It-Teknoloġija Komuni tal-Micromachining Laser u l-Iżvilupp tagħha

Peress li l-ewwel lejżer intwera fl-1960, ir-riċerka tal-lejżer u l-applikazzjonijiet tagħha avvanzaw malajr madwar kważi kull qasam tekniku. Il-koerenza għolja tad-dawl tal-lejżer tmexxi kejl ta 'preċiżjoni, analiżi tal-istruttura tal-materjal-, ħażna ta' informazzjoni, u komunikazzjoni ottika; id-direttività għolja u l-luminożità tagħha jagħmluha għodda tal-manifattura ewlenija. Hekk kif is-sorsi u l-proċessi tal-lejżer qed ikomplu jevolvu, il-manifattura tal-lejżer ippenetrat industriji ta'-teknoloġija għolja matul l-aħħar għoxrin sena, u gradwalment issostitwixxiet jew ittrasforma ħafna rotot tradizzjonali tal-magni. Fl-1987, il-pjan direzzjonali tal-MEMS tal-Istati Uniti mmarka l-bidu ta' riċerka sistematika tal-mikro-magni - u l-mikromagni tal-lejżer ħareġ bħala waħda mit-teknoloġiji tal-manifattura l-aktar promettenti għad-dinja fuq skala mikro-.

Din il-gwida hija strutturata bħala mappa tal-qasam kollu: l-ewwel niddefinixxu l-mikromagni tal-lejżer u nipoġġuh kontra mikro-fabbrikazzjoni konvenzjonali, imbagħad nimxu fl-applikazzjonijiet industrijali ewlenin, nimxu fl-ispettru tal-polz ultraveloċi - fejn it-tranżizzjoni tan-nanoseko-għa-attosekonda tiddefinixxi mill-ġdid xi tfisser preċiżjoni - u tagħlaq} max-xogħol u l-enerġija{4} pjattaforma-kriterji tal-għażla li huma l-aktar importanti fil-prattika. Matul, kull sub-suġġett jorbtu ma' riżors tekniku ddedikat mil-librerija tagħna, sabiex tkun tista' timxi minn ħarsa ġenerali għall-parametri tal-proċess f'mogħdija waħda kontinwa ta' qari.

Micromachining jirreferi għall-fabbrikazzjoni ta 'karatteristiċi, toqob, kanali, u strutturi fuq l-iskala mikron u sub-micron. Ir-rotot ta' manifattura disponibbli llum jaqgħu f'erba' familji wesgħin: l-ipproċessar tas-semikondutturi, LIGA (litografija-electroforming-molding), ultra-magni mekkaniċi ta' preċiżjoni, u makkinar speċjali - li l-aħħar minnhom ineħħi materjal molekula b'molekula jew atomu b'atomu permezz ta' interazzjoni diretta tal-enerġija. Makkinar speċjali huwa mmexxi minn enerġija elettrika, termali, ottika, akustika jew kimika, bl-implimentazzjonijiet l-aktar komuni jkunu EDM, makkinar ultrasoniku, makkinar b'raġġ ta 'elettroni-, makkinar ta' raġġ jone-, u makkinar elettrokimiku.

Il-mikromagni tal-lejżer huwa l-membru ottiku ta 'din il-familja: raġġ tal-lejżer iffukat iwassal l-enerġija direttament lill-volum fil-mira, materjal ta' vaporizzazzjoni jew ablazzjoni mingħajr ebda kuntatt fiżiku tal-għodda, l-ebda xedd tal-għodda, u żona milquta tas-sħana{0}}estremament żgħira. Il-karatteristika li tiddefinixxi tagħha hija "kitba diretta" - il-proċess jissimplifika l-mogħdijiet tal-għodda f'mogħdija ottika waħda, li tippermetti prototipi rapidi ta 'mikro-apparat mingħajr maskri f'ħafna każijiet. Minħabba li ma jintroduċi l-ebda kimiċi korrużivi jew debris mekkaniċi, huwa ta 'spiss deskritt bħala proċess ta' manifattura aħdar. Għal introduzzjoni sistematika ta’ kif il-magni ta’ preċiżjoni bil-lejżer jidħlu f’linji ta’ produzzjoni moderni, ara l-ħarsa ġenerali tagħna ta’teknoloġija tal-magni tal-preċiżjoni tal-lejżer.

