Исследование физических процессов взаимодействия излучения лазера на парах меди с материалами электронной техники и разработка технологии их прецизионной обработки

Создание мощных источников оптического излучения — лазеровсущественным образом изменило представление о возможностях его использования. Замечательные свойства лазерного излучения способствовали появлению новых областей фундаментальной и прикладной оптики, коренному изменению некоторых направлений науки и техники, внедрению в практику широкого круга новых технологий. Произошли значительные изменения в различных сферах человеческой деятельности. Лазеры устойчиво обосновались в науке, промышленности, медицине, сельском хозяйстве и т. д. Некоторые производства уже немыслимы без их использования. Освоены новые лазерные методы обработки материалов: резка, прошивка отверстий, скрайбирование, сварка, наплавка, легирование, термоупрочнение, отжиг, травление и осаждение, модификация поверхности, пайка, напыление. В основном эти технологические процессы основаны на тепловом действии лазерного излучения [1−12]. В последнее время появляется большое количество публикаций, в которых постепенно осознаются возможности использования сильно неравновесного лазерного излучения для специфического избирательного воздействия на определенные процессы протекающие в твердом теле, на структуру материалов, на рост и разрушение кристаллов [13−17]. Лазерное излучение обладает сложной пространственной, временной и спектральной структурой. Специально подбирая необходимую структуру лазерного сигнала можно последовательно включать те или иные механизмы воздействия на материал, что позволит значительно повысить избирательность и эффективность процессов. В дальнейшем, можно будет наблюдать переход от простых задач обработки, не требующих высокоточного луча, к более сложным применениям, где качество луча имеет существенное значение (каустика, распределение интенсивности в пространстве и во времени и т. д.). В целом, по совокупности параметров обработки, лазерные методы могут конкурировать с различными стандартными технологиями.

И.

Развитие электронной техники постоянно ставит задачи поиска новых методов обработки материалов. Одним из перспективных направлений исследований является изучение обработки лазерным излучением. К началу предлагаемой на рассмотрение работы (1984г.) вне сферы лазерной прецизионной обработки оставался целый ряд пластичных металлов и сплавов с высокой теплопроводностью (Си, А1, N1 и др.), тугоплавких металлов (Мо, Та, Ъх и др.), полупроводниковых материалов (81, ваАз, ве). Для выяснения возможности ликвидации этого технологического пробела была предпринята попытка привлечения излучения лазера на парах меди (ЛПМ) [18].

Лазеры на парах меди исторически появились на десятилетие позже основных типов лазеров. Причиной этого явились технически труднореализуемые условия генерации. Следствием — значительное отставание в поиске конкурентных областей применения. Прогресс в разработке и производстве ЛПМ, наблюдаемый в последние два десятка лет, в основном связан с применением ЛПМ в качестве эффективного средства для накачки лазеров на красителях. Применение последних для селекции изотопов [19] и определило бурное развитие всех составляющих их устройств.

Разработка и создание надежных, долговечных и высокоэффективных лазеров на парах меди подвигло исследователей к применению их в качестве основного инструмента в технологическом процессе обработки материалов [20]. ЛПМ были применены для задач обработки тонких пленок: ретуширования и изготовления фотошаблонов [21,22]. Исследования по технологическому применению излучения ЛПМ для прецизионной обработки тонколистовых материалов не проводились.

Традиционно прецизионную технологию тонколистовых материалов составляли методы электроискровой обработки, химическое травление, механическая обработка. Необходимыми условиями прецизионной обработки являются наличие оборудования с высокой степенью точности, с надежным и устойчивым инструментом и контролем протекания процесса. Для такой обработки характерны стабильность, избирательность и минимальные побочные эффекты. Она построена на локальном удалении материала через хорошо согласованное энергетическое воздействие.

Возможностям применения лазера на парах меди для прецизионной обработки и выработке требований к параметрам излучения для реализации такой обработки, а так же рассмотрению различных факторов влияющих на параметры процесса удаления материала при воздействии импульсов излучения лазера на парах меди и посвящена данная работа.

На защиту выносятся следующие научные положения :

• Эрозионный факел от воздействия на металлическую мишень (Мо, Си) излучения ЛПМ с плотностью мощности в диапазоне 109.10п Вт/см2, практически (в пределах ошибки эксперимента в 2%), прозрачен для этого ¦излучения.

• Основным каналом диссипации энергии импульса излучения ЛПМ при.

Р 2 воздействии на металлическую мишень с интенсивностью выше 10 Вт/см является унос энергии паром. Доля этого канала может превышать 50%, а в пересчете на один удаленный атом составляет ЮэВ.

• Специфика многоимпульсной многопроходной резки трудоемких деталей излучением лазера на парах меди с нестабильным резонатором позволяет компенсировать уход оси диаграммы направленности в пределах ± 0()ф при последующих проходах, (©-¿-¡-¿—дифракционная расходимость излучения ЛПМ).

Результаты работы были использованы при создании двух макетов автоматизированной лазерной технологической установки «Каравелла» на базе лазера на парах меди с излучателем типа «Карелия» и одного макета АЛТУ «Кинескоп» на базе лазера на парах меди типа «Кулон» .

Процессы лазерной прецизионной резки и сверления тонколистовых материалов на опытном макете АЛТУ «Каравелла» используются в условиях экспериментального производства при изготовлении ответственных деталей и узлов из Мо, Си, керметов и др., для приборов, выпускаемых подразделениями предприятия.

