Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине
METHOD FOR LASER PUNCHING OF THROUGH HOLE IN NON-METAL PLATE

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерной пробивки отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
х
Известен способ лазерной обработки, в частности, используемый для создания отверстий в пластинах, в котором плотность энергии, необходимая для испарения слоя материала толщиной , равна
где W - плотность энергии лазерного излучения;
х
- координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;
ρ - плотность материала;
и
L - скрытая теплота испарения единицы массы материала.
Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 4. Лазерная обработка неметаллических материалов: Учебное пособие для ВУЗов / А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов. Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высшая школа, 1998. - 191 с.
Приведенное уравнение характеризует стационарный процесс испарения материала под действием лазерного излучения при его поглощении в очень тонком поверхностном слое материала (много меньше толщины испаренного слоя). Уравнение нельзя использовать, когда поглощение лазерного излучения происходит в объеме материала, например в слое материала толщиной в несколько миллиметров. Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения оптимального значения плотности энергии лазерного излучения при обработке материалов, обладающих объемным поглощением излучения с длиной волны, на которой происходит обработка материала.
Известен также способ лазерной обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в импульсе, определяемой по соотношению
где е - основание натурального логарифма (е ≈ 2,7183);
Q
3
- удельная энергия сублимации материала, Дж/м;
χ
-1
- показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, м;
R
- коэффициент отражения материала.
Патент РФ на изобретение №2486628, МПК B23K 26/00, 27.06.2013.
При такой плотности энергии воздействующего лазерного излучения происходит сублимация поглощающего слоя материала толщиной 1/χ, причем максимальный удельный (на единицу вложенной энергии) унос массы материала составит величину
Для сквозного пробития отверстия в пластине необходимо, чтобы толщина пластины составляет величину 1/χ. Эти условия обеспечивают оптимальный режим обработки при одностороннем воздействии лазерного излучения на неметаллические материалы, обладающие объемным поглощением лазерного излучения. Недостатком способа является то, что он не позволяет проводить пробитие сквозных отверстий в неметаллических пластинах произвольной толщины, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, при минимальных энергетических затратах.
Известен также способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, включающий обработку поверхности пластины посредством лазерного импульса с длиной волны, обеспечивающей выполнение условия
h
1,2<χ<3,1,
где h - толщина пластины,
при этом исходный лазерный пучок лазерного излучения разделяют на два пучка и одновременно соосно воздействуют на обе поверхности пластины с равной плотностью энергии, определяемой по соотношению:
Патент РФ на изобретение №2582849, МПК В21К 26/364, 27.04.2016.
Так как длины волн технологических лазеров имеют определенные значения, а толщины пластин могут быть произвольными, трудно обеспечить режимы обработки, обеспечивающие минимальные затраты энергии.
Q
R
Известен также способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, включающий разделение лазерного пучка на два, воздействие на обе стороны пластины пучками с равной плотностью энергии, которую рассчитывают по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала , коэффициент отражения материала пластины  и показатель поглощения материала χ на длине волны воздействующего лазерного излучения, сначала лазерным пучком воздействуют на одну поверхность пластины с плотностью энергии, определяемой по следующему соотношению
а воздействие на обе стороны пластины осуществляют с плотностью энергии, отличной от величины плотности энергии предыдущего воздействия, которую определяют по следующему соотношению
где е - основание натурального логарифма;
h
- толщина пластины,
χh
а >3,87.
Патент РФ на изобретение №2647387, МПК B21K 26/364, 15.03.2018.
h
Недостатком указанного способа является существенное увеличение энергетических затрат при пробитии отверстий в пластинах большой толщины, когда χ>5.
Q
R
Известен также способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, включающий разделение лазерного пучка на два, воздействие на обе стороны пластины пучками с равной плотностью энергии, которую рассчитывают по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала , коэффициент отражения материала пластины  и показатель поглощения материала χ на длине волны воздействующего лазерного излучения, сначала воздействуют на обе стороны пластины пучком с плотностью энергии, определяемой по соотношению
а затем - с плотностью энергии, определяемой по соотношению
где е - основание натурального логарифма;
h
- толщина пластины;
χh
а>5.
Патент РФ на изобретение №2688036, МПК B23K 26/364, H01L 21/42, 10.05.2019. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
h
Недостатком указанного способа является существенное увеличение энергетических затрат при пробитии отверстий в пластинах большой толщины, когда χ>6,5.
Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат при лазерной пробивке сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, например, из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Q
R
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, включающем разделение лазерного пучка на два, воздействие на обе стороны пластины пучками с равной плотностью энергии, которую рассчитывают по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала , коэффициент отражения материала пластины  и показатель поглощения материала χ на длине волны воздействующего лазерного излучения, сначала воздействуют на одну стороны пластины тремя лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по соотношению
а затем воздействуют на обе стороны пластины с плотностью энергии, определяемой по соотношению
где е - основание натурального логарифма;
h
- толщина пластины;
χh
а>6.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема лазерной установки для реализации предложенного способа обработки. Установка содержит импульсный лазер (1), телескопический преобразователь диаметра пучка, состоящий из собирающей линзы (2) и рассеивающей линзы (3), диэлектрическое зеркало (4) с коэффициентом отражения 0,5 на длине волны лазера, осуществляющее разделение на два пучка равной плотности энергии исходного лазерного пучка, и два диэлектрических зеркала (5) и (6) с коэффициентом отражения ~0,99, направляющих лазерное излучение на обе поверхности обрабатываемой пластины (7). При помощи телескопического преобразователя исходный лазерный пучок преобразуется в пучок требуемого диаметра с минимально возможной расходимостью.
Если
а
где  - коэффициент температуропроводности материала пластины;
R
П
- радиус пучка лазерного излучения после рассеивающей линзы,
то можно рассматривать задачу об испарении материала в одномерной постановке и пренебречь переносом энергии в материале за счет теплопроводности за время действия лазерного импульса.
h
h
h=
h
Рассмотрим пластину толщиной , обладающую показателем поглощения на длине волны лазерного излучения χ. Толщина пластины в относительных единицах будет χ. Для реализации предлагаемого способа пробивки сквозных отверстий в пластине удаляют из оптической схемы установки диэлектрическое зеркало (4) и воздействуют на одну поверхность пластины тремя импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по уравнению (1). При этом толщина испаренного слоя материала пластины составит 3/χ (в относительных единицах χ3). Оставшаяся не испаренной толщина пластины в относительных единицах будет равна χ-3. Далее устанавливают диэлектрическое зеркало (4) и воздействуют на обе поверхности пластины лазерными пучками с плотностью энергии в каждом пучке, определяемой по формуле (2).
Суммарная плотность энергии, необходимая для пробития сквозного отверстия в пластине по способу, описанному в прототипе, составит
Суммарная плотность энергии, необходимая для пробития сквозного отверстия в пластине по заявляемому способу, будет равна
Разделив (5) на (4), получим
h.
В таблице приведены результаты расчетов по уравнению (6) для некоторых значений χ
Таблица.
χh
4
5
6
7
8
9
f(χh)
1,2
1,1
0,98
0,88
0,8
0,73
h
h
h
h
f(χh)
Видно, что при χ>6 отношение становится меньше единицы. Следовательно, энергетические затраты на пробитие сквозного отверстия в пластине по заявляемому способу при χ>6 меньше, чем в прототипе. По мере увеличения χ преимущества заявленного способа перед прототипом возрастают. Например, при χ=9 =0,73.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в уменьшении энергетических затрат при лазерной пробивке сквозных отверстий в неметаллических пластинах, обладающих объемным поглощением на длине волны лазерного излучения.