Лазерный мир

Вятлев П.А., Шеманов А.Г., Горный С.Г., Юдин К.В., Григорьев П.С., Мишин Ю.Н. // Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, вып. 9. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2022-9-2208

Рассмотрены особенности фотолитографической технологии производства фольговых электронагревателей для космических аппаратов. Представлены потенциальные преимущества лазерной технологии формирования фольгового электронагревателя. С использованием лазерного излучения изготовлен полноценный меандр из константановой фольги на гибкой подложке из арамидной ткани, пропитанной лаком ЭП-730, в качестве заготовки для фольгового электронагревателя системы обеспечения теплового режима космического аппарата. Проведена оценка степени испарения константана между токопроводящими дорожками, целостности и диэлектрических свойств подложки. Приведены результаты исследования полученных образцов методами спектрального анализа, визуально-оптического контроля и измерения сопротивления изоляции. В выводах представлена оценка преимущества применения лазерной обработки при формировании нагревательного элемента, а именно: сокращение количества технологических операций, снижение трудоемкости, повышение точности геометрии конструкции и улучшение условий охраны труда персонала.

Введение. В настоящее время для производства фольговых электронагревателей систем обеспечения тепловых режимов космических аппаратов [1] в АО «НПО Лавочкина» используется фотолитографическая технология, включающая в себя ряд операций по созданию фотошаблона и травления металлической фольги, для формирования токопроводящего рисунка. Ранее, в 2020 г., инженерами АО «НПО Лавочкина» было выдвинуто предположение о возможности использования лазерного излучения для создания топологии резистивного элемента [2], выполненного из константановой фольги на подложке из арамидной ткани, пропитанной лаком ЭП-730. Основными сложностями в реализации данного метода представлялись необходимость испарения части поверхностного металлического слоя без повреждения электроизоляционной подложки и недопустимость отслоения материала резистивного элемента от подложки.

По сравнению с фотолитографией предлагаемый способ обработки тонкопленочного металлического слоя лазерным излучением [3, 4] обладает рядом преимуществ: сокращение технологических операций; исключение химически вредных технологических операций; бесконтактная (чистая) технология изготовления; высокое качество и точность изготовляемых изделий; высокая универсальность (пере-страиваемость на изделия нового типа) лазерного оборудования.

В 2021 г. инженерами АО «НПО Лавочкина» совместно со специалистами ООО «Лазерный центр» были проведены эксперименты по изготовлению фольгового электронагревателя, используя лазерное излучение. В рамках настоящей публикации, посвященной итогам проведенной экспериментальной работы по обработке металлических тонкопленочных структур, приведены оборудование, на котором реализован данный проект; практические результаты в виде фотографий изготовленных образцов и методы оценки качества полученных образцов.

Требования к выполнению экспериментальных работ. Инженерами АО «НПО Лавочкина» было разработано техническое задание «Экспериментальные исследования о возможности применения лазерного излучения в производстве тонких металлопленочных устройств для космической техники», в котором отражены цели проводимых экспериментов, основные из них приведены ниже:

— провести исследования на предмет возможности обработки металлических тонкопленочных структур (толщиной металлического слоя 3; 8; 10; 20 мкм) лазерами различных типов (С02-лазер, волоконный лазер, УФ-лазер). Определить, позволяет ли лазерное излучение удалять металлы и их сплавы (константан) с поверхности диэлектриков (арамидная ткань, пропитанная лаком ЭП-730), создавая нужную топологию проводников и не нарушая при этом диэлектрические свойства подложек;

— по результатам проведенного исследования, описанного в предыдущем пункте, сформировать на заготовках с металлическим слоем различной толщины топологию проводника в виде элемента меандра (рис. 1) и оценить их на предмет отсутствия отслоения резистивного элемента от подложки

по результатам проведенных работ, описанных в предыдущем пункте, сформировать полноценный меандр [5] на заготовке с толщиной металлического слоя 8 мкм одним из вышеуказанных типов лазера, показавшим лучшее качество изготовления резистивного элемента.

Экспериментальные результаты. Все работы выполняли на системе прецизионной обработки материалов электронной техники серии МикроСЕТ [6], оснащенной импульсным волоконным лазером МОРА с длиной волны 1,064 мкм мощностью 30 Вт производства ООО «НТО «ИРЭ-Полюс» с использованием программного обеспечения МахЮгаГ (рис. 2) [7].

Рис. 2. МикроСЕТ — система прецизионной лазерной микрообработки материалов электронной техники

Ультрафиолетовый (УФ) и газовый (СО2) лазеры для исследований не применялись, так как, по экспертному мнению специалистов технологического отдела ООО «Лазерный Центр», их использование для обработки материалов заказчика нецелесообразно.

Излучение СО2-лазеров с длиной волны 10,6 мкм хорошо отражается металлическими поверхностями и, кроме того, излучение СО2-лазеров трудно преобразовать в импульсы малой длительности и большой частоты. Стандартные, доступные для обработки материалов СО2-лазеры работают в непрерывном или квазинепрерывном режиме. Это не позволяет производить точно дозированный ввод энергии в материал, в результате чего происходит локальный перегрев материала и управлять таким процессом практически невозможно.

Излучение УФ-лазеров хорошо фокусируется и поглощается большинством металлических материалов, однако достаточно мощные УФ-лазеры с широким диапазоном импульсных характеристик редки, дорого стоят, для их обслуживания требуются специалисты высокой квалификации.

Поэтому в текущей ситуации использование УФ- и СО2-лазеров нецелесообразно как с технической, так и с экономической стороны.

В ходе выполнения экспериментальных работ была проведена лазерная обработка металлических тонкопленочных структур с металлическим слоем различной толщины (3; 8; 10; 20 мкм). Определено, что применение оборудования МикроСЕТ позволяет удалять нанесенный на арамидную ткань, пропитанную лаком ЭП-730, металлический слой. По результатам проведенного исследования на тестовых образцах с различной толщиной металлического слоя получены элементы меандра, примеры которых приведены на рис. 3.

Рис. 3. Элементы меандра фольгового электронагревателя

После изучения полученных элементов меандра и подтверждения отсутствия отслоения резистивного элемента от подложки были изготовлены полноценные меандры, пример которых представлен на рис. 4.

Рис. 4. Полноценный меандр фольгового электронагревателя

Характеристики лазерного излучения и скорость испарения константана. Во время обработки заготовок лазерным лучом были использованы мульти-проходные режимы с динамически изменяющимися параметрами лазерного излучения

Заключение.

Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что согласно экспертной оценке [3, 6] лазерная технология изготовления электронагревателей для космических аппаратов позволяет:

– сократить сроки и трудоемкость технологического процесса изготовления электронагревателя;
– повысить точность конструктивных параметров;
– уменьшить влияние предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны на персонал в случае перевода некоторых технологических операций от фотолитографических к лазерным методам.

На основе предварительного анализа результатов проведенных экспериментальных работ можно сделать вывод о возможности применения лазерного излучения в отдельных технологических операциях [10] при производстве тонких металлопленочных устройств для обеспечения теплового режима космического аппарата.

Благодарности. Авторы благодарны ведущему инженеру АО «НПО Лавочкина» Тамаре Степановне Аптуковой за помощь в обработке полученных результатов.

Полное содержание статьи на https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-kachestva-meandra-folgovogo-elektronagrevatelya-kosmicheskogo-naznacheniya-izgotovlennogo-s-ispolzovaniem-lazernogo/viewer