Технологічні операції лазерної обробки

Обробка отворів є одним з перших напрямів лазерній технології. За допомогою променя лазера виготовляють отвори діаметром від декількох мікрометрів до декількох міліметрів завглибшки до 15 мм в таких важко оброблюваних матеріалах як тверді сплави, магнітні матеріали, жароміцні і спеціальні сплави, алмази, ферити, кераміка і т.п. На лазерних установках «Квант», «Корунд», «Кристал» і ін. виготовляють отвори в алмазних фільєрах, рубінових годинникових каменях, у феритових пластинках пам'яті, в підкладках мікросхем, соплах, форсунках і інших деталях.

В даний час вітчизняна приладобудівна промисловість повністю перейшла на лазерну обробку отворів в рубінових годинникових каменях. Складність даної операції полягає в тому, що в твердому крихкому матеріалі - синтетичному рубіні необхідно свердлити отвір діаметром 50-60 мкм при допуску по діаметру в декілька мікрометрів і відсутності на його поверхні тріщин і сколов. При лазерній технології на одній установці за зміну виготовляється 22 тис. каменів, а при механічній обробці на шести двадцяти верстатах шпінделів - не більше 2500 заготовок, окрім цього поліпшуються умови праці, вивільняються виробничі площі, велике число робочих і забезпечується економічний ефект 1 млн. рублів.

При виготовленні отворів застосовують дві схем:

1. Одноімпульсну прошивку - отвір формується за один імпульс. Точність отворів за діаметральними розмірами відповідає 9-11 квалитету, по подовжніх - II -13 квалитету, шорсткість поверхні Ra=2,5-0,32 мкм, а глибина отримуваних отворів не більше 5 мм.

Діаметр d і глибину Н отвору, що отримується в непрозорому матеріалі, визначають по формулах:

( 5.2)

(5.3)

де D0 - початковий діаметр лунки; W - енергія випромінювання імпульсного ОКГ; - половинний кут розчину світлового конуса, що створюється оптичною системою; L0 - питома енергія випаровування матеріалу при Т =0 До (при абсолютному нулі.) .

Геометрія отвору залежить від енергетичних параметрів світивши, положення фокусу оптичної системи щодо поверхні заготівки, фокусної відстані цієї системи і теплофизических властивостей оброблюваного матеріалу. На мал. 5.2 представлена залежність форми подовжнього перетину отвору від положення фокусу лазерного променя щодо оброблюваної поверхні. Як видно з мал. 5.2, отвори мають максимальну глибину і майже циліндрову форму при положенні фокусу лазерного променя на поверхні оброблюваного виробу, в решті випадків спостерігається зміна форми подовжнього перетину від конічної до параболічної.

Мал. 5.2. Залежність форми подовжнього перетину отвору від положення фокусу лазерного променя щодо оброблюваної поверхні.

Мал. 5.3 Схема газолазерної резки.

2. Багатоімпульсна обробка - отвір виходить великою кількістю коротких імпульсів з малою енергією, величина якої визначає шорсткість поверхні, глибину поверхневого зміненого шару і точність обробки. У міру поглиблення отворів заготівка зміщується назустріч свічу. Процес дозволяє виготовляти отвори завглибшки до 15 мм при відношенні H/d до 50 з Точность’0 діаметральних розмірів по 9 квалитету, а при глибині отвору менше його діаметру - 7-8 квалитет. Багатоімпульсний режим широко застосовується для обробки неметалічних матеріалів і тонких металів. При цьому отримувані точні отвори можуть мати поперечний перетин не тільки круглої, але і профільної форми, що досягається діафрагмуванням лазерного потоку. При лазерній обробці (по1и 2 схемі) на бічній поверхні отворів спостерігається дефектний (із зміненою структурою, тріщинами і т.д.) шар завглибшки 0,05-0,1 мм, а на поверхні з боку входу променя утворюється кільцевий вал із застиглої рідкої фази. Глибину зміненого шару зменшують видаленням з отвору рідкої фази оброблюваного матеріалу піддуванням повітря або відсмоктуванням; підвищенням щільності пари матеріалу за рахунок збільшення щільності потужності випромінювання, чим забезпечується ефективніше видування рідкої фази.

