Παρόλο που τα υπερταχέα λέιζερ υπάρχουν εδώ και δεκαετίες, οι βιομηχανικές εφαρμογές έχουν αυξηθεί ραγδαία τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Το 2019, η αγοραία αξία των υπερταχέωνυλικό λέιζερΗ επεξεργασία ανήλθε σε περίπου 460 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ, με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 13%. Οι τομείς εφαρμογής όπου τα υπερταχέα λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την επεξεργασία βιομηχανικών υλικών περιλαμβάνουν την κατασκευή και επισκευή φωτομασκών στη βιομηχανία ημιαγωγών, καθώς και την κοπή σε κύβους πυριτίου, την κοπή/χάραξη γυαλιού και την αφαίρεση μεμβράνης ITO (οξείδιο ινδίου-κασσιτέρου) σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, όπως κινητά τηλέφωνα και tablet, την υφή εμβόλων για την αυτοκινητοβιομηχανία, την κατασκευή στεφανιαίων στεντ και την κατασκευή μικρορευστομηχανικών συσκευών για την ιατρική βιομηχανία.
01 Κατασκευή και επισκευή φωτομασκών στη βιομηχανία ημιαγωγών
Τα υπερταχέα λέιζερ χρησιμοποιήθηκαν σε μία από τις πρώτες βιομηχανικές εφαρμογές στην επεξεργασία υλικών. Η IBM ανέφερε την εφαρμογή της αφαίρεσης με λέιζερ femtosecond στην παραγωγή φωτομασκών τη δεκαετία του 1990. Σε σύγκριση με την αφαίρεση με λέιζερ νανοδευτερολέπτων, η οποία μπορεί να προκαλέσει πιτσιλίσματα μετάλλου και ζημιά στο γυαλί, οι μάσκες λέιζερ femtosecond δεν εμφανίζουν πιτσιλίσματα μετάλλου, ζημιά στο γυαλί κ.λπ. Τα πλεονεκτήματα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC). Η παραγωγή ενός τσιπ ολοκληρωμένου κυκλώματος μπορεί να απαιτεί έως και 30 μάσκες και να κοστίζει >$100.000. Η επεξεργασία με λέιζερ femtosecond μπορεί να επεξεργαστεί γραμμές και σημεία κάτω των 150nm.
Σχήμα 1. Κατασκευή και επισκευή φωτομάσκας
Σχήμα 2. Αποτελέσματα βελτιστοποίησης διαφορετικών μοτίβων μάσκας για λιθογραφία ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας
02 Κοπή πυριτίου στη βιομηχανία ημιαγωγών
Η κοπή σε κύβους δισκίων πυριτίου είναι μια τυπική διαδικασία κατασκευής στη βιομηχανία ημιαγωγών και συνήθως εκτελείται με μηχανική κοπή. Αυτοί οι τροχοί κοπής συχνά αναπτύσσουν μικρορωγμές και είναι δύσκολο να κοπούν λεπτές (π.χ. πάχος < 150 μm) δισκία. Η κοπή με λέιζερ δισκίων πυριτίου χρησιμοποιείται στη βιομηχανία ημιαγωγών εδώ και πολλά χρόνια, ειδικά για λεπτές δισκία (100-200μm), και πραγματοποιείται σε πολλαπλά βήματα: αυλάκωση με λέιζερ, ακολουθούμενη από μηχανικό διαχωρισμό ή κρυφή κοπή (δηλαδή, δέσμη λέιζερ υπέρυθρης ακτινοβολίας μέσα στη χάραξη πυριτίου) ακολουθούμενη από μηχανικό διαχωρισμό με ταινία. Το λέιζερ παλμού νανοδευτερολέπτου μπορεί να επεξεργαστεί 15 δισκία ανά ώρα και το λέιζερ πικοδευτερολέπτου μπορεί να επεξεργαστεί 23 δισκία ανά ώρα, με υψηλότερη ποιότητα.
