^
Лазеры — это генераторы монохроматического когерентного излучения. Принцип их работы основан на использовании возбужденных состояний квантовых систем. При возбуждении за счет внешней энергии электроны переходят на более высокие энергетические уровни. При этом излучаются фотоны световой энергии.
^
Лазер является довольно дорогим инструментом. В ряде случаев его пытаются заменить микроплазменными или электронно-лучевыми процессами. Лазеры применяют там, где другие методы оказываются неэффективными. Например: при работе с редкими соединениями, получение которых не удается другими способами (NbSi, FeCo), в операциях, когда нужен диаметр пучка много меньше 1 мм (сверление алмазов, подгонка параметров микросхем).
Лазеры широко применяются для одноимпульсного нанесения высококачественных пленок на приборы оптоэлектроники. За один импульс достигается толщина пленок 300-500 ангстрем про хорошей сплошности и стехеометрии состава. Плотность мощности, создаваемая лазером на два порядка превышает плотность мощности, развиваемую электронным пучком. Это делает их перспективными для нужд термоядерного синтеза. В последнее время лазеры применяются для отжига кристаллов, сварки цветных металлов. Применение лазера позволяет использовать ЭВМ и числовое программное управление.
В настоящее время получили применение твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.
Из твердотельных лазеров наибольшее применение находят лазеры на иттриево-аллюминевом гранате, легированном активными ионами ниодима, рубиновые лазеры. Из газовых лазеров широкое распространение получили электроионизационные гелий-неоновые лазеры, лазеры на углекислом газе.
^
Н
а рис. 2.1 представлены диаграммы для выбора мощности лазера исходя из проводимого технологического процесса. По оси ординат левого рисунка отложена плотность мощности, необходимая для проведения процесса. Правый рисунок представляет зависимость необходимой мощности лазера для разных толщин свариваемого материала.
Рис. 2.1. Диаграммы для выбора мощности лазера
^
2.3.1.Лазерное скрайбирование
Скрайбирование — это процесс раскроя таких неметаллических материалов, как керамика, кремний или стекло. При скрайбировании лазером прорезают риски глубиной 25350 мкм, слегка углубляющиеся в подложку. Затем, приложив механическое усилие, пластину разделяют на отдельные части. Метод лазерного скрайбирования имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами: отсутствие трещин и сколов; сквозное разделение пластин; высокая скорость обработки (до 250 мм/с); экономия полупроводниковых материалов благодаря более тесному расположению приборов на пластине из-за малой ширины реза и дефектной зоны, которая не превышает 50 мкм. Однако при лазерном скрайбировании недостаточно стабильны механические характеристики боковых граней некоторых приборов, в результате этого кристаллы малопригодны для дальнейшей автоматической сборки. Поэтому лазерное скрайбирование в основном применяют для производства дискретных приборов.
Лазеры: принцип работы и области применения
... задачами, которые стояли перед автором реферата, - дать лишь общие представления о принципе работы и применении лазеров. Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе ... мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность ...
Установка для скрайбирования марки ЭМ-220 оснащена 16-ти ватным ниодимовым лазером с ЭВМ и полуавтоматическим программным управлением. При проведении скрайбирования применяется вакуумный отсос паров. Значительную часть стоимости установки скрайбирования составляет прецезионный трех координатный стол. Значительные успехи в области производства установок для скрайбирования достигнуты фирмой Quadromicx США.
^
Диаметр лазерного пучка много меньше 1 мм, что позволяет обеспечивать концентрацию энергии на 2 порядка выше, чем при электронном пучке. Высокая концентрация энергии и большая скорость напыления дает возможность напылять особо чистые пленки с хорошей сплошностью и стехеометрией.
Лазер дает возможность точной дозировки мощности (за 1 импульс наносится пленка 300-500 нм.), а также возможность формирования пленок малых и микроскопических размеров. Скорость испарения материала лазером V определяется выражением:
V=4,4x 10 4 AP [г/cм2 с],
где Р — давление пара , мм рт.ст., зависящее от температуры Т 0 К;
- А — коэффициент испарения, зависящий от формы испарителя. А=1 для испарителя идеальной формы;
- M — молекулярный вес испаряемого материала.
