Незважаючи на те, що надшвидкісні лазери існують десятиліттями, за останні два десятиліття їх промислове застосування швидко зросло.У 2019 році ринкова вартість надшвидкоїлазерний матеріалпереробка склала приблизно 460 мільйонів доларів США із загальним річним темпом зростання 13%.Сфери застосування, де надшвидкісні лазери успішно використовуються для обробки промислових матеріалів, включають виготовлення та ремонт фотошаблонів у напівпровідниковій промисловості, а також нарізання кремнію кубиками, різання/скрайбування скла та видалення плівки (оксиду олова індію) у побутовій електроніці, такій як мобільні телефони та планшети. , поршневе текстурування для автомобільної промисловості, виготовлення коронарних стентів і мікрофлюїдних пристроїв для медичної промисловості.
01 Виготовлення та ремонт фотошаблонів у напівпровідниковій промисловості
Надшвидкісні лазери використовувалися в одному з найперших промислових застосувань у обробці матеріалів.IBM повідомила про застосування фемтосекундної лазерної абляції у виробництві фотошаблонів у 1990-х роках.У порівнянні з наносекундною лазерною абляцією, яка може спричиняти бризки металу та пошкодження скла, фемтосекундні лазерні маски не показують бризок металу, пошкодження скла тощо. Переваги.Цей метод використовується для виробництва інтегральних схем (ІС).Виробництво мікросхеми може потребувати до 30 масок і коштувати >100 000 доларів США.Фемтосекундна лазерна обробка може обробляти лінії та точки нижче 150 нм.
Малюнок 1. Виготовлення та ремонт фотошаблону
Рисунок 2. Результати оптимізації різних візерунків масок для екстремальної ультрафіолетової літографії
02 Різання кремнію в напівпровідниковій промисловості
Нарізка кремнієвих пластин є стандартним виробничим процесом у напівпровідниковій промисловості та зазвичай виконується за допомогою механічного нарізання.Ці ріжучі диски часто утворюють мікротріщини, і їх важко розрізати на тонких (наприклад, товщиною < 150 мкм) пластинах.Лазерне різання кремнієвих пластин використовується в напівпровідниковій промисловості протягом багатьох років, особливо для тонких пластин (100-200 мкм), і виконується в кілька етапів: лазерне різання з подальшим механічним відокремленням або приховане різання (тобто інфрачервоний лазерний промінь всередині кремнієве скрайбування) з наступним механічним відділенням стрічки.Наносекундний імпульсний лазер може обробляти 15 пластин на годину, а пікосекундний лазер може обробляти 23 пластини на годину з більш високою якістю.
03 Різання/скрайбування скла в промисловості витратної електроніки
Сенсорні екрани та захисні скла для мобільних телефонів і ноутбуків стають тоншими, а деякі геометричні фігури викривлені.Це ускладнює традиційне механічне різання.Звичайні лазери зазвичай дають низьку якість різання, особливо коли ці скляні дисплеї складаються в 3-4 шари, а верхнє захисне скло товщиною 700 мкм загартоване, яке може зламатися від локальної напруги.Доведено, що надшвидкісні лазери можуть різати ці скла з кращою міцністю.Для різання великих плоских панелей фемтосекундний лазер можна сфокусувати на задній поверхні скляного листа, подряпавши внутрішню частину скла, не пошкоджуючи передню поверхню.Потім скло можна розбити за допомогою механічних або термічних засобів уздовж візерунка.
Малюнок 3. Пікосекундне надшвидке лазерне різання скла спеціальної форми
04 Поршневі текстури в автомобільній промисловості
Легкі автомобільні двигуни виготовляють з алюмінієвих сплавів, які не так зносостійкі, як чавун.Дослідження показали, що фемтосекундна лазерна обробка текстур поршня автомобіля може зменшити тертя до 25%, оскільки сміття та масло можна ефективно зберігати.
Рисунок 4. Фемтосекундна лазерна обробка поршнів автомобільних двигунів для покращення продуктивності двигуна
05 Виготовлення коронарних стентів у медичній промисловості
Мільйони коронарних стентів імплантують у коронарні артерії тіла, щоб відкрити канал для надходження крові до судин, які інакше згортаються, щороку рятуючи мільйони життів.Коронарні стенти, як правило, виготовляють із металевої (наприклад, нержавіючої сталі, нікель-титанового сплаву з пам’яттю форми або, останнім часом, кобальт-хромового сплаву) дротяної сітки з шириною розпірки приблизно 100 мкм.У порівнянні з довгоімпульсним лазерним різанням переваги використання надшвидких лазерів для вирізання брекетів полягають у високій якості різання, кращій обробці поверхні та меншій кількості сміття, що зменшує витрати на подальшу обробку.
