Công nghệ vi cơ laser phổ biến và sự phát triển của nó

Kể từ khi tia laser đầu tiên được trình diễn vào năm 1960, nghiên cứu về laser và các ứng dụng của nó đã tiến bộ nhanh chóng trên hầu hết mọi lĩnh vực kỹ thuật. Tính kết hợp cao của ánh sáng laze thúc đẩy phép đo chính xác, phân tích cấu trúc vật liệu-, lưu trữ thông tin và truyền thông quang học; tính định hướng và độ sáng cao khiến nó trở thành công cụ sản xuất cốt lõi. Khi các nguồn và quy trình laze tiếp tục phát triển, hoạt động sản xuất laze đã thâm nhập vào các ngành-công nghệ cao trong hai thập kỷ qua, dần dần thay thế hoặc biến đổi nhiều phương pháp gia công truyền thống. Năm 1987, lộ trình MEMS của Hoa Kỳ đánh dấu sự khởi đầu của nghiên cứu-máy vi mô có hệ thống - và gia công vi mô bằng laser nổi lên như một trong những công nghệ sản xuất hứa hẹn nhất cho thế giới{11}}quy mô vi mô.

Hướng dẫn này được cấu trúc như một bản đồ của toàn bộ lĩnh vực: trước tiên, chúng tôi xác định công nghệ gia công vi mô bằng laze và định vị nó dựa trên chế tạo vi mô-thông thường, sau đó tìm hiểu các ứng dụng công nghiệp chính, chuyển sang phổ xung cực nhanh - trong đó quá trình chuyển đổi nano giây{2}}sang-atto giây xác định lại ý nghĩa của độ chính xác - và kết thúc với các tiêu chí lựa chọn nền tảng-nền tảng{6}}năng lượng-sản xuất và năng lượng quan trọng nhất trong thực tế. Xuyên suốt, mọi-chủ đề phụ đều liên kết đến tài nguyên kỹ thuật chuyên dụng từ thư viện của chúng tôi, vì vậy bạn có thể chuyển từ tổng quan sang tham số quy trình trong một đường dẫn đọc liên tục.

Gia công vi mô đề cập đến việc chế tạo các tính năng, lỗ, kênh và cấu trúc ở quy mô micron và -micron phụ. Các lộ trình sản xuất hiện nay thuộc bốn nhóm lớn: xử lý chất bán dẫn, LIGA (đúc thạch bản-đúc điện-), gia công cơ khí siêu chính xác-và gia công đặc biệt -, nhóm cuối cùng loại bỏ phân tử vật liệu theo phân tử hoặc nguyên tử theo nguyên tử thông qua tương tác năng lượng trực tiếp. Gia công đặc biệt được thúc đẩy bởi năng lượng điện, nhiệt, quang, âm thanh hoặc hóa học, với các cách triển khai phổ biến nhất là EDM, gia công siêu âm, gia công chùm tia điện tử, gia công chùm tia ion- và gia công điện hóa.

Gia công vi mô bằng laze là thành viên quang học của dòng này: chùm tia laze hội tụ cung cấp năng lượng trực tiếp đến thể tích mục tiêu, làm bay hơi hoặc mài mòn vật liệu mà không tiếp xúc với dụng cụ vật lý, không làm mòn dụng cụ và có vùng ảnh hưởng nhiệt cực nhỏ. Đặc điểm nổi bật của nó là "ghi trực tiếp" - quy trình này đơn giản hóa các đường chạy dao thành một đường dẫn quang duy nhất, cho phép tạo nguyên mẫu nhanh chóng các thiết bị vi mô-không cần mặt nạ trong nhiều trường hợp. Bởi vì nó không tạo ra hóa chất ăn mòn hoặc mảnh vụn cơ học nên nó thường được mô tả là một quy trình sản xuất xanh. Để có phần giới thiệu có hệ thống về cách gia công chính xác bằng laser phù hợp với dây chuyền sản xuất hiện đại, hãy xem tổng quan của chúng tôi vềcông nghệ gia công chính xác bằng laser.

Việc lựa chọn giữa laser và xử lý vi mô thông thường-tùy thuộc vào yêu cầu về vật liệu, hình học và thông lượng. Ma trận dưới đây tóm tắt những khác biệt thực tế:

Quá trình xử lý bằng laser được so sánh thuận lợi nhất khi độ chính xác, tốc độ và tính linh hoạt đáp ứng: nó không-tiếp xúc, không bị che- và có thể khoan, cắt, khắc, khắc, hàn và kết cấu bằng cùng một chùm tia chỉ bằng cách thay đổi các tham số. Khi câu hỏi là lựa chọn độ dài xung -, quyết định mang tính hệ quả nhất trong khoan vi mô-{6}}, sự khác biệt giữa chế độ xung dài- và cực nhanh sẽ được khám phá trongso sánh kỹ thuật khoan vi mô-laser femto giây và nano giây.

