Технология эффективного управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов

Технология эффективного управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов

П.А.Вятлев, А.В.Захарченко, В.И.Масычев, К.Л.Лезвинский, Б.П.Папченко, В.К.Сысоев

ФГУП «Научно-исследовательский центр им. Г.Н. Бабакина»

Введение

Применение излучения СО2 лазеров для управляемого термораскалывания показало высокую эффективность для высокоточной размерной обработки диэлектрических материалов [1-4], от таких как стекла для жидкокристаллических экранов, до таких как сапфировые чипы для светодиодов. Однако имеющаяся технология имеет ряд ограничений, затрудняющих её широкое применение в промышленности. Это следующие две проблемы. Первая - высокое качество кромки материала, получаемого в результате его разделения рассматриваемым методом, затрудняет раскрой материала во взаимно пересекающихся направлениях, что особенно необходимо для изготовления миниатюрных изделий. Вторая проблема - это ограничения обработки по толщине материала. Данная работа посвящена некоторым решениям этих проблем.

Технологии бесконтактного создания микродефекта

Как известно[1-3], основой технологии управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов является зарождение микротрещины и управление ее движением лазерным лучом и хладогентом, как показано на рис. 1а.

Микротрещина зарождается на первоначальном дефекте, который в имеющихся установках создается искусственно с помощью механического устройства (алмазной пирамиды) путем вдавливания ее в материал, где в последующем эту точку освещают лазерным лучом специальной формы (чаще всего эллиптической формы). Хладоагент из форсунки падает на горячий след луча, усиливая термонапряжение для создания микротрещины.

Алмазная пирамида.

Материал

Микротрещина

рис. 1а. Схема термораскалывания

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1409 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

При пересечении лучом линии уже произведенного термораскалыванием высококачественного скола материала не удается управлять микротрещиной, и необходимо создать новый микродефект

на следующем сколе материала. Создание его механическим путем невозможно, особенно при создании микроминиатюрных изделий, получаемых с большой скоростью, что требуют частоты нанесения дефектов до и более 100 Гц (с точно регулируемым усилием), что для электромеханических устройств затруднено. К тому же механический дефект имеет размеры, недопустимые для изготовления миниатюрных изделий [5]. Инструмент для создания дефекта с регулируемыми характеристиками должен быть бесконтактным, что предполагает использование импульсного лазера. Выбор такого лазера будут определяться спектральными и теплофизическими характеристиками обрабатываемого материала, а также импульсными характеристиками лазерного излучения(энергия и длительность импульса). Управляемое термораскалывание наиболее перспективно для следующих материалов: кристаллический кварц, сапфир (включая керамику), оксидные стекла. Края ИК поглощения этих материалов лежат в области 2-3 мкм. Импульсные лазерные излучатели для создания дефектов показаны в табл. 1.

Таблица 1.

Бесконтактное образование микротрещин - дефектов для управляемого

лазерного термораскалывания диэлектрических материалов.

№ Тип лазера Характеристика Результат Примечание

1 Ш 1,06 мкм, нсек 10-20% Трудно осуществить микротрещину на поверхности

2 Ег 2,94 мкм, мксек 80-100% При больших мощностях и длинных импульсах идет плавление дефекта

3 С02 с модуляцией 10,6 мкм, мсек 60-70% Необходимость чистой поверхности материала, при больших мощностях

добротности идет гравировка

4 ТЕА С02 10,6 мкм, мксек 80-100% Необходимость чистой поверхности материала, при больших мощностях - плазмообразование

Конечно важно, чтобы источник излучения для дефектообразования был достаточно прост, надежен и дешев. Эксперименты, проведенные авторами для управляемого дефектообразования, проводились без исследования самого дефекта, а проводились по признаку создания управляемых термотрещин. Наши эксперименты показали, что для используемых материалов (оксидные стекла, сапфир, кристаллический кварц) возможно образование микродефекта от нескольких импульсных лазеров (неодимового (1,06 мкм, нсек), эрбивого (2,94 мкм, мксек), СО2 с модуляцией добротности (10,6 мкм, мсек) и ТЕА СО2 лазера (10,6 мкм, мксек)). Измерения показали, что наиболее приемлемым инструментом для дефектообразования является эрбиевый и ТЕА СО2 лазер [6]. Испытания проводились по следующей методике. На установке управляемого лазерного термораскалывания делали параллельные микротрещины (или сквозной скол), затем в один технологический акт совершалась следующая операция: край скола облучался импульсным излучением одного из выбранных лазеров и одновременно излучения непрерывного лазера проходили через эту зону «ведя» создающуюся микротрещину до следующего скола. Трудности получения микродефекта лазерным излучением заключались в двух аспектах: при очень большой мощности излучения возникал плазменный пробой на поверхности, при очень малых мощностях процесс дефектообразования был неустойчив. Подбирая мощность (энергии) импульсного лазера мы достигали максимально возможного устойчивого образования микротрещин (при этом добивались образования этой микротрещины как можно при меньших энергетических параметрах). Очень важно, что при такой методике не требовалось исследование самой микротрещины, что является весьма не простой инструментальной задачей. При этом необходимой задачей такой работы была оптимизация временной задержки между

