Även om ultrasnabba lasrar har funnits i decennier, har industriella tillämpningar vuxit snabbt under de senaste två decennierna. Under 2019, marknadsvärdet av ultrasnabblasermaterialbearbetningen var cirka 460 miljoner USD, med en sammansatt årlig tillväxttakt på 13 %. Användningsområden där ultrasnabba lasrar framgångsrikt har använts för att bearbeta industriella material inkluderar fotomasktillverkning och reparation inom halvledarindustrin samt kiseltärning, glasskärning/ritning och (indiumtennoxid) ITO-filmborttagning i hemelektronik som mobiltelefoner och surfplattor , kolvtexturering för bilindustrin, tillverkning av kranskärlsstent och tillverkning av mikrofluidanordningar för den medicinska industrin.
01 Tillverkning och reparation av fotomasker inom halvledarindustrin
Ultrasnabba lasrar användes i en av de tidigaste industriella tillämpningarna inom materialbearbetning. IBM rapporterade tillämpningen av femtosekundlaserablation i fotomaskproduktion på 1990-talet. Jämfört med nanosekundlaserablation, som kan ge metallstänk och glasskador, visar femtosekundlasermasker inga metallstänk, inga glasskador, etc. Fördelarna. Denna metod används för att producera integrerade kretsar (IC). Att producera ett IC-chip kan kräva upp till 30 masker och kosta >100 000 USD. Femtosekundlaserbehandling kan bearbeta linjer och punkter under 150nm.
Figur 1. Tillverkning och reparation av fotomasker
Figur 2. Optimeringsresultat av olika maskmönster för extrem ultraviolett litografi
02 Silikonskärning i halvledarindustrin
Tärning av kiselskivor är en standardtillverkningsprocess inom halvledarindustrin och utförs vanligtvis med hjälp av mekanisk tärning. Dessa skärskivor utvecklar ofta mikrosprickor och är svåra att skära tunna (t.ex. tjocklek < 150 μm) wafers. Laserskärning av kiselskivor har använts i halvledarindustrin i många år, särskilt för tunna skivor (100-200μm), och utförs i flera steg: laserskärning, följt av mekanisk separation eller smygskärning (dvs. infraröd laserstråle inuti kiselritningen) följt av mekanisk tejpseparering. Nanosekundspulslasern kan bearbeta 15 wafers per timme, och pikosekundlasern kan bearbeta 23 wafers per timme, med högre kvalitet.
03 Glasskärning/ritsning inom elektronikindustrin för förbrukningsvaror
Pekskärmar och skyddsglasögon för mobiltelefoner och bärbara datorer blir allt tunnare och vissa geometriska former är böjda. Detta gör traditionell mekanisk skärning svårare. Typiska lasrar ger vanligtvis dålig skärkvalitet, särskilt när dessa glasskärmar staplas 3-4 lager och det översta 700 μm tjocka skyddsglaset är härdat, vilket kan gå sönder med lokal stress. Ultrasnabba lasrar har visat sig kunna skära dessa glasögon med bättre kantstyrka. För skärning av stora platta paneler kan femtosekundlasern fokuseras på den bakre ytan av glasskivan, och repar insidan av glaset utan att skada den främre ytan. Glaset kan sedan krossas med hjälp av mekaniska eller termiska medel längs det skårade mönstret.
Figur 3. Picosecond ultrasnabb laserglas specialformad skärning
04 Kolvtexturer i bilindustrin
Lätta bilmotorer är gjorda av aluminiumlegeringar, som inte är lika slitstarka som gjutjärn. Studier har funnit att femtosekundlaserbearbetning av bilkolvtexturer kan minska friktionen med upp till 25 % eftersom skräp och olja kan lagras effektivt.
Figur 4. Femtosekundlaserbearbetning av bilmotorkolvar för att förbättra motorns prestanda
05 Tillverkning av kranskärlsstent inom medicinindustrin
Miljontals kranskärlsstentar implanteras i kroppens kranskärl för att öppna en kanal för blod att flöda in i annars koagulerade kärl, vilket räddar miljontals liv varje år. Kranskärlsstentar är vanligtvis gjorda av metalltrådsnät (t.ex. rostfritt stål, nickel-titan-formminneslegering eller på senare tid kobolt-kromlegering) med en stagbredd på cirka 100 μm. Jämfört med laserskärning med lång puls är fördelarna med att använda ultrasnabba lasrar för att skära konsoler hög skärkvalitet, bättre ytfinish och mindre skräp, vilket minskar kostnaderna för efterbearbetning.
06 Tillverkning av mikroflödesanordningar för den medicinska industrin
Mikrofluidiska enheter används ofta inom den medicinska industrin för sjukdomstestning och diagnos. Dessa tillverkas vanligtvis genom mikroformsprutning av enskilda delar och sedan limning med limning eller svetsning. Ultrasnabb lasertillverkning av mikrofluidiska enheter har fördelen att producera 3D-mikrokanaler i transparenta material som glas utan behov av anslutningar. En metod är ultrasnabb lasertillverkning inuti ett bulkglas följt av våtkemisk etsning, och en annan är femtosekundlaserablation inuti glas eller plast i destillerat vatten för att ta bort skräp. Ett annat tillvägagångssätt är att bearbeta kanaler i glasytan och täta dem med ett glasskydd via femtosekundlasersvetsning.