Bao bì mật độ-Vias và mật độ cao-

Khi các sản phẩm điện tử chuyển sang tính di động và thu nhỏ, mật độ thông tin-khối lượng đơn vị và tốc độ xử lý thời gian-đơn vị đã đẩy công nghệ đóng gói vi điện tử đến giới hạn của nó. Một điện thoại thông minh hoặc máy ảnh kỹ thuật số hiện đại mang khoảng 1.200 kết nối trên mỗi cm vuông. Chìa khóa để nâng cao chất lượng đóng gói chip-là lỗ micro-thông qua - xuyên qua-để kết nối các lớp dây, cung cấp các liên kết tốc độ cao giữa-các thiết bị được gắn trên bề mặt và bảng tín hiệu bên dưới, đồng thời thu nhỏ diện tích đóng gói một cách hiệu quả.

Trong thiết kế PCB nhiều{0}}lớp, vias là xương sống của kết nối mật độ-cao. Chi phí khoan thường chiếm 30–40% tổng chi phí sản xuất PCB và các nhà thiết kế muốn-vias nhỏ hơn bao giờ hết: các lỗ nhỏ hơn sẽ giải phóng không gian định tuyến và hoạt động tốt hơn trong các mạch-tốc độ cao. Khoan cơ học thông thường chạm đáy ở khoảng 100 µm -, thấp hơn rất nhiều so với yêu cầu của các thiết kế dày đặc. Khoan bằng laser thu hẹp khoảng cách, với các nguồn CO₂ và UV thường xuyên tạo ra 30–40 µm vias và các cấu hình nâng cao đạt ~10 µm. Để xử lý có cấu trúc phổ khoan, hãy bắt đầu vớicông nghệ khoan laser công nghiệp, sau đó hãy xem cơ chế vật lý tương tự áp dụng như thế nào đối với gốm cứng trongkhoan vi mô bằng laze-của gốm bán dẫn.

Gia công vi mạch PCB và FPC-

Ngoài vias, quy trình xử lý bằng laser thực hiện toàn bộ ô công việc PCB/FPC - thông qua việc khoan, cắt phác thảo, khử bảng và khắc được kiểm soát độ sâu-trên bảng cứng, mạch uốn và chất nền HDI. Bề rộng của ứng dụng này được bao phủ trongứng dụng laser cho sản xuất PCB và FPC, trong khicách các loại PCB định hình các lựa chọn xử lý lasergiải thích tại sao FR{2}}4, gốm và polyimide uốn cong mỗi yêu cầu cần có chiến lược chùm tia và bước sóng khác nhau. Trong đó nguồn UV tỏa sáng - loại bỏ nếp nhăn, xử lý chọn lọc lớp-hữu cơ và công việc khoang sâu-được kiểm soát - các cửa sổ quy trình được trình bày chi tiết trongXử lý laser UV của vật liệu PCB.

Cắt, viết nguệch ngoạc và khắc

Dòng chùm tia tương tự vượt xa các bảng mạch: cắt, khoan, khắc, khắc và hàn bằng vi cơ bằng laze trong các ngành sản xuất thiết bị, ô tô, bộ phận chính xác hàng không và các ngành công nghiệp xử lý vi mô. Đĩa phun mực-của máy in phun có đặc điểm trên 20 µm, lỗ phun nhiên liệu-cũng như các bộ phận đồng hồ và y tế đều được sản xuất theo cùng một quy trình cốt lõi. Trong quang học, việc xử lý bề mặt bằng laser - quá trình ép vi mô-, đánh bóng và plasma-hỗ trợ việc tạo hình vi mô-của thủy tinh mềm và thủy tinh{10}}gốm sứ - tạo hình các phần tử quang học vi mô-không thể mài bằng máy. Việc cắt vi{14}}bằng laser tuân theo nguyên tắc tương tự như khắc: nguồn tần số-tăng gấp đôi hoặc femto giây được tập trung chính xác, năng lượng đầu vào được kiểm soát chặt chẽ và vật liệu được loại bỏ với hiệu ứng nhiệt tối thiểu và không có gờ cơ học. Bởi vì cùng một chùm tia thay đổi chức năng chỉ bằng tham số đã đặt, nên một trạm thường thay thế một số máy thông thường - lý do chính khiến việc gia công vi mô bằng laser{18}}đã trở thành lộ trình mặc định cho quá trình sản xuất-hỗn hợp cao, độ chính xác{20}}cao.

