Лазерный мир

Метод позволяет просверлить отверстия диаметром 10 мкм

Юджи Имамия, САТОРУ АКАМА, ЙОШИХИТО ФУЖИТА и ХАРУХИКО НИИТАНИ

В последние годы метод микрообработки с использованием короткоимпульсного коротковолнового лазера привлек внимание в связи с растущим спросом на дальнейшую миниатюризацию и повышенным качеством ультрапрецизионной обработки. Использование лазера на пикосекундном импульсе позволяет абляцию без тепловых эффектов, добиваясь высокоточного изготовления с превосходным качеством. Кроме того, использование коротковолнового лазера может уменьшить диаметр пятна лазерного луча, что обеспечивает более тонкое изготовление.

В настоящее время популярными короткоимпульсными лазерами для микрообработки являются зеленые лазеры (532 нм), за которыми следуют ультрафиолетовые (УФ) лазеры (355 нм). С другой стороны, ультрафиолетовые (DUV) лазеры на 266 нм не были широко использованы из-за трудностей в обращении.

В Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool мы разработали винтовую систему бурения, в которой используется лазер DUV. С его помощью мы провели испытания на сверление отверстий, в которых мы достигли отверстия в отверстии диаметром 10 мкм с коэффициентом формы 10. Кроме того, из-за высокой энергии фотонов на DUV-лазере было выполнено высококачественное сверление отверстий на материале заготовки, для которого прецизионная обработка и изготовление на основе химических воздействий чрезвычайно сложны. Это происходит из-за его высокой степени твердости и химической стабильности.

            Лазерная фокусирующая система DUV

При лазерной микрообработке лазерный луч фокусируется на поверхности целевой детали, а облученная часть заготовки удаляется энергией фотона. Когда диаметр сфокусированного лазерного пятна меньше, площадь, удаляемая лазерным излучением, также уменьшается, что увеличивает качество микрообработки. Существует множество способов достижения меньшего сфокусированного диаметра лазерного пятна, например, использование коротковолнового лазера, увеличение диаметра пучка перед фокусировкой и сокращение фокусного расстояния.

Однако, когда длина волны лазерного излучения достигает УФ-диапазона, поглощение лазера через стеклянные материалы увеличивается. Поэтому необходимо облегчить нагрузку на материалах оптических элементов, таких как линза. В других методах угол сходимости большой, что может вызвать разрыв в размере отверстия между его входом и выходом и уменьшить фокусную глубину, ограничивая форму отверстия, создаваемого сверлением.

Недавно разработанная оптическая лазерная фокусирующая система была принята для DUV-лазера. Долговечность объектива обеспечивалась путем предварительной проверки долговечности лазерного луча DUV стекла, используемого для оптического элемента, при выборе оптимального материала стекла и установлении соответствующей интенсивности лазерного облучения. Кроме того, путем оптимизации фокусного расстояния и формы линзы угол сходимости минимизируется и достигается большая фокусная глубина, а сфокусированный диаметр лазерного пятна остается очень малым.

            Экспериментальные показатели абляции

Для сравнения и оценки их характеристик были определены коэффициенты абляции лазерного луча DUV и зеленого лазерного луча (515 нм) с различными материалами (РИСУНОК 1). В качестве заготовок были изготовлены монокристаллическая пластина из карбида кремния (SiC), боросиликатное стекло и нержавеющая сталь. Эти материалы были индивидуально облучены фокусированным DUV или зеленым лазерным лучом только одним импульсом (РИС. 2).

РИСУНОК 1. Показана глубина изготовления отдельных материалов, соответствующая энергетической интенсивности DUV и зеленого лазера, где нормированные значения используются для вертикальной и горизонтальной осей; Все диаграммы используют единый масштаб.

Затем измеряли максимальную глубину отверстия, полученную облучением. Коэффициенты абляции для каждого материала были получены путем проведения облучения и измерения с различными уровнями энергии импульса. Вертикальная ось диаграммы на фиг. 1 указывает глубину изготовления, тогда как горизонтальная ось представляет собой интенсивность энергии в центральной части облученного лазерного луча.

Когда сравнивались скорости абляции между DUV и зелеными лазерными лучами, лазерные лучи DUV были выше в каждом материале. Лазерный луч DUV также добился большей скорости абляции для материала SiC, который имеет большую запрещенную зону. Как правило, при индуцировании абляции с помощью короткоимпульсного лазера энергия фотонов лазерного луча должна быть выше, чем ширина запрещенной зоны материала заготовки.