Лазерне різання і скрайбирование напівпровідникових матеріалів використовується у виробництві напівпровідникових приладів і інтегральних схем. Розділення матеріалів може бути здійснене або при повному видаленні матеріалу по лінії розрізу, або при частковому видаленні - скрайбировании [2]з подальшим розломом, а також за допомогою способу термораскалывания, при якому видалення матеріалу немає, а розділення проводитися розломом по лінії дії теплового джерела. Найбільш перспективні для розділення напівпровідників лазери на межі, які дозволяють здійснювати прецизійну резку кремнієвих пластин завтовшки 0,25 мм із швидкістю 2 мм/с. Лазерне скрайбирование ведеться з швидкістю до 250 мм/с при ширині реза до 25 мкм і глибині до 50 мкм. Даний процес скорочує трудомісткість операцій розділення пластин кремнію в 10-15 разів в порівнянні з алмазним і може бути застосований в мікроелектроніці для розділення пластин з кераміки, ситалла і інших матеріалів.

Розрізання металів і неметалічних матеріалів значної товщини проводиться, як правило, з піддуванням активного або нейтрального газу (див. мал. 5.3). Суть цього процесу, що отримав назву газолазерної резки (ГЛР), полягає в тому, що співісного з променем лазера в зону обробки подається, наприклад, кисень, який підтримує горіння матеріалу, очищає зону різання від продуктів процесу і інтенсивно охолоджує стінки реза. ГДР дозволяє отримати значну швидкість і глибину різання, а також кращу якість реза. Цим способом вдається різати неметалічні матеріали завтовшки до 20-50 мм, а метали до 10-13 мм. При цьому стекло завтовшки 8-10 мм режется із швидкістю 25 мм/с, а корозійний-стійка сталь - би мм/с. Ширина реза знаходиться в межах 0,1-1 мм.

Підгонка товсто плівкових резисторів здійснюється автоматично на установках типу «Кристал-6» з точністю підгонки до +- 5%. Товщина оброблюваних плівок до 30 мкм, ширина реза 0,1-0,2 мм, машинний час підгонки одного резистора 0,2-1,5с.

Підгонка тонкопленочных резисторів мікросхем може виконуватися на установці «Кристал-10/ із швидкістю обробки 4 мм/с при товщині плівки до 1 мкм і ширині реза 5-30 мкм.

Останнім часом розроблений лазерний метод маркіровки (друкування цифр) на тонких пластинках кремнію і фериту. Суть процесу полягає в тому, що лазерний промінь через маску і оптичну систему проектується на поверхню зразка, і проводиться випаровування поверхневого шару матеріалу без руйнування останнього. Прогрес сучасної мікроелектроніки багато в чому залежить від розвитку методу фотолітографії.

Метод лазерної літографії володіє достатньо високою точністю (1-1,5 мкм) і продуктивністю. Застосування лазерів з потужністю в імпульсі 50-100 кВт при частоті їх проходження 100-150 Гц забезпечує швидкість малювання лінії до 20 м/с, що вимагає на обробку фотошаблону не більше 3,5-5 годин.

6. ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВА Розмірна ОБРОБКА (ЕПРО)

Електронно-променевими методами обробки матеріалів (різкі, прошивки, зварки і ін.) називаються методи, в яких для технологічних цілей використовується теплова енергія, що виділяється при зіткненні быстродвижущихся електронів з оброблюваним матеріалом.

Підвищуючи швидкість руху електронів і їх кінетичну енергію, а також збільшуючи число електронів в пучку (т.е. збільшуючи щільність пучка), можна створити надзвичайно високу концентрація теплової енергії в зоні гальмування електронного пучка.

Розмірна обробка матеріалів електронним променем здійснюється при щільності теплової енергії вище 106-109 Вт/см2 . Матеріал при такій щільності скипає і випаровується, утворюючи на деталі поглиблення (отвір), а при переміщенні світивши - крізний або глухий паз. У зоні обробки температура може досягати 6000 °С, а на відстані всього лише 1 мкм від останньої - 280-300 °С - звідси висока локалізація процесу.

ЭДРО має ряд істотних достоїнств, що обумовлюють доцільність її практичного застосування, а саме; можливість широкого регулювання режимів і тонкого управління тепловими процесами; придатність для обробки металевих і неметалічних матеріалів; підвищена чистота середовища при обробці; високий ККД (до 98%); можливість автоматизації процесу. Недоліки процесу: необхідність захисту від рентгенівського випромінювання, що виникає при роботі на напрузі понад 20 кВ; відносно висока вартість і складність устаткування; необхідність високого вакууму; трудність безпосереднього спостереження за процесом.

