1.Cyflwyniad
Ers i'r laser cyntaf ddod allan yn 1960, mae'r ymchwil i laser a'i gymhwyso mewn amrywiol feysydd wedi datblygu'n gyflym. Defnyddiwyd ei gydlyniant uchel yn helaeth ym meysydd mesur manwl uchel, dadansoddi strwythur deunydd, storio gwybodaeth a chyfathrebu. Gellir defnyddio cyfarwyddo a disgleirdeb uchel y laser yn helaeth yn y diwydiant gweithgynhyrchu. Gydag arloesi parhaus ac optimeiddio dyfeisiau laser, ffynonellau ymbelydredd ysgogol newydd, a phrosesau cyfatebol, yn enwedig yn y blynyddoedd 20 diwethaf, mae technoleg gweithgynhyrchu laser wedi treiddio i lawer o feysydd a diwydiannau uwch-dechnoleg a dechrau disodli neu drawsnewid rhai. diwydiannau prosesu traddodiadol.
Yn 1987, cyflwynodd gwyddonwyr Americanaidd gynllun datblygu'r system ficro-fecanyddol electro (MEMS), sy'n nodi cyfnod newydd o ymchwil ddynol ar ficro-beiriannau. Ar hyn o bryd, mae'r technolegau gweithgynhyrchu a ddefnyddir mewn micromachining yn bennaf yn cynnwys technoleg prosesu lled-ddargludyddion, technoleg electrofformio microlithograffeg (Liga), technoleg peiriannu uwch-gywirdeb, a thechnoleg micromachining arbennig. Yn eu plith, y dull micromachining arbennig yw trwy effaith uniongyrchol prosesu egni, er mwyn cael gwared â moleciwlau neu atomau fesul un. Mae peiriannu arbennig yn cael ei wneud ar ffurf egni trydan, ynni gwres, egni ysgafn, egni sain, egni cemegol, ac ati. Y dulliau a ddefnyddir yn gyffredin yw EDM, peiriannu ultrasonic, peiriannu trawst electron, peiriannu trawst ïon, peiriannu electrocemegol, ac ati. y blynyddoedd diwethaf, datblygwyd dull newydd o ficroreoli: Ffotofformio, gan gynnwys stereolithograffeg, ffotomask, ac ati. Mae gan ficroreoli laser botensial mawr wrth gymhwyso a datblygu.
2.Prif gymhwysiad technoleg micromachining laser
Gyda datblygiad cynhyrchion electronig tuag at gludadwy a miniaturization, mae gwella gwybodaeth cyfaint uned (dwysedd uchel) a chyflymder prosesu amser uned (cyflymder uchel) wedi cyflwyno gofynion newydd ar gyfer technoleg pecynnu microelectroneg. Er enghraifft, mae gan ffonau symudol modern a chamerâu digidol oddeutu 1200 rhyng-gysylltiadau fesul centimetr sgwâr. Yr allwedd i wella lefel y pecynnu sglodion yw cadw bodolaeth micro vias rhwng llinellau gwahanol haenau, sydd nid yn unig yn darparu'r cysylltiad cyflym rhwng y dyfeisiau wedi'u gosod ar yr wyneb a'r panel signal isod ond hefyd yn lleihau'r ardal becynnu yn effeithiol. .