импульсным лазером и непрерывным лазером. Процедура такой технологии показана на рис. 1б.

рис.1б. Схема бесконтактного дефектообразования

а результаты отражены в табл. 1. Результаты испытаний показаны, как итог большой статистики. Каждый из перечисленных лазеров в принципе всегда создавал микродефекты. Но качество этих микродефектов зависело от типа материала, его толщины, вида поверхности и набранная статистика показывает, что наиболее приемлемым типом лазера, как инструмента, для этой цели являются эрбиевый и ТЕА СО2 лазеры. Одним из важных результатов этих испытаний является то, что наиболее оптимальный дефект -микротрещина образуется без видимого внешнего поверхностного дефектообразования. Данная методология получения микродефектов

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1413 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

позволила реализовать термораскалывание образцов стекла с размерами 0,3 х 0,3 мм.

Управляемый докол в термораскалываемых лазерным

излучением материалах

Образование и развитие управляемой микротрещины по воздействием излучения СО2 лазеров имеют две основные проблемы: ограничения скорости развития трещины вслед за лазерным лучом и главное -ограничения развития трещины по толщине стекла, что ограничивает получение конечных изделий. Физический механизм, позволяющий управляемо развивать микротрещины по всей толщине материала, известен достаточно давно. Это - создание дополнительных термонапряжений, например, подогрев или охлаждение нижней части объекта. Имеющийся уже рисунок термомикротрещин, возникших под воздействием лазерного излучения разовьется сквозным образом из-за перепада температур. Однако скорость данного процесса ограничена и определяется теплопроводностью материала. В ряде случаев (например при наличии легкоиспаряемых изделий на материале) температурный нагрев образцов не допустим. Вторым механизмом управляемого докола, получения лазерным излучением микротрещин, является ударное звуковое развитие трещины. Это явление известно на бытовом уровне. Когда стеклорез, создав резцом микротрещину, алмазом постукивает небольшим усилием с обратной стороны стекло, развивая полученную микротрещину до полного раскола материала. Ряд фирм выпускает специальные ручные инструменты для этого. Теория и экспериментальные исследования управления развитием микротрещины ударными волнами развиты в работе [7]. Развитие ударных волн в твердом теле (стекло и керамика) происходит со звуковыми скоростями, что позволяет надеется на ускорение процесса

докалывания материала по заданному контуру термораскалывания с большими скоростями.

Не вдаваясь в расчетные механизмы развития данной технологии рассмотрим полученные экспериментальные методы.

Прежде всего, рассмотрим основные требования к источнику акустических ударных волн. Схема работы показана на рис.2а.

рис.2а. Схема технологии акустического докалывания микротрещин

и состоит из трех компонент: луча лазера, создающего эллиптическую зону нагрева для создания микротрещин, зону реализации микротрещины, зону воздействия акустических ударных волн. Разнос этих зон по пространству и времени является предметом отладки технологии. При этом данную технологию можно реализовать

применяя акустическую ударную волну навстречу микротрещине т.е. «снизу», так используется отражение ударной волны от поверхности материала т.е. «сверху», как показано на рис.2б.

акустический ударник

Пучок СО2 лазера

Микро трещина

Удар сверху

Акустический ударник

Материал

рис.2б. Варианты схем акустического докалывания микротрещин

Реализация механизма для возбуждения точечных акустических волн в движущемся материале является весьма не тривиальной задачей. Наши

исследования показали, что имеется ряд методов, позволяющих реализовать несколько устройств с различным принципом возбуждения акустических волн, удовлетворяющих данную технологию. Сводные данные этих устройств (методов), приведенные в табл.2.

Таблица 2.

Методы докалывания материалов после создания лазерным

излучением термотрещин

№ Метод Устройство Примечание

Температурное Поверхностный Простота устройства.