Основные материалы и результаты опубликованы в 10 печатных работах, в том числе одном авторском свидетельстве. Материалы работы составили также содержание соответствующих глав шести научно-технических отчетов по НИР и ОКР.

Результаты работы докладывались на :

• конкурсах молодых специалистов и технологов НПО" Исток" в 1982 и 1986гг.

• П отраслевой научно-технической конференции «Источники питания и применения газовых лазеров» в октябре 1986 г.

• IV national conference and technical exhibition with international participation «Laser and their applications», oktober 23−26, 1990, Plovdiv, Bulgaria.

• Отраслевом научно-техническом семинаре «Лазерная техника и технология», 23−26 апреля 1991 г., г. Брянск.

• Симпозиуме «Лазеры на парах металлов и их применение», 22−25 сентября 1996 г., г. Новороссийск, Абрау-Дюрсо.

• VIII Международной конференции «Лазеры в науке, технике и медицине», 9−12 сентября 1997 г., г. Пушкинские горы.

• International conference on LASERS '98, december 7−11,1998, Tucson, Arizona.

• Научно-техническом семинаре ЛАС «Лазерные технологии и технологическое оборудование», 1 апреля 1999 года.

Общие выводы.

1.Из технологических лазеров, пригодных для обработки основных материалов электронной техники, характеристики лазера на парах меди наиболее полно отвечают требованиям прецизионной обработки: малая длина волн генерации, малая энергия импульса при высокой (до 10пВт/см2) плотности мощности, короткий импульс при большой скважности (-5000), близкая к дифракционной расходимость и др.

2.В сферу лазерной прецизионной обработки вовлечены материалы с высокой теплопроводностью (медь, алюминий, серебро и др.), тугоплавкие (молибден, вольфрам, тантал и др.) и ряд полупроводников (кремний, германий и др.).

3.При экспериментальном исследовании взаимодействия излучения ЛПМ с материалом мишени обнаружено следующее :

1 2.

• начиная с 5*10 Вт/см, повышение плотности мощности приводит к резкому уменьшению отражения от металлической поверхности;

• эрозионный факел от воздействия на металлическую мишень (Мо, Си) излучения ЛПМ с плотностью мощности в диапазоне Ю9.10п Вт/см2 (в пределах ошибки эксперимента в 2%) прозрачен для этого излучения;

• основным каналом диссипации энергии импульса излучения ЛПМ при воздействии на металлическую мишень с интенсивностью выше 109Вт/см2 является унос энергии паром. Доля этого канала может превышать 50%. Энергия, уносимая продуктами разрушения, в пересчете на один удаленный атом составляет ЮэВ;

4.0собенностью обработки излучением ЛПМ является преобладающее влияние на параметры резки и сверления соотношения энергии в пучках. Это соотношение определяется типом и параметрами резонатора, величиной синхронизации запуска активных элементов, параметрами разрядной цепи, частотой следования импульсов.

5.Поддув защитного газа (гелия) в зону обработки приводит к повышению чистоты поверхности, уменьшению объема жидкой фазы и росту производительности: сверления в 4, а резки в 1,5 раза.

6.Селекция зеленой линии генерации позволяет уменьшить размер отверстия, в среднем, в 1,4 раза.

7.Размер дифракционного пучка, в конечном итоге, определяет :

• величину погрешности обработки по контуру (точность) при многопроходной резке;

• предельную шероховатость поверхности реза;

• размер минимального элемента обработки.

8.Высокая скорость охлаждения металлов (~Ю10 °К/с) и значительный градиент температуры (Ю9.Ю10 °К/м) после локального воздействия импульса излучения лазера на парах меди приводят к модификации приповерхностного слоя. Свойства такого слоя, в ряде случаев, являются уникальными, например, в 2.4 раза возрастает электрическая прочность электродов.

9.Примененная методика исследования позволила установить, что.

• расходимость излучения лазера на парах меди с нестабильным резонатором монотонно убывает на протяжении длительности импульса;

• поверхностный тепловой источник, эквивалентный по энерговыделению действию сфокусированного импульса лазера на парах меди, представляет быстро стягивающуюся область с непрерывным нарастанием плотности теплового потока;

• в математической модели теплового источника достаточно учитывать два осесимметричных пучка с различными коэффициентами сосредоточенности и разнесенными по времени на характеристическую постоянную резонатора;

10.Разработка, изготовление и длительная эксплуатация (более Юлет) опытного образца АЛТУ «Каравелла» продемонстрировали возможность создания высокотехнологичного оборудования на базе лазеров на парах меди.

11.Образцы деталей из меди, молибдена, кремния, графита, кермета и др., изготовленные для конкретных приборов СВЧ электроники, подтвердили высокое качество обработки излучением лазера на парах меди.

12. Относительно традиционных методов обработки (электроискровой, штамповки и др.), использование макета АЛТУ «Каравелла» позволяет сократить в 3.8 раз время изготовления малых партий деталей (включая подготовительный период).

13.Применение усовершенствованной системы наблюдения на базе лазерного проекционного микроскопа позволило полнее использовать возможности лазеров на парах меди в технологических установках на их основе.

14.Использование изменения оптических свойств активной среды усилителя в процессе генерации позволило осуществить модуляцию мощности излучения лазера на парах меди. Это расширило технологические возможности установки, т.к. оперативное управление мощности при помощи стандартных методов, из-за специфики излучения ЛПМ, проблематично.