L-għażla bejn il-lejżers u l-mikro-ipproċessar konvenzjonali tiddependi fuq il-materjal, il-ġeometrija, u r-rekwiżiti tal-produzzjoni. Il-matriċi hawn taħt tiġbor fil-qosor id-differenzi prattiċi:

L-ipproċessar bil-lejżer iqabbel bl-aktar mod favorevoli fejn jiltaqgħu l-preċiżjoni, il-veloċità u l-flessibbiltà: ma jkunx-kuntatt, maskra-ħieles, u jista’ jtaqqab, jaqta’, iqabbad, inċiż, iwweldja, u nisġa bl-istess raġġ billi jbiddel il-parametri waħdu. Meta l-mistoqsija hija l-għażla tat-tul tal-polz-{4}} l-aktar deċiżjoni waħda konsegwenzjali fil-mikro-tħaffir - id-differenzi bejn ir-reġimi tal-polz twil-u ultraveloċi huma esplorati f'tqabbil tat-tħaffir tal-mikro-laser femtosecond u nanosecond.

Mikro-Vias u Ippakkjar ta'-Densità Għolja

Hekk kif il-prodotti elettroniċi jimxu lejn il-portabbiltà u l-minjaturizzazzjoni, id-densità tal-informazzjoni tal-volum tal-unità-u l-veloċità tal-ipproċessar tal-unità-ħin tal-unità wasslu għat-teknoloġija tal-ippakkjar mikroelettronika sal-limiti tagħha. Smartphone modern jew kamera diġitali iġorr bejn wieħed u ieħor 1,200 interkonnessjoni għal kull ċentimetru kwadru. Iċ-ċavetta biex tiżdied il-kwalità tal-ippakkjar taċ-ċippa-hija l-mikro-permezz --through-toqba li tgħaqqad is-saffi tal-wajers, tipprovdi-links ta' veloċità għolja bejn apparati-immuntati fuq il-wiċċ u l-bord tas-sinjali hawn taħt, u effettivament iċċekken il-footprint tal-ippakkjar.

Fid-disinn tal-PCB b'ħafna-saffi, il-vias huma s-sinsla ta' interkonnessjoni ta'-densità għolja. L-ispiża tat-tħaffir tipikament tammonta għal 30-40% tal-ispiża totali tal-manifattura tal-PCB, u d-disinjaturi jridu vias dejjem -iżgħar: toqob iżgħar jilliberaw l-ispazju tar-rotot u jaħdmu aħjar f'ċirkwiti ta' veloċità għolja-. It-tħaffir mekkaniku konvenzjonali jinżel f'madwar 100 µm - ferm inqas minn dak li jeħtieġu disinji densi. It-tħaffir bil-lejżer jagħlaq il-vojt, bis-sorsi tas-CO₂ u tal-UV li jipproduċu regolarment 30–40 µm vias, u konfigurazzjonijiet avvanzati li jilħqu ~10 µm. Għal trattament strutturat tal-ispettru tat-tħaffir, ibda biteknoloġija tat-tħaffir bil-lejżer industrijali, imbagħad ara kif l-istess fiżika testendi għal ċeramika iebsa inmikro-tħaffir bil-lejżer taċ-ċeramika tas-semikondutturi.

PCB u FPC Mikro-Makkinar

Lil hinn mill-vias, l-ipproċessar bil-lejżer iwettaq iċ-ċellula tax-xogħol PCB/FPC sħiħa - permezz ta 'tħaffir, qtugħ tal-kontorn, depanelization, u depth-inċiżjoni kkontrollata fuq bordijiet riġidi, ċirkwiti flex, u substrati HDI. Il-wisa' ta' din l-applikazzjoni hija koperta fiapplikazzjonijiet tal-laser għall-produzzjoni tal-PCB u FPC, filwaqt likif it-tipi tal-PCB jiffurmaw għażliet tal-ipproċessar tal-lejżerjispjega għaliex FR-4, ċeramika, u polyimide flex kull wieħed jitlob għal wavelength differenti u strateġija tar-raġġ. Fejn is-sorsi tal-UV jiddi - tneħħija tal-linja fina, ipproċessar selettiv ta' saff organiku-, u xogħol tal-kavità tal-fond-kontrollat ​​- it-twieqi tal-proċess huma dettaljati f'Ipproċessar bil-lejżer UV ta 'materjali tal-PCB.

