RU2574222C1 - Способ лазерной обработки неметаллических пластин - Google Patents
Способ лазерной обработки неметаллических пластин Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574222C1 RU2574222C1 RU2014140989/28A RU2014140989A RU2574222C1 RU 2574222 C1 RU2574222 C1 RU 2574222C1 RU 2014140989/28 A RU2014140989/28 A RU 2014140989/28A RU 2014140989 A RU2014140989 A RU 2014140989A RU 2574222 C1 RU2574222 C1 RU 2574222C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- plate
- laser radiation
- energy
- reflection coefficient
- Prior art date
Links
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 title abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000001678 irradiating Effects 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 239000011364 vaporized material Substances 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009114 investigational therapy Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000005654 stationary process Effects 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение может быть использовано для лазерного пробития сквозных отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Способ обработки неметаллических пластин согласно изобретению заключается в облучении их поверхности лазерным импульсом с минимальной расходимостью. При этом плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала пластины, толщину пластины, показатель поглощения материала пластины на длине волны воздействующего лазерного излучения и коэффициент отражения материала пластины, а вышедшее из пластины лазерное излучение при помощи диэлектрического зеркала, расположенного по нормали к лазерному пучку и имеющего коэффициент отражения ~ 99,9% на длине волны лазерного излучения, возвращают в пластину. Изобретение обеспечивает снижение энергетических затрат при пробитии лазерным излучением сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного пробития отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Известен способ обработки неметаллических материалов [1], в котором обработка пластин осуществляется путем облучения поверхности импульсом лазерного излучения. Временная форма импульса описывается определенным соотношением в зависимости от плотности потока энергии лазерного излучения, констант b1 и b2, характеризующих фронт и спад лазерного импульса, от длительности лазерного импульса, текущего времени от начала воздействия, плотности энергии и максимального значения плотности потока лазерного излучения в импульсе. Эффект достигается тем, что формируют лазерный импульс, временная форма которого описывается соотношением
где q(t) - плотность потока энергии лазерного излучения, Вт/м2;
τ - длительность импульса лазерного излучения, с;
b1 и b2 - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;
t - текущее время от начала воздействия, с.
Указанный способ позволяет минимизировать термоупругие напряжения в поглощающем слое материала пластины, но он не позволяет осуществлять скрайбирование пластин из неметаллических материалов и осуществлять пробитие сквозных отверстий в них при минимальных энергетических затратах.
Известен способ лазерной обработки [2], в частности, используемый для создания отверстий в пластинах, в котором плотность энергии, необходимая для испарения слоя материала толщиной х, равна
где W - плотность энергии лазерного излучения;
χ - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;
ρ - плотность материала;
Lu - скрытая теплота испарения единицы массы материала.
Уравнение (1) характеризует стационарный процесс испарения материала под действием лазерного излучения при его поглощении в очень тонком поверхностном слое материала (много меньше толщины испаренного слоя). Уравнение (1) нельзя использовать, когда поглощение лазерного излучения происходит в объеме материала, например в слое материала толщиной в несколько миллиметров. Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения оптимального значения плотности энергии лазерного излучения при обработке материалов, обладающих объемным поглощением излучения с длиной волны, на которой происходит обработка материала.
Известен также способ лазерной обработки неметаллических материалов [3], заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в импульсе, определяемой по соотношению
где е - основание натурального логарифма (е≈2,7183);
Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м3;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, м-1;
R - коэффициент отражения материала.
При такой плотности энергии воздействующего лазерного излучения происходит сублимация поглощающего слоя материала толщиной 1/χ, причем максимальный удельный (на единицу вложенной энергии) унос массы материала составит величину
Для сквозного пробития отверстия в пластине необходимо, чтобы толщина пластины составляла величину 1/χ. Эти условия обеспечивают оптимальный режим обработки при одностороннем воздействии лазерного излучения на неметаллические материалы, обладающие объемным поглощением лазерного излучения.
Этот способ выбран в качестве прототипа. Недостатком способа является то, что при пробитии сквозных отверстий в неметаллических пластинах, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, теряется примерно 63% энергии лазерного импульса вследствие выхода части излучения через тыльную поверхность пластины и экспоненциальным законом поглощения лазерного излучения в пластине. В идеальном случае (mУД)max≈ρ/Q. Для приближения к идеальному результату необходимо вернуть в пластину вышедшее из нее излучение и перераспределить поглощенную энергию по толщине пластины.
