เทคโนโลยีเลเซอร์ขนาดเล็กทั่วไปและการพัฒนา

1.บทนำ

เนื่องจากเลเซอร์ตัวแรกออกมาใน 1960 การวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์และการประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว การเชื่อมโยงกันสูงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการวัดความแม่นยำสูงการวิเคราะห์โครงสร้างวัสดุการจัดเก็บข้อมูลและการสื่อสาร ความสามารถในการกำหนดทิศทางและความสว่างสูงของเลเซอร์สามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิต ด้วยนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องและการเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์เลเซอร์แหล่งกำเนิดรังสีที่กระตุ้นใหม่และกระบวนการที่เกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน 20 ปีที่ผ่านมาเทคโนโลยีการผลิตเลเซอร์ได้แทรกซึมเข้าไปในสาขาและอุตสาหกรรมที่มีเทคโนโลยีสูงมากมายและเริ่มเปลี่ยนหรือเปลี่ยนบางส่วน อุตสาหกรรมแปรรูปแบบดั้งเดิม

ใน 1987 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันหยิบยกแผนการพัฒนาของระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก (MEMS) ซึ่งเป็นยุคใหม่ของการวิจัยของมนุษย์เกี่ยวกับเครื่องจักรขนาดเล็ก ในปัจจุบันเทคโนโลยีการผลิตที่ใช้ในการทำไมโครเมตรนั้นส่วนใหญ่จะประกอบด้วยเทคโนโลยีการประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์เทคโนโลยีไมโครฟอร์แมต electroforming (Liga) เทคโนโลยีการตัดเฉือนที่มีความแม่นยำสูงและเทคโนโลยีการทำไมโครเมตรพิเศษ ในหมู่พวกเขาวิธีการทำไมโครโมลิบดีนัมพิเศษคือผ่านผลโดยตรงของพลังงานการประมวลผลเพื่อให้ได้การกำจัดโมเลกุลหรืออะตอมทีละตัว เครื่องจักรกลพิเศษจะดำเนินการในรูปแบบของพลังงานไฟฟ้าพลังงานความร้อนพลังงานแสงพลังงานเสียงพลังงานเคมี ฯลฯ วิธีที่ใช้กันทั่วไปคือ EDM เครื่องจักรกลอัลตราโซนิกเครื่องจักรกลลำแสงอิเล็กตรอนเครื่องจักรลำแสงไอออนเครื่องจักรกลไฟฟ้าเคมี ฯลฯ ใน ไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้มีการพัฒนาวิธีการใหม่ของการทำไมโครโฟโตมิเตอร์: การทำโฟโตฟอร์ม (photoforming) รวมถึงภาพสเตอริโอ

2.การประยุกต์ใช้หลักของเทคโนโลยีเลเซอร์ขนาดเล็ก

ด้วยการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สู่แบบพกพาและขนาดเล็กการปรับปรุงข้อมูลปริมาณหน่วย (ความหนาแน่นสูง) และความเร็วการประมวลผลหน่วยเวลา (ความเร็วสูง) ได้นำเสนอข้อกำหนดใหม่สำหรับเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่นโทรศัพท์มือถือและกล้องดิจิตอลที่ทันสมัยมีการเชื่อมต่อระหว่างกัน 1200 ต่อตารางเซนติเมตร กุญแจสำคัญในการปรับปรุงระดับของบรรจุภัณฑ์ชิปคือการคงอยู่ของ micro vias ระหว่างเส้นของเลเยอร์ต่าง ๆ ซึ่งไม่เพียง แต่ให้การเชื่อมต่อความเร็วสูงระหว่างอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนพื้นผิวและแผงสัญญาณด้านล่าง แต่ยังช่วยลดพื้นที่บรรจุภัณฑ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ .

ในทางตรงกันข้ามกับการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาเช่นโทรศัพท์มือถือกล้องดิจิตอลและแล็ปท็อปเบาบางสั้นและขนาดเล็กในปีล่าสุดแผงวงจรพิมพ์ (PCBs) ค่อย ๆ แสดงลักษณะของ layering และอเนกประสงค์ด้วย เทคโนโลยีการเชื่อมต่อโครงข่ายที่มีความหนาแน่นสูงเป็นตัวหลัก เพื่อให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างเลเยอร์และการตรึงของอุปกรณ์ภายนอกเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพทำให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากลายเป็นส่วนสำคัญของ PCB แบบหลายชั้น ในปัจจุบันต้นทุนการขุดเจาะมักคิดเป็นจำนวน 30% - 40% ของต้นทุนการผลิต PCB ในการออกแบบ PCB ที่มีความเร็วสูงและมีความหนาแน่นสูงนักออกแบบมักจะหวังว่ายิ่งมีขนาดเล็กลงเท่าไหร่ก็ยิ่งดีเท่านั้นเพื่อไม่ให้มีพื้นที่การเดินสายไฟเพิ่มมากขึ้นเท่านั้น และยิ่งขนาดเล็กลงก็ยิ่งเหมาะสำหรับวงจรความเร็วสูง ขนาดขั้นต่ำของการขุดเจาะทางกลแบบดั้งเดิมมีเพียง 100 μ m ซึ่งเห็นได้ชัดว่าไม่สามารถตอบสนองความต้องการ แต่จะใช้วิธีการประมวลผลแบบไมโครรูใหม่ผ่านเลเซอร์แทน ในปัจจุบันมีความเป็นไปได้ที่จะได้รูขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 - 40 μ m หรือรูเล็ก ๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 μ m โดยใช้เลเซอร์ CO 2 ในอุตสาหกรรม