Ar y llaw arall, gyda datblygiad cynhyrchion electronig cludadwy fel ffonau symudol, camerâu digidol a gliniaduron i olau, tenau, byr a bach yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae byrddau cylched printiedig (PCBs) yn dangos nodweddion haenu ac aml-swyddogaethol yn raddol gyda technoleg rhyng-gysylltiad dwysedd uchel fel y prif gorff. Er mwyn sicrhau'r cysylltiad trydanol rhwng haenau a gosod dyfeisiau allanol yn effeithiol, mae via wedi dod yn rhan bwysig o PCB aml-haen. Ar hyn o bryd, mae cost drilio fel arfer yn cyfrif am 30% - 40% o gost gweithgynhyrchu PCB. Mewn dyluniad PCB cyflym, dwysedd uchel, mae dylunwyr bob amser yn gobeithio mai'r lleiaf yw'r via, y gorau, fel bod nid yn unig mwy o le gwifrau ar y bwrdd. A pho leiaf yw'r via, y mwyaf addas ar gyfer cylched cyflym. Dim ond 100 μ m yw maint lleiaf y drilio mecanyddol traddodiadol, sy'n amlwg na all fodloni'r gofynion. Yn lle, mabwysiadir dull prosesu trwy-dwll laser laser newydd. Ar hyn o bryd, mae'n bosibl cael twll bach gyda diamedr o 30 - 40 μ m neu dwll bach gyda diamedr o tua 10 μ m trwy ddefnyddio laser CO 2 yn y diwydiant.
Gellir defnyddio technoleg micromachining laser i dorri, drilio, cerfio, ysgrifennydd, treiddiad gwres, weldio ac ati mewn gweithgynhyrchu offer, ceir, gweithgynhyrchu manwl gywirdeb hedfan ac amrywiol ddiwydiannau micro-brosesu, megis prosesu rhan jet-inc y argraffydd jet-inc gyda maint mwy na 20 micron. Gan ddefnyddio technoleg trin wyneb laser, fel micro-wasgu, sgleinio ac ati, i brosesu amrywiaeth o elfennau micro-optegol, neu trwy wydr mandyllog llenwi laser, amorffization gwydr-cerameg i newid y strwythur, felly, trwy addasu'r grym mecanyddol allanol. , ac yna yn y cam meddalu, mae elfennau micro-optegol yn cael eu prosesu trwy ffurfio micro â chymorth plasma.
Technoleg micromachining laser cyffredin
Mae gan dechnoleg micromachining laser lawer o fanteision, megis digyswllt, peiriannu dethol, ardal fach yr effeithir arni â gwres, cywirdeb uchel a chyfradd ailadrodd, hyblygrwydd peiriannu uchel o ran maint a siâp. Mewn gwirionedd, nodwedd fwyaf technoleg micromachining laser yw" ysgrifennu uniongyrchol", sy'n symleiddio'r broses ac yn gwireddu prototeipio cyflym micromachinau. Yn ogystal, nid oes gan y dull hwn unrhyw broblemau llygredd amgylcheddol fel cyrydiad, felly gellir ei alw'n" gweithgynhyrchu gwyrdd". Defnyddir dau fath o dechnolegau microreoli laser mewn micromachining:
1) Technoleg micromachining tynnu deunydd, fel micromachining ysgrifennu uniongyrchol laser, laser Liga, ac ati;
2) Technoleg micromachining pentyrru deunydd, fel stereolithograffeg micro laser, dyddodiad â chymorth laser, sintro dethol laser, ac ati.
Technolegau microreoli laser eraill
Mae ysgythriad laser pwls yn faes ymchwil newydd o dechnoleg laser. Mae'n defnyddio laser tonfedd fer amledd-dwbl neu picosecond, laser femtosecond wedi'i gyfuno ag offeryn peiriant CNC manwl uchel i ysgythru a phrosesu deunyddiau amrywiol. Mae ansawdd y microstrwythur a ffurfir ar wyneb y deunyddiau hyn yn llawer uwch pan fydd y deunyddiau wedi'u hysgythru â phwls byr ac yna'n cael eu tynnu. Yn 2001, defnyddiodd offerynnau Heidelberg yn yr Almaen amledd triphlyg (tonfedd {{3}}. 7 nm) i gael man ffocws gydag isafswm o 5 mm, a lleiafswm maint nodwedd Machinable o 10 mm, a chywirdeb o 1 mm. Mae Ffigur 5 yn dangos siâp tri dimensiwn laser pwls wedi'i ysgythru ar WC / Co. Diamedr y man ffocal laser yw 5 mm, a'r cyfeiriad bwydo i mewn X ac Y yw {{5 }} mm. {{1 3}}. Mae 3 mm yn cael ei dynnu ar gyfer pob haen, a'r garwedd arwyneb ar gyfartaledd yw 0. 16 mm. Mae torri micro laser yr un peth ag ysgythriad laser mewn egwyddor. Mae hefyd yn defnyddio laser wedi'i ddyblu amledd neu laser femtosecond fel y ffynhonnell golau i ganolbwyntio'r trawst yn fanwl gywir a rheoli mewnbwn egni yn gywir. Mae'r effaith thermol yn fach ac mae torri tynnu micro yn cael ei wneud.