Целью предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат при лазерном пробитии сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, например, полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Поставленная цель достигается тем, что выбирают длину волны лазерного излучения, обеспечивающую выполнение условия
0,6<χh<1,6,
где h - толщина пластины, м,
воздействуют на поверхность пластины лазерным пучком с минимальной расходимостью и плотностью энергии, рассчитываемой по соотношению
где е - основание натурального логарифма (е≈2,7183);
Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м3;
R - коэффициент отражения материала,
а вышедшее из пластины лазерное излучение при помощи диэлектрического зеркала, расположенного по нормали к лазерному пучку и имеющего коэффициент отражения ~ 99,9% на длине волны лазерного излучения, возвращают в пластину.
Ниже приводится более подробное описание изобретения со ссылкой на рисунки фиг. 1 - фиг. 3.
На рисунке фиг. 1 представлена схема лазерной установки для пробития сквозных отверстий в пластинах. Установка содержит импульсный лазер (1), телескопический преобразователь диаметра пучка, включающий собирающую линзу (2) и рассеивающую линзу (3), обрабатываемую пластину (4) и диэлектрическое зеркало (5) с коэффициентом отражения на длине волны лазерного излучения ~ 99,9%. Фокусы обеих линз совмещены, что позволяет получить параллельный лазерный пучок диаметром меньше, чем диаметр исходного пучка. Подбором фокусных расстояний линз обеспечивают требуемый диаметр лазерного пучка и, соответственно, отверстия в пластине. Вышедшее из пластины излучение зеркалом (5), расположенным по нормали к лазерному пучку, возвращается в пластину. В этом случае распределение поглощенной энергии по толщине пластины будет иметь вид
Распределение поглощенной энергии по толщине пластины в относительных единицах показано на рисунке фиг. 2. Видно, что минимальное поглощение энергии имеет место на тыльной поверхности пластины. Для пробития сквозного отверстия в пластине при одностороннем воздействии лазерного излучения необходимо, чтобы выполнялось условие
Для пробития сквозного отверстия в пластине для предложенного способа необходимо, чтобы
Рисунок фиг. 2 показывает, что E(x)min для предложенного способа в два раза превышает необходимый уровень. Для приближения Е(х) к Q плотность энергии лазерного излучения можно понизить в два раза (рисунок фиг. 2). Из уравнения (7) получим
Сравнение (4) и (8) показывает, что предложенный способ воздействия лазерного излучения позволяет уменьшить в два раза плотность энергии лазерного излучения, необходимую для пробития сквозных отверстий в пластинах. При этом масса испаренного на единицу площади материала составит
Удельная (на единицу вложенной энергии) масса испаренного материала составит
На рисунке фиг. 3 в относительных единицах показана зависимость удельной массы испаренного материала от безразмерного параметра χh. Исследование на экстремум уравнения (10) показывает, что удельная масса испарившегося материала имеет максимум при χh=1, причем величина mУД в точке максимума является постоянной для конкретного типа материала величиной и составляет (mУД)max≈0,736ρ/Q, что в два раза больше, чем для случая одностороннего воздействия лазерного излучения на пластину [3].
Оптимальным режимом воздействия лазерного излучения на пластины с целью пробития сквозных отверстий является воздействие с длиной волны, обеспечивающей выполнение условия χh=1. При этом плотность энергии в лазерном пучке рассчитывают по уравнению (8). Если это условие выполнить не удается, выбирают рациональные режимы, близкие к оптимальному, при которых длина волны лазерного излучения обеспечивает выполнение условия 0,6<χh<1,6. В этом диапазоне значений параметра χh изменения удельной массы испаренного материала составляют не более 13%.
Таким образом, воздействие параллельным пучком и возврат вышедшего через тыльную поверхность пластины лазерного излучения позволяет примерно в два раза уменьшить энергетические затраты на пробитие сквозных отверстий в неметаллических пластинах.
Литература
1. Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф., Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. Патент RU 2211753 С2. Опубл. 10.09.2003. Бюл. №25.
2. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 4. Лазерная обработка неметаллических материалов: Учебное пособие для ВУЗов / А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов. Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высшая школа, 1998. - 191 с. ISBN 5-06-001453-3.