Для здійснення процесу обробки електронним променем потрібне застосування спеціальних пристроїв, які називаються електронно-променевими (ЭЛ) гарматами, випромінюючих в достатній кількості і про необхідною швидкістю вільні електрони.

Схема ЭЛ гармати для розмірної обробки представлена на мал. 6.1.

Основним елементом пупки є катод, що нагрівається, II, що випускає електрони, які формуються полем прикатодного фокусуючого електроду 10, а потім прискорюються під дією різниці потенціалів (прискорюючої напруги) між катодом і анодом 9, після чого електронний промінь фокусується за допомогою системи 2 і прямує на оброблюваний виріб.

Для отримання променя малого діаметру (від одиниць до сотень мкм) застосовують V -образный або шпильковий катод (II) (див. мал. 6.1 би). Прікатодний фокусуючий електрод (циліндр Венельта) (10) на який подається негативна напруга зсуву щодо катода, фокусує електрони в пучок, створюючи на деякій відстані від катода ділянка з мінімальним радіусом rs, який грає роль фіктивного катода, що визначає величину мінімально можливого перетину світивши на виробі.

Прискорені і сфокусовані електрони проходять крізь отвори в аноді (9) і рухаються далі з постійною швидкістю.

Мал. 6.1. Схема електронно-променевої гармати для розмірної обробки (а), випромінювача електронів (б) і профіль отвору, отриманого при обробці (в) :

1- випромінювача електронів, 2- фокусуюча система, 3- столу з деталлю, 4- мікроскопа, 5- длиннофокусная магнітна лінза, 6- котушки, що коректують, 7- діафрагм, 8- короткофокусна магнітна лінза, 9- анода, 10- фокусуючий електрод, 11- катода, 12- відхиляюча лінза, 13- робоча камера.

Короткофокусна магнітна лінза (8) ( F= 2-3 мм) встановлюється нижче за анод і може зменшити електронний промінь 0,5 мкм. Проте найменший перетин плями лежить близько до центру лінзи і використовувати його для технологічних цілей дуже важко. Тому встановлюється друга - длиннофокусная лінза (5) ( F=30-180 мм), яка переносить промінь на деталь без зміни його поперечного перетину і одночасно збільшує відстань між лінзою і площиною робочого столу (до 160 мм), що дозволяє обробляти дно великогабаритних деталей і розташувати контрольні прилади або пристрою для розгортки електронного променя в просторі між лінзою і деталлю.

Встановлені на шляху електронного променя діафрагми (7) пропускають тільки центральну частину, обрізаючи краєві розсіяні електрони. Стігматор (котушки, що коректують) (б) дозволяють виправляти поперечний перетин світивши до правильного круга в тих випадках, коли виникає спотворення форми із-за дефектів виготовлення полюсних наконечників магнітних лінз. Відхиляюча система (Т2) дозволяє переміщати промінь у взаємно перпендикулярних напрямах і отримувати будь-яке положення його на площині, а також плавно переміщати із заданою швидкістю на площі 10 х 10 мм» При необхідності більшого зсуву світивши, що порушує гостроту фокусування, застосовують пристрої типу координатних або поворотних столів.

Оскільки електрони пучка в робочій камері (13) повинні доходити до деталі без втрат енергії і без розсіяння світивши, то необхідно у весь час технологічного процесу підтримувати в камері тиск не більше 1,3(10-2-10-3) Па, що досягається застосуванням дифузійних насосів у поєднанні з механічними.

Основні енергетичні параметри електронного променя наступні.

1. Електрони в електричному полі набувають енергії:

(6.1) We=mV2/2=eU

де m і e - маса і заряд електрона, V- швидкість електронів, U- пройдена електроном різниця потенціалів.

2. Швидкість електронів при попаданні на оброблювану поверхню:

(6.2) V=(2eUп/m)^1/2

де Uп - різниця потенціалів між катодом випромінювача і оброблюваною поверхнею. Енергія електронів, що покидають випромінювач складає 100 кэВ, а їх швидкість 106-107 м/с і вище.

3. Потужність електронного променя

(6.3) q= IлUп

де Iл - струм в промені.

4. Питома потужність в промені

(6.4)

де dл - діаметр світивши на оброблюваній поверхні.