Laser CO₂ và YAG là các nguồn xung-hoặc sóng dài-liên tục: chúng tập trung năng lượng để tạo ra nhiệt độ cục bộ cao giúp mài mòn vật liệu, hoạt động chủ yếu ở chế độ nhiệt với độ chính xác hạn chế. Laser Excimer sử dụng bước sóng UV ngắn để thúc đẩy tương tác quang hóa ở quy mô micron, nhưng khí ăn mòn của chúng rất khó kiểm soát và tia UV cường độ-cao làm suy giảm các thành phần quang học - hạn chế việc sử dụng.

Bước tiến mang tính quyết định đến từ việc nén xung laser theo thời gian: từ nano giây (10⁻⁹ s) đến pico giây (10⁻¹² s) đến femto giây (10⁻¹⁵ s), và bây giờ là miền atto giây. Độ rộng xung là thông số chính của chất lượng gia công vi mô--, nó xác định ranh giới giữa hư hỏng do nhiệt và mài mòn nguội. Trong ngành điện tử 3C, nơi các lớp màng mỏng-và chất nền giòn không chịu được nhiệt dư,xử lý laser pico giây cho thiết bị điện tử 3Cđã trở thành tiêu chuẩn sản xuất; ở cực cuối của quang phổ,giải thích về laser xung atto giâymô tả nơi tiếp theo mà nghiên cứu vật lý{0}}xung sẽ hướng tới.

Laser xung femto giây có hai đặc điểm xác định. Đầu tiên, xung cực kỳ ngắn - vài femto giây, trong thời gian đó ánh sáng chỉ truyền đi 0,3 µm, ngắn hơn đường kính của hầu hết các tế bào - nên năng lượng được tích tụ trước khi quá trình khuếch tán nhiệt có thể bắt đầu. Thứ hai, công suất cực đại cực kỳ cao: tập trung một microjoule năng lượng vào vài femto giây trên một điểm 10 µm mang lại mật độ năng lượng vào khoảng 10¹⁸ W/cm², với cường độ điện trường-đủ mạnh để tách electron khỏi nguyên tử một cách trực tiếp.

Điều này làm thay đổi cơ chế thiệt hại. Đối với sóng-liên tục đến hàng chục-xung{{3} pico giây, thiệt hại bị chi phối bởi quá trình ion hóa tuyết lở, điều này phụ thuộc vào mật độ electron-tự do ban đầu - và do sự phân bố tạp chất khác nhau nên ngưỡng thiệt hại là một giá trị thống kê với xác suất 50%. Các xung siêu ngắn chuyển cơ chế sang ion hóa đa photon: các electron liên kết hấp thụ đồng thời một số photon và chuyển trực tiếp sang mức tự do, do đó ngưỡng thiệt hại không còn phụ thuộc vào lịch sử vật chất - nó trở thành một con số chính xác, có thể tái tạo và giảm khi độ rộng xung rút ngắn, phẳng ra ở mức femto giây.

Vì ngưỡng này rất chính xác nên việc đặt năng lượng laser chính xác ở mức - hoặc ngay trên - ngưỡng thiệt hại chỉ làm giảm khối lượng dự định, cho phép xử lý-micron phụ dưới giới hạn nhiễu xạ. Kết quả là có được-cường độ ánh sáng cực cao, ngưỡng thấp chính xác, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt-không đáng kể và khả năng gia công hầu hết mọi vật liệu có độ chính xác dưới-micron. Công nghệ này đã được sản xuất trên một phạm vi ứng dụng rộng rãi:

• Bao bì vi điện tử & bán dẫn- thông qua việc khoan, vạch{1}}màng mỏng và cắt các khuôn giòn.
• Thiết bị quang học và-tinh thể quang tửCấu trúc - 3D vi mô-của thủy tinh và polyme, bao gồm các thành phần truyền thông sợi quang-thông tin-cao (loại{4}}terabit)-sợi quang.
• Lưu trữ dữ liệu- kiến ​​trúc bộ nhớ quang ba{{1} chiều mới được viết từng điểm một bên trong phương tiện trong suốt.
• Thiết bị y tế & công nghệ sinh học- ống đỡ động mạch siêu nhỏ-, lỗ kim, phòng thí nghiệm-trên-a-chip và xử lý cấp độ tế bào-cho nghiên cứu kỹ thuật sinh học.