03 Κοπή/χάραξη γυαλιού στη βιομηχανία αναλώσιμων ηλεκτρονικών ειδών
Οι οθόνες αφής και τα προστατευτικά γυαλιά για κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές γίνονται όλο και πιο λεπτές και ορισμένα γεωμετρικά σχήματα είναι καμπυλωμένα. Αυτό καθιστά την παραδοσιακή μηχανική κοπή πιο δύσκολη. Τα τυπικά λέιζερ συνήθως παράγουν κακή ποιότητα κοπής, ειδικά όταν αυτές οι γυάλινες οθόνες στοιβάζονται σε 3-4 στρώσεις και το πάνω προστατευτικό γυαλί πάχους 700 μm έχει υποστεί θερμική επεξεργασία, η οποία μπορεί να σπάσει με εντοπισμένη τάση. Έχει αποδειχθεί ότι τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ είναι σε θέση να κόβουν αυτά τα γυαλιά με καλύτερη αντοχή στις άκρες. Για κοπή μεγάλων επίπεδων οθονών, το femtosecond λέιζερ μπορεί να εστιάσει στην πίσω επιφάνεια του φύλλου γυαλιού, γρατσουνίζοντας το εσωτερικό του γυαλιού χωρίς να καταστρέψει την μπροστινή επιφάνεια. Το γυαλί μπορεί στη συνέχεια να σπάσει χρησιμοποιώντας μηχανικά ή θερμικά μέσα κατά μήκος του χαραγμένου μοτίβου.
Σχήμα 3. Κοπή γυαλιού με λέιζερ εξαιρετικά γρήγορης ταχύτητας σε πικοδευτερόλεπτα, ειδικά διαμορφωμένη
04 Υφές εμβόλων στην αυτοκινητοβιομηχανία
Οι ελαφροί κινητήρες αυτοκινήτων κατασκευάζονται από κράματα αλουμινίου, τα οποία δεν είναι τόσο ανθεκτικά στη φθορά όσο ο χυτοσίδηρος. Μελέτες έχουν δείξει ότι η επεξεργασία με λέιζερ femtosecond των υφών των εμβόλων των αυτοκινήτων μπορεί να μειώσει την τριβή έως και 25%, επειδή τα υπολείμματα και το λάδι μπορούν να αποθηκευτούν αποτελεσματικά.
Σχήμα 4. Επεξεργασία με λέιζερ femtosecond των εμβόλων κινητήρων αυτοκινήτων για τη βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα
05 Κατασκευή στεφανιαίων στεντ στον ιατρικό κλάδο
Εκατομμύρια στεφανιαία stent εμφυτεύονται στις στεφανιαίες αρτηρίες του σώματος για να ανοίξουν ένα κανάλι για τη ροή του αίματος σε αγγεία που διαφορετικά θα είχαν θρομβωθεί, σώζοντας εκατομμύρια ζωές κάθε χρόνο. Τα στεφανιαία stent συνήθως κατασκευάζονται από μεταλλικό συρμάτινο πλέγμα (π.χ. ανοξείδωτο χάλυβα, κράμα νικελίου-τιτανίου με μνήμη σχήματος ή, πιο πρόσφατα, κράμα κοβαλτίου-χρωμίου) με πλάτος δοκού περίπου 100 μm. Σε σύγκριση με την κοπή με λέιζερ μεγάλου παλμού, τα πλεονεκτήματα της χρήσης υπερταχέων λέιζερ για την κοπή στηριγμάτων είναι η υψηλή ποιότητα κοπής, το καλύτερο φινίρισμα επιφάνειας και τα λιγότερα υπολείμματα, γεγονός που μειώνει το κόστος μετεπεξεργασίας.
06 Κατασκευή μικρορευστομηχανικών συσκευών για την ιατρική βιομηχανία
Οι μικρορευστομηχανικές συσκευές χρησιμοποιούνται συνήθως στον ιατρικό κλάδο για τον έλεγχο και τη διάγνωση ασθενειών. Αυτές συνήθως κατασκευάζονται με χύτευση με μικροέγχυση μεμονωμένων μερών και στη συνέχεια συγκόλληση με κόλλα ή συγκόλληση. Η εξαιρετικά γρήγορη κατασκευή μικρορευστομηχανικών συσκευών με λέιζερ έχει το πλεονέκτημα της παραγωγής τρισδιάστατων μικροκαναλιών μέσα σε διαφανή υλικά όπως το γυαλί χωρίς την ανάγκη συνδέσεων. Μια μέθοδος είναι η εξαιρετικά γρήγορη κατασκευή με λέιζερ μέσα σε ένα ογκώδες γυαλί ακολουθούμενη από υγρή χημική χάραξη, και μια άλλη είναι η αφαίρεση με femtosecond laser μέσα σε γυαλί ή πλαστικό σε απεσταγμένο νερό για την αφαίρεση υπολειμμάτων. Μια άλλη προσέγγιση είναι η μηχανική κατασκευή καναλιών στην επιφάνεια του γυαλιού και η σφράγισή τους με ένα γυάλινο κάλυμμα μέσω femtosecond laser συγκόλλησης.