Сфокусований потік електронів, падаючи на поверхню матеріалу, здійснює розігрівання речовини в зоні обмеженою діаметром світивши і глибиною пробігу електронів . Максимальна глибина - зазвичай визначається по Формулі Шонланда:

(6.5)

де - щільність матеріалу.

При розмірній обробці найбільш доцільним є імпульсний режим дії світивши на матеріал. Час паузи режиму вибирається з розрахунку того, щоб продукти викиду встигали евакуюватися із зони обробки і промінь не розсівався на стінки освіченого каналу» Застосування такого режиму дозволяє в зразках з коррозионностойкой стали повзати отвори завглибшки до 60 мм і діаметром до 2 мм.

Тривалість імпульсу вибирають з умови:

(6.6)

де L _исп - питома енергія вибухового скипання даного матеріалу, чисельно рівна питомій теплоті випаровування.

Оптимальні значення шпаруватості (G) імпульсного режиму знаходяться

у межах

де а- коефіцієнт температуропроводности металу.

На практиці використовують тривалість імпульсів від 1 мкс до 0,01 з при частоті повторення від одиниць до 104 Гц. Зазвичай для ЭЛРО застосовують установки з анодною напругою 80-150 кВ при струмі в промені в межах 0,3-20 мА і діаметру світивши 0,5-500 мкм.

Найбільше розповсюдження має ЭЛРО тонких матеріалів, глибина обробки яких не перевищує 0,5-1,0 мм для металів і 2-5 мм для діелектриків. Слід зазначити, що процес обробки діелектриків істотно відрізняється від обробки металів. Однією з причин цього є виникнення на поверхні виробу негативного заряду, що знижує енергію електронів пучка, зухвалого расфокусировку і спотворення форми, а також збільшення діаметру пучка. В результаті на діелектриці розігрівається ділянка багато більший по діаметру, чим в случав опромінювання металу.

Окрім цього низька теплопровідність діелектриків і високі питомі потужності в промені приводять до утворення високих температурних перепадів, які викликають значну залишкову термічну напругу, що приводить до розтріскування виробів. Для усунення розтріскування обробку діелектриків проводять з попереднім або супутнім підігрівом заготовок, а також з подальшим відпалом їх для повного зняття напруги.

Розмірна обробка електронним променем застосовується для отримання отворів фігурної або циліндрової форми малих діаметрів (2-500 мкм), тонких пазів, щілин, прорізів розмірами від декількох десятків мікрометрів в матеріалах малої товщини (плівки, фольга), а також для розрізання матеріалів (напівпровідників, феритів, надчистих матеріалів і ін.), особливо коли до поверхонь реза пред'являються особливі вимоги.

Профіль отвору, отриманого ЭЛРО, представлений на рис.6.1 в. При невеликих глибинах (Н) обробки діаметр отвору ( d ) на 10 % більше діаметру електронного пучка dл, а при H/d >= 100 діаметр променя повинен бути в два - чотири рази менше отвору. В даний час промисловість не випускає установок, здатних забезпечити постійний мінімальний діаметр світивши на великому його відрізку. Тому, як правило, обробка отвору ведеться із зміною фокусної відстані магнітної лінзи у міру поглиблення отвору.

Точність ЭЛРО знаходиться в межах 8-11 квалитета, а шорсткість отримуваної поверхні складає Rz=20-3 мкм і залежить від діаметру пучка, тривалості імпульсів, потужності пучка і теплофизических властивостей оброблюваного матеріалу. Прошиті отвори мають конусность, величина якої залежить від розташування фокусу світивши щодо поверхні заготовки і складає 1-5о. (мал. 6.1в).

У промисловості ЭЛРО застосовується для виготовлення деталей з числом отворів від декількох тисяч до декількох мільйонів, для отримання окремих отворів в кварцових пластинах, для обробки микроминиатюрных електронних схем, резки феритів для «пам'яті» ЕОМ і т.д.

Для виконання вищеперелічених операцій найбільше застосування отримала електронно-променева установка ЭЛУРО, на якій також можна здійснювати розмітку, локальне легування, прецизійне паяння, зварку і інші операції. Таке універсальне застосування вона має завдяки можливості регулювання в широких межах загальної і цілісної потужності. В процесі обробки може бути використаний програмний пристрій для управління переміщеннями деталей і електронного .пуча. Останніми роками створені установки, в яких програмне управління переміщеннями здійснюється від ЕОМ.