Micro-Khoan vật liệu cứng và giòn

Vật liệu chịu lửa và giòn - molypden, gốm sứ và hợp kim van - đánh bại quá trình khoan thông thường: độ mòn dụng cụ cực kỳ cao, thường xuyên bị sứt mẻ cạnh và tỷ lệ khung hình bị đình trệ. Khoan femto giây loại bỏ vật liệu bằng cách mài mòn trực tiếp mà không truyền ứng suất cơ học, tạo ra các lỗ sạch,{3}}được kiểm soát côn ngay cả trên các chất nền cứng nhất. Nghiên cứu ứng dụng bao gồmmicro femto giây-khoan molypdenVàgia công lỗ vi mô femto giây-cho van khí và van lỏng, trong đó các lỗ có kích thước micron-phải không có gờ-trong hàng triệu chu kỳ hoạt động.

Linh kiện chính xác và vi lỏng

Trong đó hình học là các lỗ hạn chế - của sản phẩm, các kênh vi lỏng và các thành phần có độ chính xác-có giá trị cao - tính năng xử lý femto giây mang lại cả độ phân giải và khả năng lặp lại ở quy mô sản xuất. Ví dụ: các lỗ hạn chế ổ trục không khí yêu cầu đường kính chính xác và lối vào sạch sẽ trên hàng nghìn bộ phận;khoan femto giây cho các lỗ hạn chế mang không khícho thấy quy mô của quy trình từ nguyên mẫu đến sản xuất hàng loạt như thế nào. Trong phân đoạn chẩn đoán và-khoa học đời sống,xử lý laser femto giây của chip vi lỏngtrình diễn việc chế tạo kênh 3D bên trong các vật liệu trong suốt - một khả năng mà không quy trình cơ học hoặc nhiệt nào có thể sánh được.

Hai trong số những khối lượng công việc gia công vi mô-tăng trưởng nhanh nhất đến từ lĩnh vực năng lượng-sạch. Trong-quang điện màng mỏng, tia laser tạo khuôn cho bộ hấp thụ perovskite thành chuỗi-các ô được kết nối - Các đường ghi vạch P1/P2/P3 phải rõ ràng, hẹp và chết-chính xác trên các tấm kính lớn; nhìn thấyghi chép bằng laser pin mặt trời perovskiteđối với các yêu cầu về thiết bị và quy trình. Trong sản xuất pin, việc tạo kết cấu bề mặt được kiểm soát của vỏ tế bào giúp cải thiện độ bám dính cho lớp phủ-được xử lý bằng tia UV và tăng cường khả năng tiếp xúc quản lý nhiệt-; quy trình làm việc được giải thích trongkết cấu bề mặt bằng laser cho vỏ pin. Khi mục tiêu là làm sạch thay vì cấu trúc - loại bỏ oxit và cặn trước khi phủ hoặc liên kết - ranh giới giữa hai hoạt động được làm rõ tronglàm sạch bằng laser so với kết cấu bề mặt.

Nền tảng chính xác được xác định bởi bốn tham số: độ rộng xung (nano giây, pico giây, femto giây), bước sóng (IR, xanh lục, UV), năng lượng xung và cấu trúc phân phối chùm tia. Nguồn nano giây xử lý hầu hết việc đánh dấu và cắt thông thường; hệ thống pico giây bảo vệ các lớp màng mỏng-trong sản xuất đồ điện tử tiêu dùng-; Cần có hệ thống femto giây khi chất lượng vật liệu-micron nhỏ, không có HAZ hoặc dễ vỡ-là không thể-thương lượng được; và bước sóng UV tăng thêm tính chọn lọc quang hóa cho quá trình xử lý lớp-hữu cơ trên bo mạch và màn hình. Bởi vì các lựa chọn tương tác với nhau, hãy đánh giá nguồn chùm tia và hệ thống chuyển động dưới dạng một đơn vị - trường quét, độ chính xác của giai đoạn và phần mềm xử lý quyết định kết quả có thể đạt được cũng như chính tia laser. Của chúng tôihệ thống xử lý laser nano vi mô-chính xáctrang bao gồm các cấu hình cấp độ máy có sẵn cho từng chế độ.

Gia công vi mô bằng laser đã phát triển từ một kỹ thuật trong phòng thí nghiệm thành xương sống của ngành sản xuất vi-điện tử, thiết bị y tế, quang học chính xác và các thành phần năng lượng sạch-. Công nghệ này trao thưởng cho các kỹ sư kết hợp chế độ xung với vật liệu, bước sóng với cấu hình hấp thụ và nền tảng với khối lượng sản xuất - từ quá trình xử lý CO₂ vias và UV cho đến hoạt động điện tử tiêu dùng pico giây-và quá trình cắt bỏ lạnh femto giây. Sử dụng các tài nguyên được liên kết ở trên để tìm hiểu sâu hơn về bất kỳ-chủ đề phụ nào hoặc liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi để thảo luận về một ứng dụng cụ thể.