Σχήμα 6. Επιλεκτική χάραξη με λέιζερ σε φεμτοδευτερόλεπτα για την προετοιμασία μικρορευστομηχανικών καναλιών μέσα σε γυάλινα υλικά
07 Μικροδιάτρηση ακροφυσίου εγχυτήρα
Η κατεργασία μικροοπών με λέιζερ femtosecond έχει αντικαταστήσει το micro-EDM σε πολλές εταιρείες στην αγορά εγχυτήρων υψηλής πίεσης λόγω της μεγαλύτερης ευελιξίας στην αλλαγή των προφίλ των οπών ροής και των μικρότερων χρόνων κατεργασίας. Η δυνατότητα αυτόματου ελέγχου της θέσης εστίασης και της κλίσης της δέσμης μέσω μιας κεφαλής σάρωσης που υποβάλλεται σε επεξεργασία έχει οδηγήσει στο σχεδιασμό προφίλ οπών (π.χ., κύλινδρος, φλάρωμα, σύγκλιση, απόκλιση) που μπορούν να προωθήσουν την ψεκασμό ή τη διείσδυση στον θάλαμο καύσης. Ο χρόνος διάτρησης εξαρτάται από τον όγκο αφαίρεσης, με πάχος τρυπανιού 0,2 - 0,5 mm και διάμετρο οπής 0,12 - 0,25 mm, καθιστώντας αυτήν την τεχνική δέκα φορές ταχύτερη από το micro-EDM. Η μικροδιάτρηση εκτελείται σε τρία στάδια, συμπεριλαμβανομένης της χοντροκομμένης κατεργασίας και του φινιρίσματος των οπών μέσω του πιλότου. Το αργόν χρησιμοποιείται ως βοηθητικό αέριο για την προστασία της γεώτρησης από την οξείδωση και για την θωράκιση του τελικού πλάσματος κατά τα αρχικά στάδια.
Σχήμα 7. Επεξεργασία υψηλής ακρίβειας με λέιζερ Femtosecond της ανεστραμμένης κωνικής οπής για εγχυτήρα κινητήρα ντίζελ
08 Εξαιρετικά γρήγορη δημιουργία υφής με λέιζερ
Τα τελευταία χρόνια, προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια της κατεργασίας, να μειωθούν οι ζημιές στα υλικά και να αυξηθεί η αποδοτικότητα της επεξεργασίας, ο τομέας της μικροκατεργασίας έχει σταδιακά γίνει το επίκεντρο των ερευνητών. Το υπερταχύ λέιζερ έχει διάφορα πλεονεκτήματα επεξεργασίας, όπως η χαμηλή ζημιά και η υψηλή ακρίβεια, γεγονός που έχει γίνει το επίκεντρο της προώθησης της ανάπτυξης της τεχνολογίας επεξεργασίας. Ταυτόχρονα, τα υπερταχύ λέιζερ μπορούν να δράσουν σε μια ποικιλία υλικών και η επεξεργασία ζημιών στα υλικά με λέιζερ αποτελεί επίσης μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση. Το υπερταχύ λέιζερ χρησιμοποιείται για την αφαίρεση υλικών. Όταν η ενεργειακή πυκνότητα του λέιζερ είναι υψηλότερη από το όριο αφαίρεσης του υλικού, η επιφάνεια του αφαιρεμένου υλικού θα εμφανίσει μια μικρο-νανοδομή με ορισμένα χαρακτηριστικά. Η έρευνα δείχνει ότι αυτή η ειδική επιφανειακή δομή είναι ένα συνηθισμένο φαινόμενο που συμβαίνει κατά την επεξεργασία υλικών με λέιζερ. Η προετοιμασία επιφανειακών μικρο-νανοδομών μπορεί να βελτιώσει τις ιδιότητες του ίδιου του υλικού και επίσης να επιτρέψει την ανάπτυξη νέων υλικών. Αυτό καθιστά την προετοιμασία επιφανειακών μικρο-νανοδομών με υπερταχύ λέιζερ μια τεχνική μέθοδο με σημαντική αναπτυξιακή σημασία. Επί του παρόντος, για μεταλλικά υλικά, η έρευνα για την εξαιρετικά γρήγορη δημιουργία υφής επιφάνειας με λέιζερ μπορεί να βελτιώσει τις ιδιότητες διαβροχής της μεταλλικής επιφάνειας, να βελτιώσει τις ιδιότητες τριβής και φθοράς της επιφάνειας, να ενισχύσει την πρόσφυση της επικάλυψης και τον κατευθυντικό πολλαπλασιασμό και προσκόλληση των κυττάρων.