เทคโนโลยีเลเซอร์ micromachining สามารถใช้ในการตัด, เจาะ, แกะสลัก, อาลักษณ์, ความร้อนแทรกซึม, เชื่อมและอื่น ๆ ในการผลิตอุปกรณ์, รถยนต์, การผลิตที่มีความแม่นยำการบินและอุตสาหกรรมการประมวลผลขนาดเล็กต่างๆเช่นการประมวลผลของส่วนอิงค์เจ็ทของ เครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ทที่มีขนาดเกิน 20 ไมครอน การใช้เทคโนโลยีการรักษาพื้นผิวด้วยเลเซอร์เช่นการกดแบบไมโครการขัดและอื่น ๆ เพื่อประมวลผลองค์ประกอบไมโครออปติคัลหรือผ่านเลเซอร์ที่มีรูพรุนแก้วการเปลี่ยนรูปเซรามิกแก้วเซรามิกเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างจากนั้นปรับแรงทางกลภายนอก จากนั้นในขั้นตอนการทำให้นิ่มองค์ประกอบไมโคร - แสงจะถูกประมวลผลโดยการขึ้นรูปด้วยไมโครพลาสม่า

เทคโนโลยีเลเซอร์ขนาดเล็กทั่วไป

เทคโนโลยีเลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งมีข้อดีหลายประการเช่นการสัมผัสแบบไม่ต้องสัมผัส, การตัดเฉือนแบบเลือกเฉพาะ, พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขนาดเล็ก, ความแม่นยำสูงและอัตราการทำซ้ำ, ความยืดหยุ่นในการตัดเฉือนสูงในขนาดและรูปร่าง ในความเป็นจริงแล้วคุณสมบัติที่ใหญ่ที่สุดของเทคโนโลยีเลเซอร์ขนาดจิ๋วคือ" การเขียนโดยตรง" ซึ่งทำให้กระบวนการง่ายขึ้นและตระหนักถึงการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วของ micromachines นอกจากนี้วิธีนี้ไม่มีปัญหามลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมเช่นการกัดกร่อนจึงสามารถเรียกว่า"&การผลิตสีเขียว; เทคโนโลยีเลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งมีสองประเภทที่ใช้ในการกลึงไมโคร:

1) เทคโนโลยีการกำจัดวัสดุขนาดเล็กเช่นการเขียนด้วยเลเซอร์โดยตรง, การทำไมโครแมชชีนนิ่งเลเซอร์, ลีก้าเลเซอร์ ฯลฯ

2) เทคโนโลยีการซ้อนไมโครวัสดุเช่นเลเซอร์ไมโคร stereolithography การสะสมโดยใช้เลเซอร์การเผาผนึกด้วยเลเซอร์และอื่น ๆ

เทคโนโลยีเลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งอื่น ๆ

Pulse laser etching เป็นสาขาการวิจัยใหม่ของเทคโนโลยีเลเซอร์ ใช้เลเซอร์ความยาวคลื่นความถี่สั้นหรือ picosecond, femtosecond laser รวมกับเครื่องมือเครื่อง CNC ความแม่นยำสูงเพื่อกัดและประมวลผลวัสดุต่าง ๆ คุณภาพของโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุเหล่านี้จะสูงกว่ามากเมื่อวัสดุนั้นถูกสลักด้วยพัลส์สั้นแล้วจึงนำออก ใน 2001 เครื่องมือของไฮเดลเบิร์กในเยอรมนีใช้ความถี่สามเท่า (ความยาวคลื่น {{3}}. 7 nm) เพื่อให้ได้จุดโฟกัสที่น้อยที่สุด 5 มม. ขนาดคุณลักษณะขั้นต่ำที่สามารถตัดเฉือนได้ 10 mm และความแม่นยำ 1 mm รูปที่ 5 แสดงรูปร่างสามมิติของพัลส์เลเซอร์สลักบน WC / Co. เส้นผ่าศูนย์กลางของจุดโฟกัสเลเซอร์คือ 5 มม. และทิศทางการป้อนเข้าของ X และ Y คือ {{5 }} mm. {{1 3}}. 3 mm ถูกลบออกสำหรับแต่ละชั้นและพื้นผิวขรุขระเฉลี่ยคือ 0 16 mm การตัดด้วยเลเซอร์ขนาดเล็กนั้นเหมือนกับการแกะสลักด้วยเลเซอร์ในหลักการ นอกจากนี้ยังใช้เลเซอร์ความถี่สองเท่าหรือเลเซอร์เฟมโตวินาทีเป็นแหล่งกำเนิดแสงเพื่อโฟกัสลำแสงได้อย่างแม่นยำและควบคุมการป้อนพลังงานอย่างแม่นยำ ผลความร้อนมีขนาดเล็กและการตัดแบบไมโครจะดำเนินการ

