Selv om ultraraske lasere har eksistert i flere tiår, har industrielle applikasjoner vokst raskt de siste to tiårene. I 2019, markedsverdien av ultrarasklasermaterialebehandlingen var omtrent 460 millioner dollar, med en sammensatt årlig vekstrate på 13 %. Bruksområder hvor ultraraske lasere har blitt brukt med suksess til å behandle industrielle materialer inkluderer fremstilling og reparasjon av fotomasker i halvlederindustrien, så vel som silisiumskjæring, glassskjæring/-skjæring og (indiumtinnoksid) ITO-filmfjerning i forbrukerelektronikk som mobiltelefoner og nettbrett. , stempelteksturering for bilindustrien, produksjon av koronar stent og produksjon av mikrofluidenheter for medisinsk industri.
01 Produksjon og reparasjon av fotomasker i halvlederindustrien
Ultraraske lasere ble brukt i en av de tidligste industrielle bruksområdene innen materialbehandling. IBM rapporterte bruken av femtosekund laserablasjon i fotomaskeproduksjon på 1990-tallet. Sammenlignet med nanosekund laserablasjon, som kan gi metallsprut og glassskader, viser femtosekundlasermasker ingen metallsprut, ingen glassskade osv. Fordelene. Denne metoden brukes til å produsere integrerte kretser (IC). Å produsere en IC-brikke kan kreve opptil 30 masker og koste >$100 000. Femtosekund laserbehandling kan behandle linjer og punkter under 150nm.
Figur 1. Fremstilling og reparasjon av fotomasker
Figur 2. Optimaliseringsresultater av forskjellige maskemønstre for ekstrem ultrafiolett litografi
02 Silisiumskjæring i halvlederindustrien
Terninger av silisiumwafer er en standard produksjonsprosess i halvlederindustrien og utføres vanligvis ved hjelp av mekanisk terninger. Disse skjæreskivene utvikler ofte mikrosprekker og er vanskelige å kutte tynne (f.eks. tykkelse < 150 μm) skiver. Laserskjæring av silisiumskiver har blitt brukt i halvlederindustrien i mange år, spesielt for tynne skiver (100-200μm), og utføres i flere trinn: laserrilling, etterfulgt av mekanisk separering eller stealth cutting (dvs. infrarød laserstråle inni. silisiumskriftet) etterfulgt av mekanisk tapeseparasjon. Nanosekund-pulslaseren kan behandle 15 wafere per time, og pikosekundlaseren kan behandle 23 wafere per time, med høyere kvalitet.
03 Glassskjæring/-skjæring i forbrukselektronikkindustrien
Berøringsskjermer og beskyttelsesbriller for mobiltelefoner og bærbare datamaskiner blir tynnere og noen geometriske former er buede. Dette gjør tradisjonell mekanisk skjæring vanskeligere. Typiske lasere produserer vanligvis dårlig kuttekvalitet, spesielt når disse glassskjermene er stablet 3-4 lag og det øverste 700 μm tykke beskyttelsesglasset er herdet, noe som kan bryte med lokal belastning. Ultraraske lasere har vist seg å kunne kutte disse brillene med bedre kantstyrke. For store flatpanelskjæringer kan femtosekundlaseren fokuseres på baksiden av glassplaten, og skraper innsiden av glasset uten å skade frontflaten. Glasset kan deretter knuses ved hjelp av mekaniske eller termiske midler langs det skårede mønsteret.
Figur 3. Picosecond ultrarask laserglass spesialformet skjæring
04 Stempelteksturer i bilindustrien
Lette bilmotorer er laget av aluminiumslegeringer, som ikke er like slitesterke som støpejern. Studier har funnet at femtosekund laserbehandling av bilstempelteksturer kan redusere friksjonen med opptil 25 % fordi rusk og olje kan lagres effektivt.
Figur 4. Femtosekund laserbehandling av bilmotorstempler for å forbedre motorytelsen
05 Produksjon av koronar stent i medisinsk industri
Millioner av koronarstenter blir implantert i kroppens kranspulsårer for å åpne en kanal for blod til å strømme inn i ellers koagulerte kar, og redde millioner av liv hvert år. Koronarstenter er vanligvis laget av metalltråd (f.eks. rustfritt stål, nikkel-titan-formminnelegering eller nyere kobolt-kromlegering) med en stagbredde på omtrent 100 μm. Sammenlignet med laserskjæring med lang puls, er fordelene ved å bruke ultraraske lasere for å kutte braketter høy kuttkvalitet, bedre overflatefinish og mindre rusk, noe som reduserer etterbehandlingskostnadene.
06 Produksjon av mikrofluidenheter for medisinsk industri
Mikrofluidiske enheter brukes ofte i medisinsk industri for sykdomstesting og diagnose. Disse produseres vanligvis ved mikrosprøytestøping av individuelle deler og deretter liming ved hjelp av liming eller sveising. Ultrarask laserproduksjon av mikrofluidiske enheter har fordelen av å produsere 3D-mikrokanaler i transparente materialer som glass uten behov for tilkoblinger. En metode er ultrarask laserfabrikasjon inne i et bulkglass etterfulgt av våtkjemisk etsing, og en annen er femtosekund laserablasjon inne i glass eller plast i destillert vann for å fjerne rusk. En annen tilnærming er å maskinere kanaler inn i glassoverflaten og forsegle dem med et glassdeksel via femtosekund lasersveising.