1 воздействие нагрев (или охлаждение) Малые скорости и ограничения по толщине

Механический Простота устройства, но трудно

2 Механический звукопровод с механическим бойком разделить акустическую волну от механического перемещения звукопровода, крошится материал.

Магнитожидкостной Сложность устройств,

механизм обеспечивающих контакт с материалом.

Пневматическое Ударная волна от Бесконтактное устройство,

3 устройство разряда в капиллярном канале простое устройство с возможностью регулировки удара в широком диапазоне.

Генерация Возбуждение Ш Эффективное устройство, но

4 звуковых волн в лазера звуковых волн отрицательное воздействие

жидкости № в ^С12 растворе растворов на материал.

лазером

Рассмотрим данные методы возбуждения докола акустическими методами. Первый, самый простой метод заключается в возбуждении

ударных акустических волн в коническом стержне электромеханическим механизмом, прижатым к материалу (в самом простом случае - в стекле), что показано на рис.За.

Луч СО2 лазер

Звукопровод

т

✓Микротрещина

Ж

Материал

Стальной шарик

Звукоизоляционный материал

' Зажим

й г

Соленоид

рис.За. Электромеханическое устройство докалывания

Данное устройство позволяет регулировать как силу удара (уровень акустических волн), так и частоту ударов и уверенно раскалывая стекло толщиной до 20 мм, в то время как для этой марки стекла термораскалывание без акустического воздействия при тех же скоростях происходило максимально до толщины 2 мм. Несмотря на

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1418 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

относительную простоту этого устройства, оно обладает существенным недостатком - в месте контакта стального шарика со стеклом материал периодически крошится, что для ряда применений недопустимо и весьма трудно выдержать регулируемый контакт с движущимся стеклом. Вторым устройством, реализуемым в данной работе является использование ударных акустических волн, создаваемых импульсным газовым разрядом в капиллярном канале, как показано на рис.3б.

рис.3б. Пневматическое устройство докалывания

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1419 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

Наибольшим достоинством этого устройства является то, что не требуется механического контакта с обрабатываемым материалом, то есть наличие зазора 0,5 мм уверенно обеспечивает докалывание образцов. Для докалывания толстых стекол данное устройство весьма эффективно. Данное устройство, с помощью регулировки высоковольтного импульсного напряжения (не более 1 кв и длительностью 0,1-1 мкс.), позволяет реализовать, как регулировку энергии удара, его частоту(до 300Гц), так и возможна его реализация для работы с различными газами, а также можно использовать, как

одиночное устройство(для удара снизу), так и двойное(для удара сверху). Следующим устройством реализованным в рамках данной работы было использование генерируемых акустических ударных волн в жидкости возбуждаемых неодимовым лазером на 1,06 микрон. Схема этого устройства показана на рис.3в.

Даже небольшая мощность пучка неодимового лазера, сфокусированного в оптимально подобранной жидкости(раствор СиС12 в воде), позволяет уверенно раскалывать, получаемым

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1420 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

гидрооптоакустическим эффектом, толстые стекла. Однако в ряде случаев не допустимо применение растворов типа .

В заключении рассмотрим применение импульсного СО2 лазера для непосредственного возбуждения ударных акустических волн для управления движением микротрещиной. Работы, проводимые с импульсным СО2 лазером, как на основе лазеров с модуляцией добротности, так и ТЕА СО2, не принесли положительных результатов.

Конечно, все эти устройства не исчерпывают возможность увеличения эффективности управляемого термораскалывания .

Авторы благодарны В. С. Кондратенко за идею этой работы.

Список литературы:

1. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла, Москва, «Советское Радио», 1979, с. 136.

2. Григорянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная обработка неметаллических материалов, «Высшая школа», 1988, с. 191.

3. Белоусов Е.М., Кондратенко В.С.,. Мачупка Г.Н., Чуйко В.В. «Управляемое термораскалывание стекла лазерным излучением диапазона 10,6 микрон, «Электронная промышленность», 1979, №9, с.40-45.

4. Стригин М.Б., Чудинов А.Н. Лазерная обработка стекла пикосекундными импульсами, «Квантовая электроника», 1994, т.21, №8, с.787-790.

5. Иванов А.В. Прочность оптических материалов, Ленинград, «Машиностроение», 1989, с. 144.

6. Алейников В.С., Бондаренко Ю.Ф., Бойков В.Н., Зубов В.В., Старикова Г.С., Сысоев В.К. Импульсный лазер на СО2 с поперечным разрезом (отпаянный режим), Квантовая электроника, 1981, т.8, №2, с.381-383.

7. «Физика быстропротекающих процессов», Москва, 1971, т.2, с.252.