Qtugħ, Scribing u Inċiżjoni

L-istess familja tar-raġġi testendi ferm lil hinn mill-bordijiet: qtugħ, drills, carves, scribes, u weldjaturi tal-mikromagni bil-lejżer madwar l-industriji tal-manifattura tat-tagħmir, tal-karozzi, tal-partijiet ta' preċiżjoni tal-avjazzjoni, u tal-mikro{0}}ipproċessar. Pjanċi taż-żennuni tal-printer tal-ink-ġett b'karatteristiċi 'l fuq minn 20 µm, orifiċi tal-injezzjoni tal-fjuwil-, u komponenti tal-arloġġ u mediċi huma kollha prodotti mill-istess proċessi ewlenin. Fl-ottika, it-trattament tal-wiċċ bil-lejżer - mikro-ippressar, illustrar, u mikro-formazzjoni assistita mill-plażma ta' ħġieġ imrattab u-ċeramika tal-ħġieġ - iffurmar mikro-elementi ottiċi li jkun impossibbli li jitħin mekkanikament. Mikro-qtugħ bil-lejżer isegwi l-istess prinċipju bħall-inċiżjoni: sors ta' frekwenza-irdoppja jew femtosecond huwa ffukat b'mod preċiż, l-input tal-enerġija huwa kkontrollat ​​sewwa, u l-materjal jitneħħa b'effett termali minimu u mingħajr burr mekkaniku. Minħabba li l-istess raġġ jibdel il-funzjoni skont is-sett ta' parametri waħdu, stazzjon wieħed spiss jissostitwixxi diversi magni konvenzjonali - ir-raġuni ewlenija li l-mikro-magni bil-lejżer sar ir-rotta default għal produzzjoni ta' taħlita-għoli, ta' preċiżjoni għolja-.

Lejżers CO₂ u YAG huma sorsi kontinwi ta'-mewġ jew ta' impulsi-tuli: huma jikkonċentraw l-enerġija biex joħolqu temperaturi lokali għoljin li jneħħu l-materjal, li joperaw essenzjalment fir-reġim termali bi preċiżjoni limitata. Lejżers excimer jużaw wavelengths qosra tal-UV biex imexxu l-interazzjoni fotokimika fuq skala mikron, iżda l-gassijiet korrużivi tagħhom huma diffiċli biex jiġu kkontrollati, u l-UV ta 'intensità għolja-degrada l-komponenti ottiċi - li jillimitaw l-adozzjoni.

L-avvanz deċiżiv ġie mill-kompressjoni tal-polz tal-lejżer fil-ħin: minn nanosekondi (10⁻⁹ s) għal pikosekondi (10⁻¹² s) għal femtosekondi (10⁻¹⁵ s), u issa fid-dominju tal-attosekondi. Il-wisa 'tal-polz hija l-parametru ewlieni tal-kwalità tal-mikro-magni - li tiddetermina l-konfini bejn il-ħsara termali u l-ablazzjoni kiesħa. Fl-industrija tal-elettronika 3C, fejn munzelli ta' film irqiq-u substrati fraġli ma jittolleraw l-ebda sħana residwa,ipproċessar bil-lejżer picosecond għall-elettronika 3Csar l-istandard tal-produzzjoni; fit-tarf estrem tal-ispettru,lasers pulsati attosecond spjegatijiddeskrivi fejn sejra r-riċerka dwar il-fiżika tal-polz-li jmiss.

Il-laser tal-polz femtosecond għandu żewġ karatteristiċi li jiddefinixxu. L-ewwel, il-polz huwa straordinarjament qasir - ftit femtosekondi, li matulhom id-dawl jippropaga biss 0.3 µm, iqsar mid-dijametru tal-biċċa l-kbira taċ-ċelloli - sabiex l-enerġija tiġi depożitata qabel ma tkun tista’ tibda t-tixrid termali. It-tieni, l-ogħla qawwa hija estremament għolja: il-konċentrazzjoni ta' mikrojoule ta' enerġija fi ftit femtosekondi fuq spot ta' 10 µm tagħti densitajiet ta' qawwa ta' l-ordni ta' 10¹⁸ W/cm², b'qawwiet tal-kamp elettriku-b'saħħithom biżżejjed biex tqaxxar l-elettroni mill-atomi direttament.