Существует пороговая плотность мощности для проведения технологического процесса, определяемая выражением:
g=L*h/t,
где L — коэффициент испарения (L=10000-100000 Дж), h — глубина, t — время (в непрерывном режиме t=1).
Большая скорость конденсации пленки при лазерном испарении создает условия формирования пленки с параметрами, близкими к эпитаксиальным.
Лазер применяется при подгонке пленочных резисторов интегральных микросхем путем выжигания части пленки.
Существует пороговая энергия испарения и сублимации материалов:
Cu — 4.2 кДж/г, W — 4.6 кДж/г, Al — 5.1 кДж/г, Мо — 8.4 кДж/г.
В момент испарения материалов существует паровой факел с диаграммой направленности. При проведении процесса испарения возможна термическая ионизация паров.
Лазерные установки для обработки пленок содержат процессор, прецезионный 3-х координатный стол, оптическую систему.
Лазерное сверление отверстий
... многих других операций по обработке материалов. Так что сегодня мы можем говорить о возникновении и развитии новой технологии - лазерной. Лазерное сверление отверстий в металлах Использование лазера в качестве сверлящего ... происходит тепловое воздействие на материал, его плавление и испарение. В глубину отверстие растет в основном за счёт испарения, а по диаметру за счет плавления стенок и ...
ионно-лазерное
^
Одним из первых промышленных применений лазера является сверление отверстий малого диаметра (0,005 мм) в алмазных волоках и рубиновых подшипниках для часов. Использование лазерной установки сокращает время просверливания отверстия в сверхтвердых материалах с 20—30 мин до нескольких секунд. В то же время лазер не дает никаких преимуществ, например при высверливании отверстия диаметром 2 мм в пластине из латуни. Однако при высверливании отверстия диаметром 0,05 мм в детали толщиной 0,05 мм преимущество лазера бесспорно. Таким образом, лазер дополняет, но не заменяет обычной технологии.
Сверление отверстий лазером состоит из нескольких одновременно протекающих процессов, В упрощенном виде при лазерном сверлении твердый материал превращается в пар и удаляется из области взаимодействия, обнажая последующий слой, который при дальнейшем воздействии лазерного пучка испаряется. В действительности прямой переход твердого вещества в пар сопровождается образованием осадка в веществе и расплавленного слоя на стенке и дне отверстия. Конденсирующиеся шлаки и осколки препятствуют проникновению луча, ограничивая глубину сверления. Следовательно, прямолинейность и контур поверхности, конусность отверстия и отсутствие микротрещин зависят от интенсивности лазерного излучения, времени облучения и теплофизических свойств облучаемого материала. Единичным лазерным импульсом можно получить отверстие, максимальная глубина которого составит пять-шесть его диаметров. В отверстиях большей глубины обнаруживаются неровность контура, раковины на стенках полости и др. При использовании периодических импульсов увеличивается глубина отверстия до десяти диаметров, но удлиняется время обработки. Лазерным лучом можно сверлить практически любые материалы (например, полупроводниковые, дерево, бумагу, керамику, пластмассу и др.).
^
Сварные соединения различных изделий электронной техники должны обладать высокой прочностью, пластичностью и термостойкостью. Процесс сварки не должен приводить к нарушению близкорасположенных термочувствительных элементов, появлению термоупругих деформаций, выплесков и др. Таким требованиям наиболее полно отвечают соединения, полученные сфокусированным лазерным излучением. Точечная сварка, проводимая неподвижным импульсным лазером, является эффективным способом присоединения проводов к электрическим контактам, сваривания термопар и соединения разнородных металлов. Ее качество определяется равномерностью распределения зоны плавления между двумя свариваемыми поверхностями. Сущностью точечной лазерной сварки является получение множества перекрывающихся «пятен» сварных точек, образующих шов. Степень перекрытия регулируется управлением энергией импульса, размером сфокусированного «пятна» и скоростью перемещения. Эти параметры в каждом конкретном случае подбирают таким образом, чтобы получить максимальную глубину провара и минимальную ширину зон теплового воздействия, примыкающих к сварному шву. Лазерные системы, в которых энергия импульса и его длительность способны независимо изменяться, могут сваривать детали из различных материалов, имеющих различные геометрию и толщину. С помощью лазеров хорошо свариваются сплавы на основе титана и никеля. Благодаря устойчивости никелевых сплавов к окислению сварка проводится при минимальной подаче инертного защитного газа. Высококачественные швы можно получать в широком интервале скоростей; рентгеновские исследования не обнаруживают видимых дефектов. Сильное отражение лазерного луча от чистой алюминиевой поверхности на начальной стадии процесса затрудняет сварку алюминиевых сплавов. Поэтому для инициирования процесса необходима очень высокая мощность излучения, что улучшает качество сварных соединений.
