или сокращенно DPSSL). Сегодня это семейство имеет наилучшие показатели по эффективности и достижимым значениям плотности мощности, позволяет генерировать импульсы малой длительности с высокой частотой следования, а по спектральным характеристикам позволяет работать на длинах волн порядка 200 нм.
Установки для лазерной микрообработки производятся ООО "Мултитех" (до 2000 г. - MPB Spectrum). Компания, основанная в 1991 году, специализируется на разработке и производстве лазерного оборудования и специализированной электроники согласно конкретным требованиям заказчика. В компании проводятся научно-технические исследования и осуществляются конструктивные разработки в сфере лазерной техники (разработка и производство твердотельных лазеров с полупроводниковой и ламповой накачкой, специализированных лазерных систем научного и производственного назначения, систем регистрации), а также выполняются работы по применению лазерной техники для прецизионной обработки материалов.
Современная лазерная система микрообработки состоит из лазерного излучателя с блоком питания и системой охлаждения, системы прецизионного перемещения обрабатываемого объекта системы фокусировки излучения и телевизионной системы наблюдения объекта.
ООО "Мултитех" производит два типа установок: "Полифер" (рис.2,3) для обработки металлических и керамических материалов толщиной до 2 мм и "Сапфир" для обработки прозрачных материалов и прецизионной обработки непрозрачных.
Установка лазерной микрообработки "Полифер" предназначена для использования на предприятиях микроэлектронной промышленности для высокоточной автоматизированной обработки тонких (до 1 мм) пластин различных материалов, главным образом хрупких и/или труднообрабатываемых другими методами. Обрабатываемые материалы: поликор, ситалл, керамика 22ХС, кремний, ферриты, ниобат лития и другие аналогичные. Также могут обрабатываться различные металлы и сплавы, в том числе: сталь (также нержавеющая), медь, титан, алюминий, молибден, медно-никелевые сплавы и пр. Примеры изделий показаны на рис.4,5 и 6. На установке осуществляются процедуры резки, скрайбирования, фрезерования, прошивки отверстий, в ручном и в программируемом режиме. Контур реза, заданный программой, может иметь произвольную форму. Максимальное поле обработки ограничено рабочим ходом автоматизированной системы перемещения и составляет 100×100 мм. В установке "Полифер" материал обрабатывается в абляционых режимах, т.е. термически испаряется и затем удаляется из зоны обработки.
Установка обеспечивает:
* формирование отверстий диаметром ≥ 0,1 мм;
* точность положения получаемых элементов относительно базовых координат - ± 2,5 мкм;
* возможность обработки материалов в глубине изделия - на расстоянии 20 мм от поверхности корпуса при общей толщине корпуса 40 мм;
* перемещение рабочего стола установки в плоскости XY - 75 мм;
* ширина реза - 10-100 мкм (в зависимости от режима и обрабатываемого материала);
* толщина реза: керамических материалов - ≤ 2 мм, металлов или сплавов - ≤ 1 мм.
В состав установки входят три секции: оптическая (лазер твердотельный импульсный, система направляющей оптики, система видеонаблюдения, оптическая система сведения), механическая (прецизионный столик с подвижками, система обдува сжатым воздухом, система вытяжной вентиляции, осветитель рабочей зоны) и приборная (блок питания и управления лазером PLPS-1019, блок зарядного устройства, блок вспомогательной электроники).
За исключением системы охлаждения и управляющего компьютера установка скомпонована в виде единого модуля. Для безопасности эксплуатации установка закрывается защитным кожухом. Доступ к рабочей зоне происходит через загрузочный люк на фронтальной части защитного кожуха. Работа установки осуществляется при закрытом кожухе. Все управление процессом обработки происходит посредством управляющего компьютера, располагаемого вблизи установки. Процедуры ориентации заготовки, совмещения реперных точек, а также наблюдение за процессом обработки осуществляются через телевизионную камеру, входящую в состав установке, что исключает возможность попадания излучения лазера и рассеянного излучения на оператора или других лиц.
Установка лазерной микрообработки "Сапфир" предназначена для работы в режимах внутриобъемного скрайбирования по технологии IntraScribe твердых прозрачных материалов, лазерного фрезерования твердых прозрачных материалов, а также перфорации и резки по сложному контуру непрозрачных листовых органических и неорганических материалов толщиной до 100 мкм с точностью обработки до 2,5 мкм. Обрабатываемые материалы: сапфир (рис.7), кварц, стекло, и другие аморфные и кристаллические прозрачные материалы, а также тонкие (до 100 мкм) непрозрачные материалы, металлы, керамика, полупроводники, органические изоляционные и конструктивные материалы, полиимид, парилен, дюроид и прочие.
Сущность метода IntraScribe состоит в следующем. Микрорастрескивание прозрачного образца можно создать не только за счет термомеханического градиента, но также путем многофотонных процессов, вызывающих лавинную ионизацию в объеме, и, как следствие, лазерный пробой.
Это явление является пороговым по мощности излучения, поскольку требуется сконцентрировать в одной точке много квантов света одновременно. Такой эффект может быть достигнут применением сверхкоротких лазерных импульсов. Применение лазера соответствующего типа позволяет получить малый размер фокуса порядка единиц микрон, что дает высокую плотность излучения уже при невысокой общей энергии импульса. Контролируемое по направлению разделение образца достигается за счет выбора подходящей геометрии лазерного пучка и расположения последовательных лазерных импульсов. Энергия лазерного импульса расходуется непосредственно на разрывание межмолекулярных связей и образование новой границы раздела. Правильный выбор параметров и дозирование энергии лазерного импульса позволяет добиться точности реза в несколько микрон. Метод особенно привлекателен для применения в микроэлектронике. Кроме высочайшей точности и качества реза, недостижимого для других технологий, достигается полная стерильность процесса. Поскольку нет механического контакта заготовки с обрабатывающим инструментом (только чистый свет!!!), то и не вносятся какие-либо загрязнения на обрабатываемое изделие. Более того, разрезание может быть произведено без извлечения заготовки из прозрачного контейнера, поэтому здесь не требуется чистое обеспыленное помещение, типичное для микроэлектронной промышленности. Единственное "загрязнение", возникающее в процессе обработки, - это тепловое, но и здесь наш метод вне конкуренции, так как средняя энергия, выделяющаяся в обрабатываемой детали, не превышает нескольких ватт и не приводит к заметному нагреванию.
Установка "Сапфир" обеспечивает:
* разделение пластин прозрачных материалов (кварц, стекло, сапфир и пр.) на прямоугольные фрагменты (чипы);
* разделение и фигурный рез тонких (до 100 мкм) непрозрачных материалов (металлы, полупроводники, диэлектрики);
* точность положения получаемых элементов относительно базовых координат - ± 2,5 мкм;
* перемещение рабочего стола установки в плоскости XY - 75 мм;
* отклонение трещины от идеальной плоскости реза - 10-100 мкм (в зависимости от режима и обрабатываемого материала);
* толщина реза: металлических материалов - ≤ 50 мкм, меторганических диэлектриков - ≤ 100 мкм.
На установке можно производить:
* скрайбирование вэйферов на сапфировой, стеклянной и других подложках;
* фигурную резку тонкого листового материала по произвольному контуру;
* создание сквозных и несквозных микрорельефов на поверхности прозрачных материалов.
На этой установке можно решать задачи ретуширования шаблонов, подгонки резисторов и прочие аналогичные задачи, требующие
Отзывы читателей
