Även om ultrasnabba lasrar har funnits i årtionden har industriella tillämpningar vuxit snabbt under de senaste två decennierna. År 2019 ökade marknadsvärdet för ultrasnabbalasermaterialbearbetningstakten var cirka 460 miljoner USD, med en genomsnittlig årlig tillväxttakt på 13 %. Tillämpningsområden där ultrasnabba lasrar framgångsrikt har använts för att bearbeta industriella material inkluderar tillverkning och reparation av fotomasker inom halvledarindustrin samt kiselbearbetning, glasskärning/ritsning och (indiumtennoxid) ITO-filmborttagning i konsumentelektronik som mobiltelefoner och surfplattor, kolvtexturering för bilindustrin, tillverkning av koronarstenter och tillverkning av mikrofluidiska anordningar för medicinindustrin.
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 producera metallstänk och glasskador, uppvisar femtosekundlasermasker inget 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 dollar. Femtosekundlaserbehandling kan bearbeta linjer och punkter under 150 nm.
Figur 1. Tillverkning och reparation av fotomasker
Figur 2. Optimeringsresultat för olika maskmönster för extrem ultraviolett litografi
02 Kiselskärning inom halvledarindustrin
Kiselskivorsskärning är en standardtillverkningsprocess inom halvledarindustrin och utförs vanligtvis med mekanisk skärning. Dessa skärhjul utvecklar ofta mikrosprickor och är svåra att skära tunna (t.ex. tjocklek < 150 μm) wafers. Laserskärning av kiselskivor har använts inom halvledarindustrin i många år, särskilt för tunna wafers (100-200 μm), och utförs i flera steg: laserspårning, följt av mekanisk separation eller stealth-skärning (dvs. infraröd laserstråle inuti kiselritsningen) följt av mekanisk bandseparation. Nanosekundpulslasern kan bearbeta 15 wafers per timme, och pikosekundlasern kan bearbeta 23 wafers per timme, med högre kvalitet.
03 Glasskärning/ritsning inom förbrukningselektronikindustrin
Pekskärmar och skyddsglas för mobiltelefoner och bärbara datorer blir tunnare och vissa geometriska former är böjda. Detta gör traditionell mekanisk skärning svårare. Typiska lasrar ger vanligtvis dålig skärkvalitet, särskilt när dessa glasskärmar är staplade i 3–4 lager och det översta 700 μm tjocka skyddsglaset är härdat, vilket kan gå sönder vid lokal stress. Ultrasnabba lasrar har visat sig kunna skära dessa glas med bättre kantstyrka. För skärning av stora platta paneler kan femtosekundlasern fokuseras på baksidan av glasskivan, vilket repar insidan av glaset utan att skada framsidan. Glaset kan sedan brytas med hjälp av mekaniska eller termiska metoder längs det skårade mönstret.
Figur 3. Ultrasnabb pikosekundlaserskärning av specialformade glastyper
04 Kolvtexturer inom bilindustrin
Lätta bilmotorer är tillverkade av aluminiumlegeringar, vilka inte är lika slitstarka som gjutjärn. Studier har visat att femtosekundlaserbehandling av bilkolvtexturer kan minska friktionen med upp till 25 % eftersom skräp och olja kan lagras effektivt.
Figur 4. Femtosekundlaserbehandling av bilmotorkolvar för att förbättra motorns prestanda.
05 Tillverkning av koronarstenter 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. Kranskärl är vanligtvis tillverkade av metallnät (t.ex. rostfritt stål, nickel-titan-formminneslegering eller mer nyligen kobolt-kromlegering) med en strutbredd på cirka 100 μm. Jämfört med långpulslaserskärning är fördelarna med att använda ultrasnabba lasrar för att skära fästen hög skärkvalitet, bättre ytfinish och mindre skräp, vilket minskar kostnaderna för efterbehandling.
06 Tillverkning av mikrofluidiska anordningar för medicinindustrin
Mikrofluidiska anordningar används ofta inom medicinsk industri för sjukdomstestning och diagnos. Dessa tillverkas vanligtvis genom mikroformsprutning av enskilda delar och sedan sammanfogning med limning eller svetsning. Ultrasnabb lasertillverkning av mikrofluidiska anordningar 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 avlägsna skräp. En annan metod är att bearbeta kanaler i glasytan och försegla dem med ett glasskydd via femtosekundlasersvetsning.