06 Виробництво мікрофлюїдних пристроїв для медичної промисловості
Мікрофлюїдні пристрої зазвичай використовуються в медичній промисловості для тестування та діагностики захворювань.Зазвичай вони виготовляються шляхом мікролиття під тиском окремих частин, а потім склеювання за допомогою склеювання або зварювання.Надшвидке лазерне виготовлення мікрофлюїдних пристроїв має перевагу створення 3D-мікроканалів у прозорих матеріалах, таких як скло, без необхідності з’єднань.Одним із методів є надшвидке лазерне виготовлення всередині об’ємного скла з подальшим вологим хімічним травленням, а іншим є фемтосекундна лазерна абляція всередині скла чи пластику в дистильованій воді для видалення сміття.Інший підхід полягає в тому, щоб обробити канали в скляній поверхні та закрити їх скляною кришкою за допомогою фемтосекундного лазерного зварювання.
Малюнок 6. Фемтосекундне лазерне селективне травлення для підготовки мікрофлюїдних каналів у скляних матеріалах
07 Мікросвердління форсунки інжектора
Фемтосекундна лазерна обробка мікроотворів замінила мікро-EDM у багатьох компаніях на ринку інжекторів високого тиску завдяки більшій гнучкості у зміні профілів проточного отвору та меншому часу обробки.Здатність автоматично контролювати положення фокуса та нахил променя за допомогою скануючої голівки попереднього прецесування призвела до розробки профілів апертури (наприклад, бочка, відблиск, конвергенція, розбіжність), які можуть сприяти атомізації або проникненню в камеру згоряння.Час свердління залежить від об’єму абляції, товщина свердла становить 0,2–0,5 мм, а діаметр отвору – 0,12–0,25 мм, що робить цю техніку в десять разів швидшою, ніж мікро-EDM.Мікросвердління виконується в три етапи, включаючи чорнову обробку та чистову обробку наскрізних пілотних отворів.Аргон використовується як допоміжний газ для захисту свердловини від окислення та для захисту кінцевої плазми на початкових стадіях.
Малюнок 7. Високоточна фемтосекундна лазерна обробка перевернутого конічного отвору для інжектора дизельного двигуна
08 Надшвидке лазерне текстурування
Останніми роками, щоб підвищити точність обробки, зменшити матеріальні збитки та підвищити ефективність обробки, сфера мікромеханічної обробки поступово стала центром уваги дослідників.Надшвидкий лазер має різноманітні переваги обробки, такі як низькі пошкодження та висока точність, що стало центром сприяння розвитку технології обробки.У той же час надшвидкісні лазери можуть діяти на різноманітні матеріали, і лазерна обробка пошкоджень матеріалу також є основним напрямком досліджень.Надшвидкий лазер використовується для абляції матеріалів.Коли щільність енергії лазера вища за поріг абляції матеріалу, поверхня абляційного матеріалу демонструватиме мікронаноструктуру з певними характеристиками.Дослідження показують, що ця особлива поверхнева структура є звичайним явищем, яке виникає під час лазерної обробки матеріалів.Підготовка поверхневих мікронаноструктур може покращити властивості самого матеріалу, а також уможливити розробку нових матеріалів.Це робить підготовку поверхневих мікронаноструктур за допомогою надшвидкого лазера технічним методом, який має важливе значення для розвитку.На даний момент для металевих матеріалів дослідження надшвидкого лазерного текстурування поверхні можуть покращити властивості змочування поверхні металу, покращити поверхневе тертя та властивості зношування, посилити адгезію покриття, а також спрямовану проліферацію та адгезію клітин.
Малюнок 8. Супергідрофобні властивості поверхні кремнію, підготовленої лазером
Як передова технологія обробки, надшвидка лазерна обробка має характеристики невеликої зони термічного впливу, нелінійного процесу взаємодії з матеріалами та обробки з високою роздільною здатністю за межею дифракції.Він може реалізувати високоякісну та високоточну мікро-нанообробку різних матеріалів.і виготовлення тривимірних мікронано структур.Досягнення лазерного виробництва спеціальних матеріалів, складних структур і спеціальних пристроїв відкриває нові можливості для виробництва мікронано.В даний час фемтосекундний лазер широко використовується в багатьох передових наукових галузях: фемтосекундний лазер можна використовувати для виготовлення різних оптичних пристроїв, таких як масиви мікролінз, біонічні складні очі, оптичні хвилеводи та метаповерхні;використовуючи високу точність, високу роздільну здатність і можливості тривимірної обробки, фемтосекундний лазер може підготувати або інтегрувати мікрофлюїдні та оптофлюїдні мікросхеми, такі як компоненти мікронагрівача та тривимірні мікрофлюїдні канали;крім того, фемтосекундний лазер також може готувати різні типи поверхневих мікронаноструктур для досягнення антивідблиску, антивідбиття, супергідрофобності, антиожеледності та інших функцій;не тільки це, фемтосекундний лазер також був застосований у галузі біомедицини, демонструючи видатну ефективність у таких сферах, як біологічні мікростенти, субстрати клітинних культур і біологічні мікроскопічні зображення.Широкі перспективи застосування.В даний час області застосування фемтосекундної лазерної обробки з кожним роком розширюються.На додаток до згаданої вище мікрооптики, мікрофлюїдики, багатофункціональних мікронаноструктур і застосувань біомедичної інженерії, він також відіграє величезну роль у деяких нових галузях, таких як підготовка метаповерхні., виробництво мікро-нано та зберігання багатовимірної оптичної інформації тощо.
Час публікації: 17 квітня 2024 р