Dan jibdel il-mekkaniżmu tal-ħsara innifsu. Għal-mewġ kontinwu għal għexieren-ta'-impulsi pikosekonda, il-ħsara hija rregolata minn jonizzazzjoni tal-valanga, li tiddependi fuq id-densità tal-elettroni ħielsa inizjali {-- u minħabba li d-distribuzzjonijiet tal-impurità jvarjaw, il-limitu tal-ħsara huwa valur statistiku bi probabbiltà ta' 50%. Pulses ultrashort jaqilbu l-mekkaniżmu għal jonizzazzjoni multifoton: elettroni marbuta jassorbu diversi fotoni simultanjament u transizzjoni direttament għal-livell ħieles, sabiex il-limitu tal-ħsara ma jibqax jiddependi fuq l-istorja materjali - isir numru preċiż u riproduċibbli li jonqos hekk kif il-wisa 'tal-polz tqassar, iċċattjar fil-livell femtosecond.

Minħabba li l-limitu huwa daqshekk preċiż, l-issettjar tal-enerġija tal-lejżer eżattament f'- jew eżatt 'il fuq minn - il-limitu tal-ħsara jneħħi biss il-volum maħsub, li jippermetti l-ipproċessar sub-micron taħt il-limitu tad-diffrazzjoni. Ir-riżultat huwa intensità tad-dawl ultra-għolja, limitu baxx preċiż, żona ta' sħana negliġibbli-affetwata, u l-abbiltà tal-magni kważi kull materjal b'fedeltà sub-micron. It-teknoloġija diġà qiegħda fil-produzzjoni fuq medda wiesgħa ta 'applikazzjoni:

• Mikroelettronika u ippakkjar semikonduttur- permezz tat-tħaffir, irqiq-fil-istampar, u t-tqattigħ ta' dadi fraġli.
• Apparat fotoniku-kristall u ottiku- 3D mikro-istrutturar ta' ħġieġ u polimeri, inklużi komponenti ta' komunikazzjoni ta'-informazzjoni-għolja (klassi terabit-) ottika-tal-fibra ottika.
• Ħażna tad-dejta- arkitetturi ġodda ta' memorja ottika trid-dimensjonali miktuba punt b'punt ġewwa midja trasparenti.
• Apparat mediku u bijoinġinerija- mikro-stents, orifiċi tal-labra, laboratorju-fuq-kanali ta'-ċippa, u proċessar fil-livell-ċellulari għar-riċerka tal-bijoinġinerija.

Mikro-Tħaffir Materjali Iebsa u Fraġli

Materjali refrattorji u fraġli - molibdenu, ċeramika, u ligi tal-valvi - jegħlbu t-tħaffir konvenzjonali: l-użu tal-għodda huwa estrem, it-tixlif tat-tarf huwa komuni, u l-proporzjonijiet tal-aspetti jwaqqfu. It-tħaffir tal-femtosekondi jneħħi l-materjal permezz ta' ablazzjoni diretta mingħajr trasferiment ta' stress mekkaniku, u jipproduċi toqob nodfa, ikkontrollati taper-fl-aktar substrati iebsin. Studji ta 'applikazzjoni jinkludufemtosecond mikro-tħaffir tal-molibdenuuMakkinar tat-toqba mikro-femtosecond għal valvi tal-gass u likwidi, fejn l-orifiċji fuq skala micron-għandhom jibqgħu bla burr-fuq miljuni ta' ċikli operattivi.

