Люди старшего поколения еще помнят первые ламповые чернобелые телевизионные приемники «КВН», выпускавшиеся в Советском Союзе примерно с 1949 по 1960 год. Потом появились телевизоры с экраном 43 см, позже – цветные телевизоры. А сегодня в магазинах, торгующих электроникой, мы оказывается не просто перед выбором между кинескопной объемной «коробкой» и плоским экраном, а еще и решаем, какой экран лучше – жидкокристаллический или плазменный, а может еще современнее – LED (прим. автора: LED light emissing diodes). Или может быть взять вон тот, у которого еще и DVD проигрыватель встроенный есть? Можно и еще порассуждать о телевидении высокой четкости и цифровом вещании… Да, за исторически очень короткий срок телевизоры стали компактнее, цвета ярче, изображение четче, функциональность выше, управление удобнее. Все это благодаря развитию микроэлектронных технологий, разработке новых материалов, приводящих к миниатюризации. И здесь современное производство материалов и комплектующих сложно представить без лазерных технологий.
По мере усложнения структуры материалов лазерные технологии применяются все больше и чаще. Так, благодаря многослойным компонентам в компактном корпусе мобильника умещается широчайший диапазон функций: от простого общения до просмотра видео. Пример такой структуры мультитач панель, ставшая знаменитой благодаря iPhone и делающая возможным ввод символов «от руки», – состоит по крайней мере из десятка слоев материалов общей толщиной менее 1 мм.
Другой пример – измерительные полоски глюкометров, которые состоят из ламинированных слоев, работающих для приема крови, транспортировки жидкости, цветовой индикации, измерения уровня глюкозы и т.д. Здесь тоже не обошлось без лазерных технологий.
Лазерная микрообработка материалов, как правило, производится лазерным излучением, сфокусированным в пятно диаметром менее 25 микрон. Для большей части приложений микрообработки такой диаметр пятна является даже большим, так как зачастую толщина обрабатываемого материала или слоя составляет около 10 мкм, а требуемая точность размерной обработки и позиционирования – 12 мкм и менее. Процессы, протекающие при взаимодействии лазерного излучения с материалами, а, следовательно, и результат этого взаимодействия сильно зависят от поглощения материала на длине волны данного лазерного источника, пиковой мощности лазера и длительности воздействия излучения на материал. При попадании лазерного излучения на поверхность материала, сначала происходит испарение и ионизация поверхностных примесей и загрязнений, которые практически всегда, в том или ином виде присутствуют. Далее излучение поглощается основным материалом, и если интенсивность не достаточно высока, материал плавится, испаряется, а пары ионизуются. При этом давление паров способствует выплескиванию расплава и образованию отверстия. Конечно, при построении теоретической модели и численном моделировании физических процессов, происходящих при взаимодействии ЛИ, необходимо рассматривать процессы тепло и массо переноса, газодинамику и оптические свойства паров и образующейся плазмы. А также учитывать геометрию взаимодействия, влияющую, в частности, на процессы «разгрузки» и, следовательно, на характеристики взаимодействия.
При достаточно высоком коэффициенте поглощения материала на данной длине волны или высокой интенсивности излучения, могут происходить фотоабляционные процессы, когда материал за очень короткое время испаряется непосредственно из твердого состояния, минуя жидкую фазу, и при этом ионизуется, превращаясь в плазму. А поскольку все эти процессы протекают за весьма короткое время, формируется ударная волна. Все или большинство из этих физических процессов происходят при резке, сварке, пайке, сверлении материалов и влияют на точность и качество результата лазерной микрообработки.
При работе с многослойными материалами обработать нужный слой можно достаточно легко, для этого необходимо выбрать длину волны лазерного излучения, которая наилучшим образом поглощается материалом обрабатываемого слоя. Типичный пример – сверление глухих отверстий в гибких печатных платах, когда необходимо просверлить полиимид, нанесенный на медную фольгу. Излучение CO2 лазера с длиной волны 9,4 мкм хорошо поглощается полиимидом и отражается от меди (коэффициент отражения меди почти 100%).
Более сложная ситуация возникает при обработке многослойных полимерных материалов, хотя базовые принципы работы остаются теми же – для обработки заданного слоя необходим тщательный выбор длины волны ЛИ. В целом поглощение большинства органических материалов лежит в среднем ИК диапазоне, поэтому CO2 лазеры широко применяются для обработки полимерных материалов, при этом некоторые материалы наилучшим образом обрабатываются более коротковолновым излучением эксимерных лазеров УФ диапазона.