3.การพัฒนาล่าสุดของเลเซอร์พัลส์เกินขีดในเทคโนโลยีไมโครแมชชีน

CO 2 เลเซอร์และเลเซอร์ YAG เป็นเลเซอร์พัลส์แบบต่อเนื่องและแบบยาว พวกเขามุ่งเน้นไปที่การสร้างความหนาแน่นพลังงานสูงซึ่งสามารถสร้างอุณหภูมิสูงในพื้นที่ท้องถิ่นเพื่อระเหยวัสดุ โดยทั่วไปแล้วพวกเขาอยู่ในเขตของการประมวลผลความร้อนมีความแม่นยำในการประมวลผล จำกัด เลเซอร์เอ็กซิมเมอร์อาศัยความยาวคลื่นสั้น (UV) ในการโต้ตอบกับโฟโตเคมีของวัสดุ อย่างไรก็ตามก๊าซที่ต้องการโดย excimer laser นั้นมีฤทธิ์กัดกร่อนและควบคุมได้ยาก ยิ่งไปกว่านั้นเลเซอร์ยูวีที่มีความแข็งแรงสูงสามารถทำลายองค์ประกอบทางแสงของระบบการประมวลผลได้อย่างง่ายดายดังนั้นการใช้งานจึงมี จำกัด ด้วยการศึกษาเพิ่มเติมของสนามเลเซอร์ความกว้างของโดเมนเวลาของพัลส์เลเซอร์จะถูกบีบอัดให้สั้นลงเรื่อย ๆ จากนาโนวินาที (10-9 วินาที) ถึง picosecond (10-12 วินาที) ถึง femtosecond (10-l 5 s)

เลเซอร์ชีพจร femtosecond มีสองลักษณะดังต่อไปนี้: (1) ระยะเวลาการเต้นของชีพจรสั้น ระยะเวลาของ femtosecond pulse อาจสั้นเพียงไม่กี่ femtoseconds และแสงจะแพร่กระจายเพียง 0 {{2}} μ m ใน 1 FS ซึ่งสั้นกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์ส่วนใหญ่ (2) อำนาจสูงสุดนั้นสูงมาก เลเซอร์ Femtosecond จะดูดพลังงานพัลส์ในช่วงไม่กี่ร้อยถึง femtosecond ดังนั้นพลังงานสูงสุดของมันจึงสูงมาก ตัวอย่างเช่นหากพลังงานของ L μ J เข้มข้นในไม่กี่ femtoseconds และแปรสภาพเป็นจุด 1 0 μ m ความหนาแน่นพลังงานแสงของมันสามารถเข้าถึง 1 0 1 8w / cm 2, และความเข้มของสนามไฟฟ้าสามารถแปลงเป็น 2 × 1 0 1 2 v / m, ซึ่งคือ 4 ครั้ง กำลังของสนามพลังคูลอมบ์ (5 × 1 0 1 1 v / M) ในอะตอมไฮโดรเจนมันเป็นไปได้ที่จะแยกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมโดยตรง

จากกลไกการทำงานร่วมกันของเลเซอร์และวัสดุโปร่งใสความกว้างพัลส์คือจากเลเซอร์ต่อเนื่องจนถึงสิบ picoseconds และกลไกความเสียหายคือกระบวนการไอออไนซ์หิมะถล่มซึ่งขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเริ่มต้นในขณะที่ความหนาแน่นอิเล็กตรอนเริ่มต้นในวัสดุเปลี่ยนแปลงอย่างมาก การกระจายสิ่งสกปรกที่ไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นเกณฑ์ความเสียหายจึงเปลี่ยนไปอย่างมาก เกณฑ์ความเสียหายของเลเซอร์แบบพัลส์ยาวถูกกำหนดให้เป็นความหนาแน่นของการไหลของพลังงานเลเซอร์ที่มีความน่าจะเป็นความเสียหายที่ 50% นั่นคือเกณฑ์ความเสียหายของเลเซอร์แบบพัลส์แบบยาวนั้นเป็นค่าทางสถิติ ความแรงของสนามของเลเซอร์พัลส์เกินขีดสูงมาก อิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้สามารถดูดซับโฟตอน n ในเวลาเดียวกันและเปลี่ยนจากระดับที่ถูกผูกไว้เป็นระดับอิสระได้โดยตรง แม้ว่าความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์พัลส์ ultrashort ก็เป็นกระบวนการไอออไนเซชันหิมะถล่ม แต่อิเล็กตรอนก็ถูกผลิตโดยกระบวนการไอออไนเซชันแบบมัลติโฟตอนและไม่ขึ้นกับความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเริ่มต้นในวัสดุอีกต่อไป ดังนั้นเกณฑ์ความเสียหายจึงเป็นค่าที่ถูกต้อง เกณฑ์ความเสียหายของเลเซอร์พัลส์จะลดลงเมื่อความกว้างพัลส์ลดลง ที่ระดับ picosecond อัตราการลดลงจะช้าลงและที่ระดับ femtosecond จะแทบไม่เปลี่ยนแปลง

นอกจากนี้เนื่องจากขีดจำกัดความเสียหายของเลเซอร์พัลส์เกินขีดมีความแม่นยำมากพลังงานเลเซอร์จึงถูกควบคุมให้เท่ากับหรือสูงกว่าขีดจำกัดความเสียหายเล็กน้อยจากนั้นเฉพาะส่วนที่สูงกว่าขีดจำกัดความเสียหายที่สร้างระเหยและการประมวลผลไมครอนด้านล่าง สามารถทำการ จำกัด การเลี้ยวเบนได้ เลเซอร์ femtosecond สามารถสร้างความเข้มแสงสูงพิเศษมีเกณฑ์ความเสียหายที่แม่นยำและต่ำมีพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขนาดเล็กมากและสามารถประมวลผลวัสดุเกือบทุกชนิดได้อย่างแม่นยำ ยิ่งไปกว่านั้นความแม่นยำในการประมวลผลนั้นสูงมากและสามารถประมวลผลขนาดไมครอนได้อย่างแม่นยำ

เลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งมีข้อดีของประสิทธิภาพการผลิตสูงต้นทุนต่ำคุณภาพการประมวลผลที่มั่นคงและเชื่อถือได้ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสังคมที่ดี เลเซอร์ femtosecond กำลังทำลายวิธีการประมวลผลเลเซอร์แบบดั้งเดิมด้วยข้อดีของระยะเวลาพัลส์สั้นพลังงานระดับสูงและการสร้างวัสดุใหม่ที่มีความละเอียดสูงความเสียหายที่ไม่เกิดความร้อนและ 3 D การประมวลผลและการประมวลผลพื้นที่ . การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการประมวลผล femtosecond เลเซอร์รวมถึงไมโครอิเล็กทรอนิกส์, อุปกรณ์โทนิคคริสตัล, อุปกรณ์สื่อสารใยแก้วนำแสงที่มีความเร็วในการส่งข้อมูลสูง (1 tbit / s), micromachining, หน่วยความจำออปติคอลสามมิติใหม่, การผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ขนาดเล็ก เทคโนโลยีและอื่น ๆ สามารถคาดการณ์ได้ว่าเทคโนโลยีเลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งนั้นจะกลายเป็นเทคโนโลยีขั้นสูงในศตวรรษที่ 2 1 ด้วยความได้เปรียบที่ไม่สามารถถูกแทนที่ได้

Concluไซออน

ในยุคของอุตสาหกรรมทุกประเทศในโลกมีความภาคภูมิใจในการผลิตเครื่องจักรขนาดใหญ่ ในยุคของเทคโนโลยีสารสนเทศทุกประเทศอุตสาหกรรมขั้นสูงมุ่งมั่นที่จะวิจัยวัสดุขนาดเล็กและการผลิตเครื่องจักรขนาดเล็กมากขึ้น ในขณะที่ในยุคของนาโนเทคโนโลยีเพื่อปรับให้เข้ากับการพัฒนาของการป้องกันประเทศ, อวกาศ, การแพทย์และวิศวกรรมชีวภาพ, การประมวลผลขนาดเล็กเป็นทิศทางการวิจัยที่ใช้งานมากที่สุดในอุตสาหกรรมการผลิตในวันนี้หนึ่งคือว่าระดับการพัฒนาเทคโนโลยีไมโครกล มาตรฐานในการวัดความแข็งแกร่งที่ครอบคลุมของประเทศ เทคโนโลยีเลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งดิ้งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในเทคโนโลยีการทำไมโครเมตรและมีโอกาสในการพัฒนาในวงกว้าง จีนจะต้องพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งพร้อมกับสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาอิสระเพื่อครอบครองสถานที่ในสาขาเทคโนโลยีชั้นสูงในอนาคต