Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Владельцы патента RU 2574222:
Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение может быть использовано для лазерного пробития сквозных отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Способ обработки неметаллических пластин согласно изобретению заключается в облучении их поверхности лазерным импульсом с минимальной расходимостью. При этом плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала пластины, толщину пластины, показатель поглощения материала пластины на длине волны воздействующего лазерного излучения и коэффициент отражения материала пластины, а вышедшее из пластины лазерное излучение при помощи диэлектрического зеркала, расположенного по нормали к лазерному пучку и имеющего коэффициент отражения ~ 99,9% на длине волны лазерного излучения, возвращают в пластину. Изобретение обеспечивает снижение энергетических затрат при пробитии лазерным излучением сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов. 3 ил.
Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного пробития отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Известен способ обработки неметаллических материалов [1], в котором обработка пластин осуществляется путем облучения поверхности импульсом лазерного излучения. Временная форма импульса описывается определенным соотношением в зависимости от плотности потока энергии лазерного излучения, констант b1 и b2, характеризующих фронт и спад лазерного импульса, от длительности лазерного импульса, текущего времени от начала воздействия, плотности энергии и максимального значения плотности потока лазерного излучения в импульсе. Эффект достигается тем, что формируют лазерный импульс, временная форма которого описывается соотношением
где q(t) - плотность потока энергии лазерного излучения, Вт/м2;
τ - длительность импульса лазерного излучения, с;
b1 и b2 - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;
t - текущее время от начала воздействия, с.
Указанный способ позволяет минимизировать термоупругие напряжения в поглощающем слое материала пластины, но он не позволяет осуществлять скрайбирование пластин из неметаллических материалов и осуществлять пробитие сквозных отверстий в них при минимальных энергетических затратах.
Известен способ лазерной обработки [2], в частности, используемый для создания отверстий в пластинах, в котором плотность энергии, необходимая для испарения слоя материала толщиной х, равна
где W - плотность энергии лазерного излучения;
χ - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;
ρ - плотность материала;
Lu - скрытая теплота испарения единицы массы материала.
Уравнение (1) характеризует стационарный процесс испарения материала под действием лазерного излучения при его поглощении в очень тонком поверхностном слое материала (много меньше толщины испаренного слоя). Уравнение (1) 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 [3], заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в импульсе, определяемой по соотношению
где е - основание натурального логарифма (е≈2,7183);
Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м3;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, м-1;
R - коэффициент отражения материала.
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 составляла величину 1/χ. Эти условия обеспечивают оптимальный режим обработки при одностороннем воздействии лазерного излучения на неметаллические материалы, обладающие объемным поглощением лазерного излучения.
Этот способ выбран в качестве прототипа. Недостатком способа является то, что при пробитии сквозных отверстий в неметаллических пластинах, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, теряется примерно 63% энергии лазерного импульса вследствие выхода части излучения через тыльную поверхность пластины и экспоненциальным законом поглощения лазерного излучения в пластине. В идеальном случае (mУД)max≈ρ/Q. Для приближения к идеальному результату необходимо вернуть в пластину вышедшее из нее излучение и перераспределить поглощенную энергию по толщине пластины.
Целью предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат при лазерном пробитии сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, например, полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Поставленная цель достигается тем, что выбирают длину волны лазерного излучения, обеспечивающую выполнение условия
0,6<χh<1,6,
где h - толщина пластины, м,
воздействуют на поверхность пластины лазерным пучком с минимальной расходимостью и плотностью энергии, рассчитываемой по соотношению
где е - основание натурального логарифма (е≈2,7183);
Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м3;
R - коэффициент отражения материала,
а вышедшее из пластины лазерное излучение при помощи диэлектрического зеркала, расположенного по нормали к лазерному пучку и имеющего коэффициент отражения ~ 99,9% на длине волны лазерного излучения, возвращают в пластину.
Ниже приводится более подробное описание изобретения со ссылкой на рисунки фиг. 1 - фиг. 3.