Figur 6. Femtosekund laserindusert selektiv etsing for å forberede mikrofluidkanaler inne i glassmaterialer
07 Mikroboring av injektordyse
Femtosekund lasermikrohullsmaskinering har erstattet mikro-EDM hos mange selskaper i høytrykksinjektormarkedet på grunn av større fleksibilitet i endring av strømningshullprofiler og kortere maskineringstider. Evnen til å automatisk kontrollere fokusposisjonen og tilt av strålen gjennom et forutgående skannehode har ført til utformingen av blenderåpningsprofiler (f.eks. fat, flare, konvergens, divergens) som kan fremme forstøvning eller penetrering i forbrenningskammeret. Boretiden avhenger av ablasjonsvolumet, med bortykkelse på 0,2 – 0,5 mm og hulldiameter på 0,12 – 0,25 mm, noe som gjør denne teknikken ti ganger raskere enn mikro-EDM. Mikroboring utføres i tre trinn, inkludert groving og etterbehandling av gjennomgående pilothull. Argon brukes som en hjelpegass for å beskytte borehullet mot oksidasjon og for å skjerme det endelige plasmaet i de innledende stadiene.
Figur 7. Femtosekund laser høypresisjonsbehandling av omvendt konisk hull for dieselmotorinjektor
08 Ultrarask laserteksturering
I de siste årene, for å forbedre maskineringsnøyaktigheten, redusere materielle skader og øke prosesseringseffektiviteten, har feltet mikromaskin gradvis blitt et fokus for forskere. Ultrarask laser har ulike behandlingsfordeler som lav skade og høy presisjon, som har blitt fokus for å fremme utviklingen av prosesseringsteknologi. Samtidig kan ultraraske lasere virke på en rekke materialer, og laserbehandling av materialskader er også en viktig forskningsretning. Ultrarask laser brukes til å fjerne materialer. Når energitettheten til laseren er høyere enn ablasjonsterskelen til materialet, vil overflaten til det ablerte materialet vise en mikronanostruktur med visse egenskaper. Forskning viser at denne spesielle overflatestrukturen er et vanlig fenomen som oppstår ved laserbehandling av materialer. Utarbeidelse av overflatemikro-nanostrukturer kan forbedre egenskapene til selve materialet og også muliggjøre utvikling av nye materialer. Dette gjør klargjøring av overflatemikro-nanostrukturer med ultrarask laser til en teknisk metode med viktig utviklingsbetydning. For tiden, for metallmaterialer, kan forskning på ultrarask laseroverflateteksturering forbedre metalloverflatefuktingsegenskaper, forbedre overflatefriksjon og slitasjeegenskaper, forbedre beleggvedheft og retningsbestemt spredning og adhesjon av celler.
Figur 8. Superhydrofobe egenskaper til laserpreparert silisiumoverflate
Som en banebrytende prosesseringsteknologi har ultrarask laserbehandling egenskapene til liten varmepåvirket sone, ikke-lineær prosess for interaksjon med materialer og høyoppløselig prosessering utover diffraksjonsgrensen. Den kan realisere mikro-nano-behandling av høy kvalitet og høy presisjon av ulike materialer. og tredimensjonal mikro-nano struktur fabrikasjon. Å oppnå laserproduksjon av spesielle materialer, komplekse strukturer og spesielle enheter åpner nye veier for mikro-nano-produksjon. For tiden har femtosekundlaser blitt mye brukt i mange banebrytende vitenskapelige felt: femtosekundlaser kan brukes til å forberede ulike optiske enheter, for eksempel mikrolinsearrayer, bioniske sammensatte øyne, optiske bølgeledere og metaoverflater; ved å bruke sin høye presisjon, høye oppløsning og med tredimensjonale prosesseringsevner, kan femtosekundlaseren forberede eller integrere mikrofluidiske og optofluidiske brikker som mikrovarmekomponenter og tredimensjonale mikrofluidkanaler; i tillegg kan femtosekundlaser også forberede forskjellige typer overflatemikronanostrukturer for å oppnå antirefleksjon, antirefleksjon, superhydrofob, anti-ising og andre funksjoner; ikke bare det, femtosekundlaser har også blitt brukt innen biomedisin, og viser enestående ytelse innen felt som biologiske mikrostenter, cellekultursubstrater og biologisk mikroskopisk avbildning. Brede søknadsmuligheter. For tiden utvides bruksområdene for femtosekund-laserbehandling år for år. I tillegg til ovennevnte mikrooptikk, mikrofluidikk, multifunksjonelle mikro-nanostrukturer og biomedisinske ingeniørapplikasjoner, spiller den også en stor rolle i noen nye felt, for eksempel metasurface-forberedelse. , mikro-nano-produksjon og flerdimensjonal optisk informasjonslagring, etc.
Innleggstid: 17. april 2024