Komponenti ta 'preċiżjoni u mikrofluwidi

Fejn il-ġeometrija hija l-prodott - orifiċi restrittivi, kanali mikrofluwidi, u komponenti ta' preċiżjoni ta'-valur għoli - l-ipproċessar tal-femtosekondi jagħti kemm riżoluzzjoni kif ukoll ripetibbiltà fuq skala ta' produzzjoni. L-orifiċi ta' restrizzjoni tal--arja, pereżempju, jeħtieġu dijametri eżatti u entraturi nodfa f'eluf ta' partijiet;tħaffir femtosecond għal orifiċi li jirrestrinġu l-arjajuri kif il-proċess jiskala mill-prototip għall-produzzjoni tal-massa. Fis-segment tax-xjenzi tal-ħajja-u d-dijanjostika,ipproċessar bil-lejżer femtosecond ta 'ċipep mikrofluwidijuri fabbrikazzjoni ta' kanali 3D ġewwa materjali trasparenti - kapaċità li ebda proċess mekkaniku jew termali ma jista' jaqbel.

Tnejn mill--tagħbijiet ta' xogħol tal-mikro-magni li qed jikbru malajr ġejjin mis-settur tal--enerġija nadifa. Fil-fotovoltajċi tal-film irqiq-, il-laser scribing mudelli l-assorbitur perovskite f'serje-ċelluli konnessi - P1/P2/P3 scribe lines għandhom ikunu nodfa, dojoq, u mejta-fuq preċiż fuq pannelli tal-ħġieġ kbar; araperovskite solar cell laser scribinggħat-tagħmir u r-rekwiżiti tal-proċess. Fil-manifattura tal-batteriji, l-istrutturar tal-wiċċ ikkontrollat ​​tal-kaxex taċ-ċelluli jtejjeb l-adeżjoni għal kisjiet ikkurati UV-u jtejjeb il-kuntatt tal-ġestjoni-termali; il-fluss tax-xogħol huwa spjegat fiTexturing tal-wiċċ tal-lejżer għal każijiet taċ-ċelluli tal-batterija. Meta l-għan huwa t-tindif aktar milli l-istrutturar - it-tneħħija tal-ossidi u r-residwi qabel il-kisi jew it-twaħħil - il-konfini bejn iż-żewġ operazzjonijiet tiġi ċċarata f'tindif bil-lejżer versus texturing tal-wiċċ.

Il-pjattaforma korretta hija definita minn erba' parametri: wisa' tal-polz (nanosecond, picosecond, femtosecond), wavelength (IR, aħdar, UV), enerġija tal-polz, u arkitettura ta' kunsinna tar-raġġ-. Is-sorsi nanosekondi jimmaniġġjaw il-biċċa l-kbira tal-immarkar u t-tqattigħ ta 'rutina; sistemi ta' pikosecond jipproteġu-munzelli ta' film irqiq fil-produzzjoni-elettronika tal-konsumatur; Sistemi femtosecond huma meħtieġa fejn preċiżjoni sub-mikron, HAZ żero, jew kwalità materjali fraġli-ma tkunx-negozjabbli; u wavelengths UV iżidu selettività fotokimika għall-ipproċessar ta' saff organiku-fuq bordijiet u wirjiet. Minħabba li l-għażliet jinteraġixxu, jevalwa s-sors tar-raġġ u s-sistema tal-moviment bħala unità waħda - il-qasam tal-iskannjar, l-eżattezza tal-istadju, u s-softwer tal-ipproċessar jiddeċiedu r-riżultat li jista 'jinkiseb daqs il-laser innifsu. Tagħnasistemi ta' pproċessar ta' mikro-nano laserpaġna tkopri l-konfigurazzjonijiet tal-livell tal-magna-disponibbli għal kull reġim.

Il-mikromakining bil-lejżer immatura minn teknika tal-laboratorju fis-sinsla tal-manifattura tal-mikro-elettronika, apparat mediku, ottika ta' preċiżjoni, u komponenti ta'-enerġija nadifa. It-teknoloġija tippremja l-inġiniera li jqabblu r-reġim tal-polz mal-materjal, il-wavelength mal-profil ta 'assorbiment, u l-pjattaforma għall-volum tal-produzzjoni - minn CO₂ vias u l-ipproċessar tal-bord UV għal picosecond konsumatur-xogħol elettroniku u femtosecond ablation kiesħa. Uża r-riżorsi marbuta hawn fuq biex tmur aktar fil-fond fuq kwalunkwe sub-suġġett, jew ikkuntattja lit-tim tal-inġinerija tagħna biex tiddiskuti applikazzjoni speċifika.