Figur 6. Femtosekund laserinducerad selektiv etsning för att förbereda mikrofluidkanaler inuti glasmaterial
07 Mikroborrning av injektormunstycke
Femtosekund lasermikrohålsbearbetning har ersatt mikro-EDM hos många företag på högtrycksinjektormarknaden på grund av större flexibilitet vid ändring av flödeshålsprofiler och kortare bearbetningstider. Möjligheten att automatiskt styra strålens fokusposition och lutning genom ett avsökningshuvud har lett till utformningen av bländarprofiler (t.ex. cylinder, flare, konvergens, divergens) som kan främja finfördelning eller penetration i förbränningskammaren. Borrtiden beror på ablationsvolymen, med borrtjocklek på 0,2 – 0,5 mm och håldiameter på 0,12 – 0,25 mm, vilket gör denna teknik tio gånger snabbare än mikro-EDM. Mikroborrning utförs i tre steg, inklusive grovbearbetning och finbearbetning av genomgående pilothål. Argon används som hjälpgas för att skydda borrhålet från oxidation och för att skydda den slutliga plasman under de inledande stadierna.
Figur 7. Femtosekundlaser högprecisionsbearbetning av inverterat koniskt hål för dieselmotorinjektor
08 Ultrasnabb lasertexturering
Under de senaste åren, för att förbättra bearbetningsnoggrannheten, minska materialskador och öka bearbetningseffektiviteten, har området för mikrobearbetning gradvis blivit ett fokus för forskare. Ultrasnabb laser har olika bearbetningsfördelar som låg skada och hög precision, vilket har blivit fokus för att främja utvecklingen av bearbetningsteknik. Samtidigt kan ultrasnabba lasrar verka på en mängd olika material, och laserbearbetning av materialskador är också en viktig forskningsriktning. Ultrasnabb laser används för att ablatera material. När laserns energitäthet är högre än materialets ablationströskel kommer ytan på det ablerade materialet att visa en mikronanostruktur med vissa egenskaper. Forskning visar att denna speciella ytstruktur är ett vanligt fenomen som uppstår vid laserbearbetning av material. Beredningen av ytmikro-nanostrukturer kan förbättra materialets egenskaper och även möjliggöra utveckling av nya material. Detta gör beredningen av ytmikronanostrukturer med ultrasnabb laser till en teknisk metod med viktig utvecklingsbetydelse. För närvarande, för metallmaterial, kan forskning om ultrasnabb laseryttexturering förbättra metallytornas vätningsegenskaper, förbättra ytfriktion och slitageegenskaper, förbättra beläggningsvidhäftning och riktad spridning och vidhäftning av celler.
Figur 8. Superhydrofoba egenskaper hos laserpreparerad kiselyta
Som en banbrytande bearbetningsteknik har ultrasnabb laserbearbetning egenskaperna för en liten värmepåverkad zon, en icke-linjär process för interaktion med material och högupplöst bearbetning bortom diffraktionsgränsen. Det kan realisera högkvalitativ och hög precision mikro-nano bearbetning av olika material. och tredimensionell mikro-nano-strukturtillverkning. Att uppnå lasertillverkning av specialmaterial, komplexa strukturer och speciella enheter öppnar nya vägar för mikro-nanotillverkning. För närvarande har femtosekundlaser använts i stor utsträckning inom många banbrytande vetenskapliga områden: femtosekundlaser kan användas för att förbereda olika optiska enheter, såsom mikrolinsarrayer, bioniska sammansatta ögon, optiska vågledare och metasytor; med sin höga precision, höga upplösning och med tredimensionella bearbetningsmöjligheter kan femtosekundlaser förbereda eller integrera mikrofluidiska och optofluidiska chips såsom mikrovärmarekomponenter och tredimensionella mikrofluidkanaler; dessutom kan femtosekundlaser också förbereda olika typer av ytmikronanostrukturer för att uppnå anti-reflektion, anti-reflektion, superhydrofob, anti-isning och andra funktioner; inte nog med det, femtosekundlaser har också använts inom biomedicin, som visar enastående prestanda inom områden som biologiska mikrostentar, cellodlingssubstrat och biologisk mikroskopisk avbildning. Breda tillämpningsmöjligheter. För närvarande växer användningsområdena för femtosekundlaserbehandling år för år. Förutom ovan nämnda mikrooptik, mikrofluidik, multifunktionella mikro-nanostrukturer och biomedicinska ingenjörsapplikationer, spelar den också en stor roll inom vissa framväxande områden, såsom metasytberedning. , mikronanotillverkning och flerdimensionell optisk informationslagring, etc.
Posttid: 2024-apr-17