3.Datblygiad diweddaraf laser pwls ultrashort mewn technoleg micromachining
Mae laser CO 2 a laser YAG yn laser pwls parhaus a hir. Maent yn canolbwyntio'n bennaf ar ffurfio dwysedd ynni uchel, a all gynhyrchu tymereddau uchel yn yr ardal leol i abladu deunyddiau. Maent yn y bôn ym maes prosesu thermol, gyda chywirdeb prosesu cyfyngedig. Mae'r laser excimer yn dibynnu ar ei donfedd fer (UV) i ryngweithio â'r ffotogemeg ddeunydd, a gall ei raddfa nodweddiadol gyrraedd trefn micromedr. Fodd bynnag, mae'r nwy sydd ei angen ar y laser excimer yn gyrydol ac yn anodd ei reoli. Ar ben hynny, mae'r laser UV cryfder uchel yn hawdd niweidio elfennau optegol y system brosesu, felly mae ei gymhwysiad yn gyfyngedig. Gyda'r astudiaeth bellach o'r maes laser, mae lled parth amser y pwls laser wedi'i gywasgu fwy a mwy byr, o nanosecond (10-9s) i picosecond (10-12s) i femtosecond (10-l 5 s).
Mae gan y laser pwls femtosecond y ddwy nodwedd ganlynol: (1) mae hyd y pwls yn fyr. Gall hyd y pwls femtosecond fod mor fyr ag ychydig o femtoseconds, ac mae golau yn lluosogi 0. {{2}} μ m yn 1 FS, sy'n fyrrach na diamedr y mwyafrif o gelloedd; (2) mae'r pŵer brig yn uchel iawn. Mae'r laser Femtosecond yn crynhoi egni'r pwls mewn ychydig i gannoedd o femtosecondau, felly mae ei bŵer brig yn uchel iawn. Er enghraifft, os yw egni L μ J wedi'i grynhoi mewn ychydig o femtosecondau ac yn cydgyfeirio i fan o 1 0 μ m, gall ei ddwysedd pŵer optegol gyrraedd 1 0 1 8w / cm 2, a gellir trosi ei ddwyster maes trydan yn 2 × 1 0 1 2 v / m, sef 4 gwaith o gryfder maes Coulomb (5 × 1 0 1 1 v / M) yn yr atom hydrogen, mae'n bosibl gwahanu'r electron o'r atom yn uniongyrchol.
O fecanwaith rhyngweithio deunyddiau laser a thryloyw, mae lled y pwls o laser parhaus i ddegau o bicosecondau, a'r mecanwaith difrod yw proses ionization eirlithriad, sy'n dibynnu ar ddwysedd cychwynnol yr electron, tra bod dwysedd cychwynnol yr electronau mewn deunyddiau yn newid yn fawr oherwydd dosbarthiad anwastad amhureddau. Felly, mae'r trothwy difrod yn newid yn fawr. Diffinnir trothwy difrod laser pwls hir fel dwysedd llif egni laser gyda thebygolrwydd difrod o 50%, hynny yw, mae trothwy difrod laser pwls hir yn werth ystadegol. Mae cryfder maes y laser pwls ultrashort yn uchel iawn. Gall yr electron wedi'i rwymo amsugno n ffotonau ar yr un pryd a phontio'n uniongyrchol o'r lefel wedi'i rwymo i'r lefel rydd. Er bod y difrod a achosir gan laser pwls ultrashort hefyd yn broses ïoneiddio eirlithriad, cynhyrchir ei electronau trwy broses ïoneiddio aml-ffoton ac nid ydynt bellach yn dibynnu ar ddwysedd electron cychwynnol y deunydd. Felly, mae'r trothwy difrod yn werth cywir. Mae trothwy difrod y laser pwls yn lleihau gyda gostyngiad yn lled y pwls. Ar y lefel picosecond, mae'r gyfradd ostwng yn arafu, ac ar y lefel femtosecond, mae bron yn ddigyfnewid.