Толщина каждого из слоев многослойного материала может быть от 10 до 75 мкм. При обработке внутреннего слоя может возникнуть проблема, когда лазерное излучение, проходя через внешние слои материала, частично в них поглощается, и возникают нежелательные эффекты расплавления или даже резки тех слоев, которые должны остаться нетронутыми. Решение этой проблемы включает в себя не только выбор длины волны ЛИ для селективного поглощения в нужном слое, но также и точнейшее управление происходящими при взаимодействии процессами за счет правильного выбора параметров лазерного источника – средней мощности ЛИ, модового состава ЛИ (качества излучения), а в случае импульсного лазера – энергии и частоты повторения импульсов, длительности импульса. Немаловажную роль будут играть и объектив, фокусирующий излучение, и система управления перемещениями образца или (и) объектива и система видео наблюдения. А в связи с особенностями физикохимических характеристик полимерных материалов, процесс их лазерной обработки требует также высокой аккуратности и точности в размещении, обращении и перемещении обрабатываемой полимерной пленки на каждом этапе обработки.
Применение лазеров в производстве упаковки
Один из примечательных примеров приложений лазеров для обработки полимеров – создание упаковок из ПВХ/ПЭТ многоразового использования, для электронной, пищевой, химической, фармацевтической промышленностей.
- антистатическая упаковка производится из PE или VMPET/CPE с антистатическим покрытием, может комплектоваться застежкоймолнией, поддающейся повторной герметизации. Применяется для упаковки изделий электронной промышленности.
- упаковка OPP производится из высокопрозрачных пленок с красивым художественным оформлением. Применяется главным образом для упаковки часов, сотовых телефонов, очков и т.д.
- производится из высокопрозрачных пленок с красивым художественным оформлением. Применяется главным образом для упаковки часов, сотовых телефонов, очков и т.д.
- стоячий гибкий пакет состоит из нескольких слоев высококачественных материалов PET, PA, CPP,CPE, OPP, алюминий и т.д. Подходит для упаковки еды, семян, лекарств, пестицидов и т.д. Возможна цветная печать, прочное термосваривание с возможностью повторного закрывания.
- состоит из нескольких слоев высококачественных материалов PET, PA, CPP,CPE, OPP, алюминий и т.д. Подходит для упаковки еды, семян, лекарств, пестицидов и т.д. Возможна цветная печать, прочное термосваривание с возможностью повторного закрывания.
Полиэстер (ПЭТ) – прочный материал, допускающий печать изображений высокого качества, тогда как полиэтилен – материал, обеспечивающий герметизацию упаковки. Между слоями полиэстера и полиэтилена для улучшения сохранности продуктов иногда добавляют слоибарьеры, препятствующие проникновению кислорода и влаги. Полиэстер обладает более высоким коэффициентом поглощения на длине волны 10,6 мкм, чем полиэтилен, поэтому CO2 лазеры широко применяются для разрезания слоя полиэстера без нарушения структурных характеристик и целостности полиэтиленового слоя упаковки. Этот прием, в частности, применяется в недавно разработанных упаковках пищевых продуктов, готовых для разогрева в микроволновых печках. Лазером прорезаются «вентиляционные» отверстия в слое ПЭТ, невидимые на глаз и без нарушения первоначальной герметичности упаковки. При нагреве в микроволновой печке упаковка разрывается только в этих «ослабленных» местах, и образовавшийся пар выводится наружу. Такой процесс лазерной резки слоя ПЭТ может быть достаточно высоко производительным – до 300 м/мин.
На упаковке многократного использования лазер применяется в дополнение к механической перфорации для облегчения обрывания отрывной полосы. Наиболее яркий пример – знакомая всем упаковка сухих кормов для животных.
Правильный выбор длины волны, энергии и длительности импульса лазерного излучения – залог успешного достижения требуемого результата лазерной обработки.
Удаление проводящего слоя оксида индия – олова (ITO) с поверхности стекла (технология применяется в производстве мониторов контрольных приборов самолетов) или с поверхности полиэстера. Как правило, толщина проводящей пленки до 70 мкм, требования к точности позиционирования и ширине «линий» +/ 1,5 мкм, и при удалении проводящего слоя недопустимо нарушение подложки. Как правило, для такого процесса применяется лазерное излучение УФ диапазона, так как излучение с длиной волны 1,06 мкм может легче разрушить подложку за счет термических эффектов, особенно в местах пересечения наносимых лазером линий. Именно для такого рода обработки важно, чтобы пиковая мощность лазерного импульса была большой, а частота повторения импульсов высокой. Это позволяет вести удаление пленки ITO с ПЭТ на скорости до нескольких метров в секунду, чтобы избежать нежелательных термических эффектов за счет среднего нагрева материала и повысить выход процесса. В настоящее время для этого успешно применяются импульсные волоконные лазеры (длина волны 1,068 мкм) и их вторые гармоники (534 нм). Процесс используется, например, в формировании электродов на мультитач дисплеях или для создания изолирующих разрывов в проводящих зонах тонкопленочных солнечных батарей. Современные солнечные батареи – это многослойные структуры, состоящие из слоев меди, индия, галлия и селенида между двумя электродами. Лазерное скрайбирование используется для создания электрической изоляции и резке солнечных батарей на сегменты. При необходимости лазеры также используются для сварки компонентов солнечных батарей из меди и нержавеющей стали.
