3. Види лазерної обробки матеріалів

3.1. Свердління отворів лазером

Одним із перших промислових застосувань лазера є свердління отворів малого діаметра в алмазних волоках та рубінових підшипниках для годинника.

Використання лазерної установки скорочує час просвердлювання отвору у надтвердих матеріалах з 20-30 хв до кількох секунд. У той же час лазер не дає жодних переваг в інших випадках, наприклад, при висвердлюванні отвору діаметром 2 мм у пластині з латуні. Однак при висвердлюванні отвору діаметром 0,05 мм деталі товщиною 0,05 мм перевага лазера безперечно. Таким чином, лазер доповнює, але не замінює звичайну технологію.

Основними перевагами лазерних джерел при свердлінні отворів у матеріалах є:

- здатність фокусування випромінювання у пляму малих розмірів;

- обробка деталей без механічної дії інструмента;

- можливість підбору довжини хвилі лазерного випромінювання з оптимальними характеристиками поглинання у робочому зразку та тривалості імпульсу, що забезпечує керованість процесом свердління по глибині отвору;

- невелика зона прогріву;

- Можливість управління від ЕОМ.

Свердління отворів складається з декількох одночасно протікають процесів: твердий матеріал перетворюється на пару і видаляється з області взаємодії, оголюючи наступний шар, який при подальшому вплив лазерного пучка випаровується.

Насправді прямий перехід твердої речовини в пару супроводжується утворенням осаду в речовині та розплавленого шару на стінці та дні отвору. Шлаки, що конденсуються, і уламки перешкоджають проникненню променя, обмежуючи глибину свердління. Отже, прямолінійність і контур поверхні, конусність отвору та відсутністьмікротріщин залежать від інтенсивності лазерного випромінювання, часу опромінення та теплофізичних властивостей опромінюваного матеріалу.

Одиничним лазерним імпульсом можна отримати отвір, максимальна глибина якого становитиме п'ять-шість його діаметрів. В отворах великої глибини виявляються нерівність контуру, раковини на стінках порожнини та ін. При використанні періодичних імпульсів збільшується глибина отвору до десяти діаметрів, але подовжується час обробки.

Лазерним променем можна свердлити практично будь-які матеріали (наприклад, напівпровідникові, дерево, папір, кераміку, пластмасу та ін.).

3.2. Лазерне різання матеріалів

Лазерне різання як і лазерне свердління є випарним процесом. При лазерному різанні матеріалів одночасно протікають процеси плавлення та випаровування, переважання одного з яких залежить як від співвідношення інтенсивності та часу опромінення, так і властивостей матеріалу.

Лазерна обробка в порівнянні з традиційними методами різання має низку переваг:

- обробка надтвердих матеріалів (наприклад, алмазу);

- незначна ширина пропилу;

- незалежність напряму розпилювання від орієнтації кристала;

- Можливість розрізів складної форми;

- обробка кристалів з великою внутрішньою напругою.

3.3. Скрайбування лазером

Скрайбування є методом поділу таких неметалічних матеріалів як кераміка, кремній або скло. При скрайбуванні лазером прорізають ризики, що злегка заглиблюються в підкладку. Потім, доклавши механічне зусилля, розділяють пластину окремі частини.

Метод лазерного скрайбування має ряд переваг у порівнянні з іншими методами: відсутність тріщин та мікросколів; обробкапрактично всіх напівпровідникових матеріалів з різними покриттями та з будь-яким співвідношенням розміру кристала в плані до його товщини; висока швидкість обробки (до 250 мм/с); економія напівпровідникових матеріалів завдяки більш тісному розташуванню приладів на пластині через малу ширину різу та дефектну зону, яка не перевищує 50 мкм.

Однак при лазерному скрайбуванні недостатньо стабільні механічні характеристики бічних граней деяких приладів, в результаті кристали малопридатні для подальшого автоматичного складання. Тому лазерне скрайбування в основному застосовують для дискретних приладів.

