RU2492036C1

RU2492036C1 - Method of punching micro holes by pulled laser radiation

Info

Publication number: RU2492036C1
Application number: RU2011152292/02A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Абрамов; Кирилл Сергеевич Хорьков; Валерий Григорьевич Прокошев
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-09-10
Also published as: RU2011152292A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to laser processing and may be used for punching 10-30 mcm-dia micro holes for optical diaphragms, spatial filters and screens. Micro holes are punched by pulsed laser radiation focused to processed workpiece. Workpiece represents a plate of mother material with its both surfaces coated with layers of auxiliary material. Laser radiation of fs-band is used and displaced over workpiece surface in mutually perpendicular lines at intersections of which forms micro holes. Auxiliary layers are removed after processing.

EFFECT: micro holes with high quality of walls.

Description

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано для пробивки отверстий малого диаметра для оптических диафрагм, пространственных фильтров и растров.The invention relates to the field of laser processing of materials and can be used for punching holes of small diameter for optical diaphragms, spatial filters and rasters.

Известен способ, реализованный в устройстве для лазерной пробивки отверстий в материалах, включающем в себя лазерную установку, снабженную селектирующим элементом, выделяющим азимутальную моду поляризации. При этом в каждой точке лазерного пучка поляризация является линейной и перпендикулярной прямой, соединяющей данную точку и центр пучка (см. Патент РФ №2208504, кл. В23К 26/38, H01S 3/08, А61В 17/22, 2005).A known method implemented in a device for laser punching holes in materials, including a laser unit, equipped with a selection element that emits an azimuthal polarization mode. Moreover, at each point of the laser beam, the polarization is linear and perpendicular to the line connecting this point and the center of the beam (see RF Patent No. 2208504, CL V23K 26/38, H01S 3/08, A61B 17/22, 2005).

Недостатком данного изобретения является то, что указанное устройство предполагает использование СO₂ лазера с длительностью импульса излучения 250 мкс и энергией в импульсе 0,5 Дж. При таких параметрах воздействия пробивка отверстия в металлах предполагает наличие расплава и прогрев значительного объема материала, что препятствует формированию отверстий малого диаметра.The disadvantage of this invention is that this device involves the use of a CO ₂ laser with a pulse duration of 250 μs and an energy of 0.5 J per pulse. With these exposure parameters, hole punching in metals implies the presence of melt and heating of a significant amount of material, which prevents the formation of holes small diameter.

Известен способ лазерной пробивки отверстий, при котором сфокусированным импульсным лазерным излучением осуществляют последовательную пробивку отверстий, изменяя в пределах каждой серии импульсов энергию и пространственную форму распределения мощности излучения, а для повышения качества отверстий в пределах каждой серии импульсов изменяют длину волны излучения (см. Патент РФ №1718487, кл. В23К 26/00, 1994).There is a known method of laser punching of holes, in which a focused pulsed laser radiation performs sequential punching of holes, changing the energy and spatial shape of the radiation power distribution within each pulse series, and changing the radiation wavelength within each pulse series to improve the quality of the holes (see RF Patent No. 1718487, class B23K 26/00, 1994).

Недостатками данного способа являются узкая направленность на обработку только диэлектриков, покрытых медью (печатных плат), и недостаточно малый диаметр пробиваемых отверстий (110-120 мкм).The disadvantages of this method are the narrow focus on processing only dielectrics coated with copper (printed circuit boards), and not enough small diameter of punched holes (110-120 microns).

Известен также способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением, включающий генерирование лазерного излучения путем его возбуждения в одном или более активных элементах, модуляцию добротности резонатора и создание излучения в виде цугов импульсов с помощью лазерного затвора, коллимацию и фокусировку лазерного излучения на обрабатываемую заготовку и управление его интенсивностью в процессе обработки заготовки. Лазерное излучение генерируют с s- или р-поляризацией, направляют его в элемент, который пропускает излучение только в направлении обрабатываемой заготовки, а в процессе управления интенсивностью лазерного излучения увеличивают интенсивность импульсов в цуге по мере заглубления канала отверстия (см. Патент РФ №2192341, кл. В23К 26/38, 2002 (прототип)).There is also known a method for flashing precision holes with laser radiation, including generating laser radiation by exciting it in one or more active elements, modulating the Q factor of the resonator and creating radiation in the form of pulse trains using a laser shutter, collimating and focusing the laser radiation on the workpiece and controlling its intensity in the process of processing the workpiece. Laser radiation is generated with s- or p-polarization, directing it to an element that transmits radiation only in the direction of the workpiece, and in the process of controlling the intensity of laser radiation, the pulse intensity in the train increases as the hole channel deepens (see RF Patent No. 2192341, C. B23K 26/38, 2002 (prototype)).

К недостатку вышеуказанного способа можно отнести то, что он предназначен для прошивки в металлах и сплавах отверстий с диаметром не менее 36 мкм, недостаточно для прецизионных оптических элементов.The disadvantage of the above method can be attributed to the fact that it is intended for flashing holes with a diameter of at least 36 microns in metals and alloys, not enough for precision optical elements.

Техническим результатом данного изобретения является получение микроотверстий малого диаметра (10-30 мкм) и высоким качеством стенок.The technical result of this invention is to obtain micro-holes of small diameter (10-30 microns) and high quality walls.