На рисунке фиг. 1 представлена схема лазерной установки для пробития сквозных отверстий в пластинах. Установка содержит импульсный лазер (1), телескопический преобразователь диаметра пучка, включающий собирающую линзу (2) и рассеивающую линзу (3), обрабатываемую пластину (4) и диэлектрическое зеркало (5) с коэффициентом отражения на длине волны лазерного излучения ~ 99,9%. Фокусы обеих линз совмещены, что позволяет получить параллельный лазерный пучок диаметром меньше, чем диаметр исходного пучка. Подбором фокусных расстояний линз обеспечивают требуемый диаметр лазерного пучка и, соответственно, отверстия в пластине. Вышедшее из пластины излучение зеркалом (5), расположенным по нормали к лазерному пучку, возвращается в пластину. В этом случае распределение поглощенной энергии по толщине пластины будет иметь вид
Распределение поглощенной энергии по толщине пластины в относительных единицах показано на рисунке фиг. 2. Видно, что минимальное поглощение энергии имеет место на тыльной поверхности пластины. Для пробития сквозного отверстия в пластине при одностороннем воздействии лазерного излучения необходимо, чтобы выполнялось условие
Для пробития сквозного отверстия в пластине для предложенного способа необходимо, чтобы
Рисунок фиг. 2 показывает, что E(x)min для предложенного способа в два раза превышает необходимый уровень. Для приближения Е(х) к Q плотность энергии лазерного излучения можно понизить в два раза (рисунок фиг. 2). Из уравнения (7) получим
Сравнение (4) и (8) показывает, что предложенный способ воздействия лазерного излучения позволяет уменьшить в два раза плотность энергии лазерного излучения, необходимую для пробития сквозных отверстий в пластинах. При этом масса испаренного на единицу площади материала составит
Удельная (на единицу вложенной энергии) масса испаренного материала составит
На рисунке фиг. 3 в относительных единицах показана зависимость удельной массы испаренного материала от безразмерного параметра χh. Исследование на экстремум уравнения (10) показывает, что удельная масса испарившегося материала имеет максимум при χh=1, причем величина mУД в точке максимума является постоянной для конкретного типа материала величиной и составляет (mУД)max≈0,736ρ/Q, что в два раза больше, чем для случая одностороннего воздействия лазерного излучения на пластину [3].
Оптимальным режимом воздействия лазерного излучения на пластины с целью пробития сквозных отверстий является воздействие с длиной волны, обеспечивающей выполнение условия χh=1. При этом плотность энергии в лазерном пучке рассчитывают по уравнению (8). Если это условие выполнить не удается, выбирают рациональные режимы, близкие к оптимальному, при которых длина волны лазерного излучения обеспечивает выполнение условия 0,6<χh<1,6. В этом диапазоне значений параметра χh изменения удельной массы испаренного материала составляют не более 13%.
Таким образом, воздействие параллельным пучком и возврат вышедшего через тыльную поверхность пластины лазерного излучения позволяет примерно в два раза уменьшить энергетические затраты на пробитие сквозных отверстий в неметаллических пластинах.
Литература
1. Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф., Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. Патент RU 2211753 С2. Опубл. 10.09.2003. Бюл. №25.
2. 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. ISBN 5-06-001453-3.
3. Сахаров М.В., Коваленко А.Ф., Воробьев Α.Α., Конюхов М.В., Астраускас Й.И., Никитин И.В., Запонов А.Э., Удинцев Р.Д., Чупятов А.С. Способ обработки неметаллических материалов. Патент RU 2486628 С1. Опубл. 27.06.2013. Бюл. №18.
Способ лазерной обработки неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности импульсным лазерным излучением, отличающийся тем, что выбирают длину волны лазерного излучения, обеспечивающую выполнение условия
где χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны воздействующего излучения, м-1;
h - толщина пластины, м,
воздействуют на поверхность пластины лазерным пучком с минимально возможной расходимостью и плотностью энергии, рассчитываемой по соотношению
где e - основание натурального логарифма (e≈2,7183);
Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м3;
R - коэффициент отражения материала,
а вышедшее из пластины лазерное излучение при помощи диэлектрического зеркала, расположенного по нормали к лазерному пучку и имеющего коэффициент отражения ~ 99,9% на длине волны лазерного излучения, возвращают в пластину.