Основными преимуществами лазерной сварки по сравнению с традиционными методами являются:
- высокая плотность мощности излучения позволяющая обрабатывать тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден);
- обработка импульсами исключающая нежелательные структурные изменения в материале и обеспечивающая высокую скорость сварки;
- сварка в труднодоступных местах без внесения загрязнений;
- возможность проведения сварки практически в любой атмосфере;
- возможность соединения материалов с различными оптическими, теплофизическими и механическими свойствами;
- минимальные габариты зоны термического влияния;
- возможность проведения сварки в непосредственной близости от термочувствительных элементов; возможность управления от ЭВМ.
В качестве установок для сварки следует отметить установку типа КВАНТ-9М с мощностью лазера 8К Дж, которая снабжена системой подачи инертного газа и кислорода в зону сварки, системой отсоса парового облака.
^
Лазерная резка, как и лазерное сверление, представляет собой испарительный процесс. При лазерной резке материалов одновременно протекают процессы плавления и испарения, преобладание одного из которых зависит как от соотношения интенсивности и времени облучения, так и от свойств материала. На лазерную резку оказывают влияние характеристики вспомогательных устройств, например сопла для подачи газа, в атмосфере которого проходит процесс. При резке металлов используют лазеры непрерывного действия. По сравнению с традиционными методами резки абразивными алмазными кругами, лазер обладает целым рядом преимуществ:
- обработка сверхтвердых материалов (например, алмаза);
- незначительная ширина пропила;
- независимость направления распиловки от ориентации кристалла;
- возможность разрезов сложной формы;
- Время распиловки сверхтвердых материалов, например искусственных рубинов глубиной пропила 20 мм, шириной 250 мкм и диной 2,5 мм составляет -1 час.
Процесс резки ускоряется при подаче кислорода в зону обработки.
^
Высокая скорость нагрева и охлаждения, обеспечиваемая большой мощностью лазерного излучения, позволяет видоизменять микроструктуру поверхности металлов и керамики. При лазерном упрочнении происходит локальная закалка тонкого приповерхностного слоя только в местах деталей, подвергающихся износу, и обеспечивается более высокая твердость поверхности. Это объясняется высокой скоростью охлаждения и, следовательно, уменьшением размеров кристаллов металла и увеличением плотности дислокаций. Лазерная обработка поверхности повышает ее стойкость к коррозии, поскольку при быстром охлаждении тонкого расплавленного слоя на кристаллических материалах образуются аморфные слои, остеклованные поверхностные слои, тонкие дендритные структуры и т.д. При упрочнении поверхность материала быстро нагревается и охлаждается, не расплавляясь. При глазуровании образуется тонкий слой расплава, который, остывая, формирует поверхность разнообразной структуры (с малой пористостью и такими микроструктурными характеристиками, которые нельзя получить обычными методами).
^
Лазерную маркировку применяют во многих отраслях промышленности. Один из вариантов основан на использовании коротких и мощных импульсов СО2-лазера, которые снимают поверхностные слои. Излучение лазера направляется на неподвижную маску, проецируемую на рабочую поверхность. Текст, записанный на маске, выжигается на детали. Производительность системы определяется механической частью оборудования, перемещающей детали в рабочее положение. Для маркировки кремниевых пластин используют гранатовый лазер. Глубина проникновения меток в пластину должна быть не менее 5 мкм, чтобы маркировка оставалась различимой и после технологических операций, вызывающих сильную эрозию поверхности пластины.