РИСУНОК 2. Монокристаллическая SiC-пластина (а), боросиликатные стекла (b и c) и нержавеющая сталь (d) были индивидуально облучены фокусированным DUV или зеленым лазерным лучом только одним импульсом.

Поскольку энергия фотонов обратно пропорциональна длине волны лазера, энергия фотонов пучка DUV-лазера примерно в два раза выше по сравнению с зеленым лазером и превосходит ширину запрещенной зоны материала SiC. Поэтому явления абляции на материале SiC могут быть полностью вызваны лучом лазерного пучка DUV. При использовании DUV-лазера была получена высокая скорость абляции для боросиликатного стекла. Соответственно, предполагается, что энергия фотонов луча DUV-лазера в значительной степени способствовала этой высокой скорости абляции.Вышеприведенные результаты подтвердили превосходство DUV-лазера над зеленом лазерном пучком, а также позволили оценить оптимальное количество импульсов, необходимое для получения глубины изготовления, необходимой для отдельных материалов. Таким образом, достигается более высокое качество сверления и оптимизированные скорости бурения.
            Особенности спирального сверленияПеркуссионное бурение, широко используемое для микрообработки, представляет собой метод сверления отверстий путем облучения импульсным лазерным лучом в неподвижном месте, не позволяя лучу двигаться или вращаться. Поэтому, поскольку профиль лазерного пятна непосредственно проявляется  на заготовках, трудно просверлить отверстия с высокой точностью.В качестве альтернативы, в испытании на сверление отверстий, описанном ранее, использовался метод спирального сверления. Спиральное сверление выполняется, точно вращая контур лазерного луча с высокой скоростью, что позволяет сверлить с высокой округлостью и качеством. Кроме того, разработанная нами оптическая головка позволяет контролировать угол падения, а также диаметр вращения лазерного луча, который может достигать любого диаметра отверстия и формы поперечного сечения.             Примеры микрообработкиИспользуя характеристики сверления, полученные в результате описанного выше одноимпульсного исследования облучения, были определены условия лазерного облучения, на основании которых сверление отверстий проводилось на нержавеющей стали (SUS304, толщина 0,2 мм) и монокристаллической SiC-пластине (толщина: 0,1 мм). Кроме того, на боросиликатном стекле (толщина 0,7 мм) проводили микроразрушение.РИСУНОК 3 показывает образцы бурения отверстий и микроотталкивания. Круглость обоих отверстий была превосходной, что указывает на то, что сверление с высокой точностью формы было достигнуто методом спирального бурения. Кроме того, внутренние поверхности отверстий и канавки были плавными и свободными от повторно расплавленного вещества, что подтвердило, что абляция с уменьшенными тепловыми эффектами была достигнута не только из нержавеющей стали, но и из пластины SiC и боросиликатного стекла.

РИСУНОК 3. Примеры сверления отверстий и микрорезки включают прямое отверстие (а), коническое отверстие (б), обратное коническое отверстие (с) и отверстие перпендикулярного падения (d).

Используя лазерный луч DUV и оптимизированную оптическую систему и точно контролируя траекторию пучка, мы достигли высококачественных просверленных отверстий диаметром 10 мкм с соотношением сторон 10 и 10 мкм и глубоким микроотверстием, которое обычно было очень тяжелым для достижения.
            ВыводыЧтобы удовлетворить потребность в более тонкой лазерной микрообработке, мы разработали оптическую систему, которая использует короткоимпульсный DUV-лазер, с помощью которого были определены характеристики сверления различных материалов. Кроме того, был проведен  тест микрообработки с DUV-лазером и методом спирального сверления, который обеспечил сверхтонкое сверление отверстий диаметром не менее 10 мкм и коэффициентом формы не более 10.

РИСУНОК 4. Система микрообработки ABLASER-DUV оснащена короткоимпульсным DUV-лазером.Эта лазерная оптическая система установлена в системе микрообработки ABLASER-DUV (рисунок 4).

Мы планируем продолжить техническое развитие, чтобы мы могли предложить оптимальные решения, чтобы удовлетворить потребность в более тонкой микрообработке с более высоким качеством в различных областях промышленности.

ССЫЛКИ

• K. Nakagawa et al., «Microdrilling technology using short pulsed-laser,»Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, 52, 3 (2015).
• Y. Imamiya et al., «Development of microfabrication technology using DUV laser,»Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, 53, 4 (2016).
• Seehttps://goo.gl/fchdjw.
• Seehttps://goo.gl/HGRXit.

http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-32/issue-3/features/deep-uv-technology-benefits-laser-microfabrication.html