3. Сахаров М.В., Коваленко А.Ф., Воробьев Α.Α., Конюхов М.В., Астраускас Й.И., Никитин И.В., Запонов А.Э., Удинцев Р.Д., Чупятов А.С. Способ обработки неметаллических материалов. Патент RU 2486628 С1. Опубл. 27.06.2013. Бюл. №18.
Claims (1)
- Способ лазерной обработки неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности импульсным лазерным излучением, отличающийся тем, что выбирают длину волны лазерного излучения, обеспечивающую выполнение условия
где χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны воздействующего излучения, м-1;
h - толщина пластины, м,
воздействуют на поверхность пластины лазерным пучком с минимально возможной расходимостью и плотностью энергии, рассчитываемой по соотношению
где e - основание натурального логарифма (e≈2,7183);
Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м3;
R - коэффициент отражения материала,
а вышедшее из пластины лазерное излучение при помощи диэлектрического зеркала, расположенного по нормали к лазерному пучку и имеющего коэффициент отражения ~ 99,9% на длине волны лазерного излучения, возвращают в пластину.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2574222C1 true RU2574222C1 (ru) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5567484A (en) * | 1993-11-10 | 1996-10-22 | International Business Machines Corporation | Process for texturing brittle nonmetallic surfaces |
RU2192341C2 (ru) * | 2000-07-03 | 2002-11-10 | Басиев Тасолтан Тазретович | Способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением |
RU2211753C2 (ru) * | 2000-12-22 | 2003-09-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Способ обработки неметаллических материалов |
RU2486628C1 (ru) * | 2011-12-14 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Способ обработки неметаллических материалов |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5567484A (en) * | 1993-11-10 | 1996-10-22 | International Business Machines Corporation | Process for texturing brittle nonmetallic surfaces |
RU2192341C2 (ru) * | 2000-07-03 | 2002-11-10 | Басиев Тасолтан Тазретович | Способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением |
RU2211753C2 (ru) * | 2000-12-22 | 2003-09-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Способ обработки неметаллических материалов |
RU2486628C1 (ru) * | 2011-12-14 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Способ обработки неметаллических материалов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Berthe et al. | Shock waves from a water-confined laser-generated plasma | |
Breitling et al. | Fundamental aspects in machining of metals with short and ultrashort laser pulses | |
Karasik et al. | Suppression of laser nonuniformity imprinting using a thin high-Z coating | |
Ivanov et al. | Comparative study of amplified spontaneous emission and short pre-pulse impacts onto fast electron generation at sub-relativistic femtosecond laser-plasma interaction | |
Edwards et al. | Opacity measurements of a hot iron plasma using an x-ray laser | |
Zvorykin et al. | Experimental capabilities of the GARPUN MTW Ti: sapphire–KrF laser facility for investigating the interaction of subpicosecond UV pulses with targets | |
RU2486628C1 (ru) | Способ обработки неметаллических материалов | |
RU2573181C1 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических пластин | |
Minenna et al. | Electromagnetic pulse emission from target holders during short-pulse laser interactions | |
Di Cicco et al. | Interplay of electron heating and saturable absorption in ultrafast extreme ultraviolet transmission of condensed matter | |
RU2574222C1 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических пластин | |
RU2582849C1 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
Hayat et al. | The role of spatial confinement for improvement of laser-induced Mg plasma parameters and growth of surface features | |
Drake et al. | Hydrodynamic expansion of exploding‐foil targets irradiated by 0.53 μm laser light | |
Rusby et al. | Escaping electrons from intense laser-solid interactions as a function of laser spot size | |
RU2688036C1 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
Chumakov et al. | Efficiency of silicon laser ablation in air on bichromatic pulse irradiation | |
RU2647387C2 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
Kazakevich et al. | Formation of periodic structures upon laser ablation of metal targets in liquids | |
Edwards et al. | Laser-ablation rates measured using X-ray laser transmission | |
Persaud et al. | Accessing defect dynamics using intense, nanosecond pulsed ion beams | |
Tishchenko et al. | Criteria for formation of low-frequency sound under wide-aperture repetitively pulsed laser irradiation of solids | |
Khalil et al. | Tungsten ion source under double-pulse laser ablation system | |
Vogel et al. | Energy balance of optical breakdown in water | |
Efremov et al. | Polymer material laser destruction threshold studies |