Yn ogystal, oherwydd bod trothwy difrod laser pwls ultrashort yn gywir iawn, rheolir egni'r laser i fod yn union yr un fath â'r trothwy difrod neu ychydig yn uwch, yna dim ond y rhan sy'n uwch na'r trothwy difrod sy'n cynhyrchu abladiad, a'r prosesu submicron isod. gellir cyflawni'r terfyn diffreithiant. Gall y laser femtosecond gynhyrchu dwyster golau uwch-uchel, cael trothwy difrod cywir ac isel, cael arwynebedd gwres bach iawn, a gall brosesu bron pob math o ddeunyddiau yn union. Ar ben hynny, mae'r manwl gywirdeb prosesu yn uchel iawn a gall brosesu maint submicron yn union.
Mae gan ficroreoli laser fanteision effeithlonrwydd cynhyrchu uchel, cost prosesu isel, ansawdd prosesu sefydlog a dibynadwy, buddion economaidd a chymdeithasol da. Mae'r laser femtosecond yn torri'r dull prosesu laser traddodiadol gyda'i fanteision unigryw o hyd pwls byr, pŵer brig uchel, ac yn creu maes newydd o ddeunyddiau uwch-ddirwy, difrod nad yw'n thermol, a phrosesu a phrosesu gofod 3 D. . Mae cymhwyso technoleg prosesu laser femtosecond yn cynnwys microelectroneg, dyfeisiau crisial ffotonig, dyfeisiau cyfathrebu ffibr optegol sydd â chyflymder trosglwyddo gwybodaeth uchel (1 tbit / s), micromachining, cof optegol tri dimensiwn newydd, gweithgynhyrchu dyfeisiau meddygol micro a bio-beirianneg celloedd. technoleg ac ati. Gellir rhagweld y bydd technoleg microreoli laser yn dod yn uwch-dechnoleg yn yr 2il ganrif 1 gyda'i fanteision anadferadwy.
Conclusion
Yn oes y diwydiannu, mae pob gwlad yn y byd yn falch o gynhyrchu peiriannau ar raddfa fawr; yn oes technoleg gwybodaeth, mae pob gwlad ddiwydiannol ddatblygedig wedi ymrwymo i ymchwilio i ficro-ddeunyddiau a gweithgynhyrchu peiriannau cynyddol fach; tra yn oes nanotechnoleg, er mwyn addasu i ddatblygiad amddiffyn cenedlaethol, awyrofod, meddygaeth a Biobeirianneg, micro-brosesu yw'r cyfeiriad ymchwil mwyaf gweithredol yn y diwydiant gweithgynhyrchu heddiw Un yw bod lefel datblygu technoleg micromecanyddol wedi dod yn un o y safonau i fesur cryfder cynhwysfawr gwlad. Mae technoleg micromachining laser yn dangos mwy a mwy o fanteision unigryw mewn technoleg micromachining ac mae ganddo ragolygon datblygu eang. Rhaid i Tsieina ddatblygu technoleg microreoli laser gyda hawliau eiddo deallusol annibynnol, er mwyn meddiannu lle ym maes uwch-dechnoleg y dyfodol.