Σχήμα 8. Υπερυδρόφοβες ιδιότητες επιφάνειας πυριτίου που έχει παρασκευαστεί με λέιζερ
Ως τεχνολογία επεξεργασίας αιχμής, η υπερταχεία επεξεργασία με λέιζερ έχει τα χαρακτηριστικά της μικρής θερμικά επηρεαζόμενης ζώνης, της μη γραμμικής διαδικασίας αλληλεπίδρασης με υλικά και της επεξεργασίας υψηλής ανάλυσης πέρα από το όριο περίθλασης. Μπορεί να πραγματοποιήσει μικρο-νανοεπεξεργασία υψηλής ποιότητας και υψηλής ακρίβειας διαφόρων υλικών, καθώς και τρισδιάστατη κατασκευή μικρο-νανοδομών. Η επίτευξη κατασκευής με λέιζερ ειδικών υλικών, σύνθετων δομών και ειδικών συσκευών ανοίγει νέους δρόμους για την μικρο-νανοκατασκευή. Προς το παρόν, το femtosecond laser έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πολλά επιστημονικά πεδία αιχμής: το femtosecond laser μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προετοιμασία διαφόρων οπτικών συσκευών, όπως συστοιχίες μικροφακών, βιονικά σύνθετα μάτια, οπτικούς κυματοδηγούς και μεταεπιφάνειες. Χρησιμοποιώντας την υψηλή ακρίβεια, την υψηλή ανάλυση και τις δυνατότητες τρισδιάστατης επεξεργασίας, το femtosecond laser μπορεί να προετοιμάσει ή να ενσωματώσει μικρορευστικά και οπτορευστικά τσιπ όπως εξαρτήματα μικροθερμαντήρα και τρισδιάστατα μικρορευστικά κανάλια. Επιπλέον, το femtosecond laser μπορεί επίσης να προετοιμάσει διαφορετικούς τύπους επιφανειακών μικρονανοδομών για να επιτύχει αντιανακλαστικές, αντιανακλαστικές, υπερυδρόφοβες, αντιπαγωτικές και άλλες λειτουργίες. Όχι μόνο αυτό, το femtosecond laser έχει εφαρμοστεί και στον τομέα της βιοϊατρικής, επιδεικνύοντας εξαιρετική απόδοση σε τομείς όπως τα βιολογικά μικρο-στεντ, τα υποστρώματα κυτταροκαλλιέργειας και η βιολογική μικροσκοπική απεικόνιση. Ευρείες προοπτικές εφαρμογής. Προς το παρόν, τα πεδία εφαρμογής της επεξεργασίας femtosecond laser επεκτείνονται χρόνο με το χρόνο. Εκτός από τις προαναφερθείσες μικροοπτικές, μικρορευστομηχανικές, πολυλειτουργικές μικρονανοδομές και εφαρμογές βιοϊατρικής μηχανικής, παίζει επίσης τεράστιο ρόλο σε ορισμένους αναδυόμενους τομείς, όπως η προετοιμασία μεταεπιφανειών, η μικρο-νανοκατασκευή και η αποθήκευση πολυδιάστατων οπτικών πληροφοριών κ.λπ.
Ώρα δημοσίευσης: 17 Απριλίου 2024