Figur 6. Femtosekundlaserinducerad selektiv etsning för att framställa mikrofluidiska kanaler inuti glasmaterial
07 Mikroborrning av injektormunstycke
Femtosekundlaserbearbetning av mikrohål har ersatt mikrognist hos många företag på marknaden för högtrycksinjektorer på grund av större flexibilitet i att ändra flödeshålsprofiler och kortare bearbetningstider. Möjligheten att automatiskt styra fokuspositionen och lutningen av strålen genom ett precesserande skanningshuvud har lett till designen av öppningsprofiler (t.ex. cylinder, flare, konvergens, divergens) som kan främja atomisering eller penetration i förbränningskammaren. Borrtiden beror på ablationsvolymen, med en borrtjocklek på 0,2–0,5 mm och en håldiameter på 0,12–0,25 mm, vilket gör denna teknik tio gånger snabbare än mikrognist. 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 det slutliga plasmat under de inledande stegen.
Figur 7. Femtosekundlaserbearbetning med hög precision av inverterat koniskt hål för dieselmotorinjektor
08 Ultrasnabb lasertexturering
Under senare år har mikrobearbetning gradvis blivit ett fokusområde för forskare för att förbättra bearbetningsnoggrannheten, minska materialskador och öka bearbetningseffektiviteten. Ultrasnabb laser har olika bearbetningsfördelar, såsom låg skada och hög precision, vilket har blivit fokus för att främja utvecklingen av bearbetningsteknik. Samtidigt kan ultrasnabb laser verka på en mängd olika material, och laserbearbetning av materialskador är också en viktig forskningsinriktning. Ultrasnabb laser används för att ablatera material. När laserns energitäthet är högre än materialets ablationsgräns, kommer ytan på det ablaterade materialet att uppvisa en mikronanostruktur med vissa egenskaper. Forskning visar att denna speciella ytstruktur är ett vanligt fenomen som uppstår vid laserbearbetning av material. Framställning av ytliga mikronanostrukturer kan förbättra materialets egenskaper och även möjliggöra utveckling av nya material. Detta gör framställningen av ytliga mikronanostrukturer med ultrasnabb laser till en teknisk metod med viktig utvecklingsbetydelse. För närvarande kan forskning om ultrasnabb laserytetexturering för metallmaterial förbättra metallytans vätningsegenskaper, förbättra ytfriktion och slitageegenskaper, förbättra beläggningens vidhäftning samt riktad proliferation och vidhäftning av celler.
Figur 8. Superhydrofoba egenskaper hos laserframställd kiselyta
Som en banbrytande bearbetningsteknik har ultrasnabb laserbearbetning egenskaper som en liten värmepåverkad zon, icke-linjär interaktionsprocess med material och högupplöst bearbetning bortom diffraktionsgränsen. Den kan realisera högkvalitativ och högprecisionsmikronanobearbetning av olika material och tillverkning av tredimensionell mikronanostruktur. Att uppnå lasertillverkning av specialmaterial, komplexa strukturer och specialanordningar öppnar nya vägar för mikronanotillverkning. För närvarande har femtosekundlaser använts i stor utsträckning inom många banbrytande vetenskapliga områden: femtosekundlaser kan användas för att framställa olika optiska anordningar, såsom mikrolinsmatriser, bioniska sammansatta ögon, optiska vågledare och metaytor; med hjälp av sin höga precision, höga upplösning och tredimensionella bearbetningskapacitet kan femtosekundlaser framställa eller integrera mikrofluidiska och optofluidiska chips såsom mikrovärmarkomponenter och tredimensionella mikrofluidiska kanaler; Dessutom kan femtosekundlaser även framställa olika typer av ytmikronanostrukturer för att uppnå antireflektion, antireflektion, superhydrofob, anti-isbildning och andra funktioner. Inte bara det, femtosekundlaser har också använts inom biomedicinområdet och visat enastående prestanda inom områden som biologiska mikrostentar, cellodlingssubstrat och biologisk mikroskopisk avbildning. Breda tillämpningsmöjligheter. För närvarande expanderar tillämpningsområdena för femtosekundlaserbehandling år för år. Förutom ovan nämnda mikrooptik, mikrofluidik, multifunktionella mikronanostrukturer och biomedicinska tekniska tillämpningar spelar den också en stor roll inom vissa framväxande områden, såsom metasyteberedning, mikronanotillverkning och flerdimensionell optisk informationslagring, etc.
Publiceringstid: 17 april 2024