Крім того, цей метод мало використовують для поділу пластин з ІМС, що містять 100 та більше елементів на кристалі. Це викликано забрудненням поверхні напівпровідникової пластини продуктами обробки.

3.4. Лазерне зміцнення

Висока швидкість нагрівання та охолодження, що забезпечується великою потужністю лазерного випромінювання, дозволяє видозмінювати мікроструктуру поверхні металів та кераміки. При лазерному зміцненні відбувається локальне загартування тонкого приповерхневого шару тільки в місцях деталей, що зазнають зношування, і забезпечується більш висока твердість поверхні. Це пояснюється високою швидкістю охолодження і, отже, зменшенням розмірів кристалів металу і збільшенням щільності дислокацій.

Лазерна обробка поверхні підвищує її стійкість до корозії, оскільки при швидкому охолодженні тонкого шару розплавленого на кристалічних матеріалах утворюються аморфні шари, засклені поверхневі шари, тонкі дендритні структури і т.д.

При зміцненні поверхня матеріалу швидко нагрівається та охолоджується, не розплавляючись. При глазуруванні утворюється тонкий шар розплаву,який, остигаючи, формує поверхню різноманітної структури (з малою пористістю та такими мікроструктурними характеристиками, які не можна отримати звичайними методами).

3.5. Зварювання лазерним випромінюванням

Зварні з'єднання електронної техніки повинні мати високу міцність, пластичність і термостійкість. Процес зварювання не повинен призводити до порушення близьких термочутливих елементів, появі термопружних деформацій, виплесків та ін. Таким вимогам найбільш повно відповідають сполуки, отримані сфокусованим лазерним випромінюванням.

Основними перевагами лазерного зварювання в порівнянні з традиційними методами є:

- висока щільність потужності випромінювання (10 8 Вт/см2), що дозволяє обробляти тугоплавкі метали (вольфрам, молібден);

- Обробка імпульсами тривалістю 10 -3 . 10 -2 с, що виключає небажані структурні зміни в матеріалі та забезпечує високу швидкість зварювання;

- зварювання у важкодоступних місцях без внесення забруднень;

- Можливість проведення зварювання практично у будь-якій атмосфері;

- можливість з'єднання матеріалів з різними оптичними, теплофізичними та механічними властивостями;

- Мінімальні габарити зони термічного впливу;

- можливість проведення зварювання у безпосередній близькості від термочутливих елементів;

- Можливість управління від ЕОМ.

Недоліки лазерного зварювання полягають у обмеженій глибині проникнення лазерного випромінювання. Навіть при використанні багатокіловатних СО2-лазерів глибина проплавлення, що максимально досягається, не перевищує 2,5см. Це пов'язано з тим, що взаємодія лазерного випромінювання з оброблюваним зразком здійснюється через поглинання плазмоюпроплавленому отворі. Тому на більшу глибину проникає лише невелика доза випромінювання.

3.6. Лазерна пайка

Паяння є однією з наймасовіших технологічних операцій у сучасному виробництві ІЕТ. Для виготовлення міцних та надійних паяних з'єднань необхідно щільне зчеплення припою з виробами, відсутність раковин, пухирів та сторонніх включень. Більшості цих вимог відповідає лазерне паяння. Завдяки можливості концентрації лазерного випромінювання на малій площі поверхні оброблюваної деталі легко досягають температурних умов будь-яких видів паяння.

Основними перевагами лазерного паяння є:

- Висока швидкість нагрівання оброблюваних об'єктів;

- точне дозування енергії у процесі паяння;

- Нагрів важкодоступних ділянок оброблюваних деталей;

- паяння в ізольованому обсязі та строго контрольованому середовищі;

- поєднання процесів паяння з іншими технологічними процесами (очищенням поверхні, зміною її хімічного складу та ін.);

- можливість механізації та автоматизації паяння, швидкої перебудови лазерного обладнання і, як наслідок, легкої вбудовування в гнучкі виробничі системи.

---