Технология применяется в производстве мониторов контрольных приборов самолетов) или с поверхности полиэстера. Как правило, толщина проводящей пленки до 70 мкм, требования к точности позиционирования и ширине «линий» +/ 1,5 мкм, и при удалении проводящего слоя недопустимо нарушение подложки. Как правило, для такого процесса применяется лазерное излучение УФ диапазона, так как излучение с длиной волны 1,06 мкм может легче разрушить подложку за счет термических эффектов, особенно в местах пересечения наносимых лазером линий. Именно для такого рода обработки важно, чтобы пиковая мощность лазерного импульса была большой, а частота повторения импульсов высокой. Это позволяет вести удаление пленки ITO с ПЭТ на скорости до нескольких метров в секунду, чтобы избежать нежелательных термических эффектов за счет среднего нагрева материала и повысить выход процесса. В настоящее время для этого успешно применяются импульсные волоконные лазеры (длина волны 1,068 мкм) и их вторые гармоники (534 нм). Процесс используется, например, в формировании электродов на мультитач дисплеях или для создания изолирующих разрывов в проводящих зонах тонкопленочных солнечных батарей. Современные солнечные батареи – это многослойные структуры, состоящие из слоев меди, индия, галлия и селенида между двумя электродами. Лазерное скрайбирование используется для создания электрической изоляции и резке солнечных батарей на сегменты. При необходимости лазеры также используются для сварки компонентов солнечных батарей из меди и нержавеющей стали.
О гибких печатных платах
Гибкие печатные платы, как правило, изготавливаются на полиимидных подложках. В простейшем варианте – с помощью проводящих «чернил». В более сложном – это многослойная структура, состоящая из диэлектрических, клеевых и проводящих (медных) слоев, с довольно сложной топологией электрических соединений. Используются гибкие печатные платы для миниатюризации приборов (например, в слуховых аппаратах), или там, где мало места для жестких плат (например, для приборной доски автомобил), или при частых изгибах (например, в кроссовках, мигающих при ходьбе). Их также используют для гибких клавиатур компьютеров, в калькуляторах, в медицинских приборах, в авионике и космической промышленности, в производстве фото и видеоаппаратуры (например, камеры с поворотными экранами).
Основные тенденции – миниатюризация приборов, все более высокая плотность упаковки их компонентов, со все большим количеством выходов на внешнее или основное оборудование (например, тест полоски глюкометров).
При производстве гибких плат лазеры в принципе применяются так же, как и в производстве жестких плат. Но есть и особенности. Чаще всего лазеры используются для трех задач – для удаления избыточного полиимида там, где это необходимо, для сверления сквозных и глухих отверстий и иных структур, а также для удаления временного защитного покрытия с поверхности проводников. Традиционные механические и химические методы имеют ограничения по точности и размеру отверстия до нескольких десятков микрон. Тогда как лазер при определенных условиях способен просверлить отверстие диаметром менее 10 мкм.
Полиимидные материалы хорошо обрабатываются коротковолновым излучением эксимерных лазеров (248 нм) или третьей гармоникой лазеров с длиной волны 1,06 – 1,07 мкм. Базовая гармоника, так же, как и 10 микронное излучение CO2 лазеров, оплавляет края полиимида, создавая «валики» расплавленного и неудаленного материала и вызывает почернение (за счет сажи). Как правило, эксимерные лазеры приводят к лучшим результатам, но их производительность ниже, чем Nd:YAG, а тем более волоконных лазеров.
Лазерная микропайка и микросварка
Лазерная микропайка используется в производстве жестких и гибких печатных плат для слуховых аппаратов, в сердечных стимуляторах, в медиаплеерах, сотовых телефонах. В авионике она широко используется в волоконнооптических гироскопах, где пигтейлы привариваются с помощью лазера к плате для обеспечения большей стабилизации положения волокна.
Лазерная микропайка имеет ряд преимуществ перед традиционными методами. Прежде всего это бесконтактность процесса, а, следовательно, меньший риск электростатического разрушения деталей. Повторяемость и контролируемость процесса в следствие стабильности параметров и качества излучения современных лазерных источников.
До недавнего времени наиболее часто для микросварки применялись диодные лазеры, как наиболее экономичное решение, однако сегодня на этом рынке неплохую конкуренцию им составляют волоконные лазеры.
Лазеры также применяются и для микросварки инструментария малоинвазивной хирургии, например, катетеров (рис.1, 2). В этой ситуации важно произвести сварку в нужных местах в условиях сложной трехмерной геометрии объекта.
Мария Степанова, к.ф.м.н.
<"