Технический результат достигается тем, что в способе пробивки микроотверстий лазерным импульсным излучением, фокусируемым на обрабатываемую заготовку, используют фемтосекундное лазерное излучение, которое перемещают по поверхности заготовки по взаимно перпендикулярным линиям и в точках их пересечения выполняют пробивку отверстий, при этом предварительно на каждую из обеих поверхностей заготовки в виде пластины из основного материала наносят слой из вспомогательного материала, затем вспомогательные слои удаляют травлением, причем при травлении используют травитель, к которому устойчив основной материал пластины.The technical result is achieved by the fact that in the method of punching microholes with laser pulsed radiation focused on the workpiece, femtosecond laser radiation is used, which is moved along the surface of the workpiece along mutually perpendicular lines and holes are punched at their intersection points, with each of these surfaces being pre-punched blanks in the form of a plate of a basic material are applied a layer of auxiliary material, then the auxiliary layers are removed by etching, and when etching, an etchant is used, to which the main material of the plate is resistant.

Способ осуществляют следующим образом. На обе поверхности основного материала наносят слои вспомогательного материала. Комбинация материалов должна быть такова, чтобы основной материал был устойчив к травителям вспомогательного материала, а его толщина обеспечивала жесткость конструкции (например, серебро-медь). В этом случае на обрабатываемую поверхность серебряной пластины толщиной 50 мкм наносят слой меди толщиной 65 мкм. При реализации метода такой толщины вспомогательного слоя достаточно, чтобы он был частично удален при сквозной пробивке основного материала. Это необходимо для предохранения поверхности серебра на площадях между отверстиями от лазерного разрушения и осаждения продуктов абляции. Обратную поверхность серебряной пластины покрывают слоем меди толщиной 20 мкм, для предотвращения разрушения краев выхода получаемого в ней отверстия. Созданную слоистую систему обрабатывают фемтосекундным лазерным излучением с длительностью импульса 300 фс и энергией в импульсе 150 мкДж при частоте повторения импульсов 10 кГц и скорости движения лазерного пучка по поверхности 15 мм/с. В зависимости от требуемых размеров отверстий лазерное излучение фокусируют на поверхность заготовки в пятно от 10 мкм до 30 мкм. При такой комбинации параметров лазерного воздействия устанавливается эффективный режим лазерной абляции. Линии лазерного воздействия перпендикулярно пересекаются в заданных точках. При одинаковой толщине слоя удаляемого лазерным излучением материала в области пересечения формируется отверстие с глубиной в два раза больше, чем в других частях траектории движения лазерного пучка. Обработку производят в многопроходном режиме. В результате, при удалении материала толстого вспомогательного слоя на глубину 60 мкм, в точках пересечения линий лазерного воздействия происходит полная пробивка данного слоя и основного материала. Заглубление отверстия в объем тонкого вспомогательного слоя происходит незначительно (на величину 5 мкм) и исключает деформирование серебряной пластины на выходе отверстия. Далее вспомогательные слои меди удаляют травлением в сульфатном медно-аммиачном травителе. Полученную заготовку армируют каркасом и выкраивают из общего материала. В результате формируют функциональный элемент оптотехники: диафрагма или растр.The method is as follows. Layers of auxiliary material are applied to both surfaces of the base material. The combination of materials should be such that the base material is resistant to the etch of the auxiliary material, and its thickness ensures structural rigidity (for example, silver-copper). In this case, a copper layer 65 microns thick is applied to the surface of the silver plate with a thickness of 50 μm. When implementing the method, such a thickness of the auxiliary layer is sufficient so that it is partially removed during through punching of the base material. This is necessary to protect the silver surface in the areas between the holes from laser damage and the deposition of ablation products. The reverse surface of the silver plate is covered with a layer of copper with a thickness of 20 μm, to prevent destruction of the edges of the outlet obtained in it holes. The created layered system is treated with femtosecond laser radiation with a pulse duration of 300 fs and a pulse energy of 150 μJ at a pulse repetition rate of 10 kHz and a laser beam moving speed on the surface of 15 mm / s. Depending on the required size of the holes, the laser radiation is focused on the surface of the workpiece in a spot from 10 μm to 30 μm. With this combination of laser exposure parameters, an effective laser ablation regime is established. Laser lines perpendicularly intersect at given points. With the same thickness of the layer removed by laser radiation, a hole is formed in the intersection region with a depth two times greater than in other parts of the path of the laser beam. Processing is performed in multi-pass mode. As a result, when the material of the thick auxiliary layer is removed to a depth of 60 μm, complete penetration of this layer and the main material occurs at the points of intersection of the laser lines. The hole is deepened into the volume of the thin auxiliary layer slightly (by 5 μm) and excludes deformation of the silver plate at the outlet of the hole. Next, the auxiliary layers of copper are removed by etching in a sulfate copper-ammonia etchant. The resulting workpiece is reinforced with a frame and cut out from a common material. As a result, a functional element of optical equipment is formed: a diaphragm or a raster.

Таким образом, предложенный способ позволит получить качественные микроотверстия малого диаметра для оптических элементов: диафрагм, пространственных фильтров и растров.Thus, the proposed method will allow to obtain high-quality micro-holes of small diameter for optical elements: diaphragms, spatial filters and rasters.

Claims

A method of punching microholes with laser pulsed radiation focused on a workpiece, characterized in that femtosecond laser radiation is used that moves along the surface of the workpiece along mutually perpendicular lines and punch holes at their intersection points, with each of these surfaces being preliminarily punched in the form plates of the main material apply a layer of auxiliary material, then the auxiliary layers are removed by etching, and when etching I use etchant, which is resistant base material plate.