Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине



 


Владельцы патента RU 2582849:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") (RU)

Изобретение относится к способу лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине и может найти применение изготовления пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов с отверстиями. Осуществляют облучение поверхности пластин импульсным лазерным излучением. Выбирают длину волны импульсного излучения из условия: 1,2<χh<3,1, где χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения; h - толщина пластины. Исходный лазерный пучок делят на два пучка и одновременно соосно воздействуют на обе поверхности пластины с плотностью энергии, определяемой по соотношению:

где e - основание натурального логарифма; Q - удельная энергия сублимации материала; R - коэффициент отражения материала. Поверхности пластины предварительно полируют. В результате достигается снижение энергетических затрат при лазерном пробитии сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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 x, равна

где W - плотность энергии лазерного излучения;

x - 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 составляет 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 он не позволяет проводить пробитие сквозных отверстий в неметаллических пластинах, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, при минимальных энергетических затратах.

Техническим результатом 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.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности лазерным излучением, выбирают длину волны импульсного лазера из условия:

где χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения; h - толщина пластины,

исходный лазерный пучок делят на два пучка и одновременно соосно воздействуют на обе поверхности пластины с плотностью энергии, определяемой по соотношению:

где W2 - плотность энергии на каждой поверхности пластины.

е - основание натурального логарифма;

Q - удельная энергия сублимации материала;

R - коэффициент отражения материала.

Поверхности пластины предварительно полируют.

На фиг. 1 представлена схема лазерной установки для реализации предложенного способа обработки.

Установка содержит импульсный лазер (1), телескопический преобразователь диаметра пучка, состоящий из собирающей линзы (2) и рассеивающей линзы (3), диэлектрическое зеркало (4) с коэффициентом отражения 0,5 на длине волны лазера, осуществляющее разделение на два пучка равной плотности энергии исходного лазерного пучка, и двух диэлектрических зеркал (5, 6) с коэффициентом отражения ~0,99, направляющих лазерное излучение на обе поверхности обрабатываемой пластины (7). При помощи телескопического преобразователя исходный лазерный пучок преобразуется в пучок требуемого диаметра с минимально возможной расходимостью.

Если

где а - коэффициент температуропроводности материала пластины;

Rп - радиус пучка лазерного излучения после рассеивающей линзы,

то можно рассматривать задачу об испарении материала в одномерной постановке и пренебречь переносом энергии в материале за счет теплопроводности за время действия лазерного импульса.

Удельное энерговыделение по толщине пластины при двухстороннем облучении ее лазерным излучением будет иметь вид

где x - координата, отсчитываемая от поверхности вглубь пластины (0≤x≤h);

h - толщина пластины.

Для пробития сквозного отверстия в пластине необходимо, чтобы минимальное удельное энерговыделение, имеющее место при χh=0,5, было не менее удельной энергии сублимации материала пластины Q.

Из (6) имеем

Из (7) получим

Масса (на единицу площади) испарившегося материала составит

Удельная масса (на единицу вложенной энергии) испарившегося материала составит

Из (10) получим

Исследования на экстремум уравнения (10) показывает, что mУД имеет максимум при χh=2, причем в точке максимума является постоянной для конкретного типа материала величиной и составляет

( m У Д ) m a x 0 , 7 3 6 ρ Q ,

что в два раза выше, чем в прототипе.

На фиг. 2 показана зависимость m У Д Q ρ от безразмерного параметра χh.

Видно, что для диапазона значений

величина m У Д Q ρ находится вблизи максимума и уменьшается не более чем на 12%.

Так как длины волн технологических лазеров имеют определенные значения, а толщины пластин могут быть произвольными, трудно обеспечить оптимальный режим обработки при χh=2. Рациональным режимом пробития сквозных отверстий в пластинах является воздействие импульса лазерного излучения на пластину с длиной волны, обеспечивающей выполнение условия (12), при этом плотность энергии на каждой поверхности пластины рассчитывают по соотношению (8). Таким образом, достигается положительный эффект при лазерном пробитии сквозных отверстий в неметаллических пластинах, обладающих объемным поглощением на длине волны лазерного излучения.

Для предотвращения рассеяния лазерного излучения требуется предварительная полировки поверхностей пластины.

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 А.А., 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. Опубл. 27.06.2013. Бюл. №18.

1. Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, включающий обработку поверхности пластины посредством импульсного лазера, отличающийся тем, что на пластину воздействуют импульсом лазерного излучения с длиной волны, обеспечивающей выполнение условия:
1,2<χh<3,1,
где χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения; h - толщина пластины, при этом исходный пучок лазерного излучения разделяют на два пучка и одновременно соосно воздействуют на обе поверхности пластины с равной плотностью энергии, определяемой по соотношению:

где е - основание натурального логарифма;
Q - удельная энергия сублимации материала;
R - коэффициент отражения материала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхности пластины предварительно полируют.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству лазерной наплавки материалов. Способ лазерной наплавки состоит в подаче наплавляемого материала в фокальную область лазерного пучка, размещенную на поверхности обрабатываемого изделия.

Группа изобретений относится к способу и устройству для изготовления малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов и может быть использована при изготовлении квантовых приборов различного применения.

Изобретение относится к способу лазерно-дуговой сварки толстолистовых стальных конструкций и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Используют гибридную лазерно-дуговую головку.

Изобретение относится к способу обработки поверхности для повышения степени ее черноты перед нанесением основного покрытия и может быть использовано при производстве светопоглащающих элементов объективов, гелиотермических преобразователей.

Изобретение относится к конструкции (10) соединения керамического слоя (1), содержащего термоизоляционный материал, с металлическим слоем (2) и способу ее получения.

Изобретение относится к способу соединительной сварки встык оснащенных покрытием стальных листов (1). К сварочному расплаву (6) через, по меньшей мере, один проточный канал (10) подводят, по меньшей мере, одну порошкообразную сварочную присадку (8) в форме потока (9) газа и порошка.

Изобретение относится к способу и устройству для структурирования поверхности (9) твердого материала, нанесенного на твердое тело, и упаковочной фольге с тиснением, которое нанесено штампами для тиснения или валами для тиснения.

Изобретение относится к лазерной сварке алюминиевых сплавов и может быть использовано в различных областях машиностроения, судостроения, авиационно-космической промышленности.

Изобретение относится к способу сварки деталей различного диаметра и разной толщины и может быть использовано в приборостроении, в электронной и радиотехнической промышленности.

Изобретение относится к способу формирования полого структурного элемента замкнутого сечения. Способ формирования полого структурного элемента включает штамповку верхнего компонента из листового металла с незамкнутым сечением, выполненного с двумя в основном параллельными выступающими вниз стыковочными фланцами, штамповку нижнего компонента из листового металла с незамкнутым сечением, выполненного с двумя в основном параллельными выступающими вверх стыковочными фланцами и стыковую сварку стыковочных фланцев верхнего и нижнего компонентов из листового металла друг с другом.

Изобретение относится к устройству для лучевой обработки, которое способно быстро и точно обрабатывать поверхность заготовки. Устройство (10) для обработки поверхности заготовки (W) лучом (LB) содержит источник (32) для генерирования луча (LB), средство (12) перемещения луча (LB) и несколько отражателей (14), расположенных на оптическом пути луча (LB) между средством (12) перемещения луча и обрабатываемой поверхностью. Несколько отражателей (14) наклонены под предопределенным углом, соответствующим направлению падения луча (LB), при этом луч (LB), перемещенный средством (12) перемещения луча, проходит почти вертикально относительно другого положения обрабатываемой поверхности. 13 з.п. ф-лы, 17 ил.
Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки стальных деталей, содержащих поверхностное покрытие на основе алюминия. Осуществляют сварку с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл вносят в результате плавления расходуемой проволоки, сварку ведут с защитным газом. Расходуемая проволока содержит 3-20 мас.% одного или более образующих гамма-фазу элементов. Эти элементы выбраны из C, Mn, Ni и N, а защитный газ образован из гелия и/или аргона с добавлением менее 10 об.% азота или кислорода. Изобретение особенно приспособлено для сварки составных заготовок («tailored blanks»), использующихся в области автомобилестроения, или для сварки труб. 13 з.п. ф-лы, 1 пр.
Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки, осуществляемому с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл подается посредством плавления расходуемой проволоки. Сварочную ванну получают на по меньшей мере одной стальной детали, содержащей поверхностное покрытие на основе алюминия. Процесс ведут с защитным газом. Защитный газ образован по меньшей мере одним основным компонентом, выбранным среди аргона и гелия, и по меньшей мере одним дополнительным компонентом, выбранным среди азота и кислорода. Защитный газ содержит от 1% до 20% по объему упомянутого одного дополнительного компонента. 10 з.п. ф-лы, 1 пр.
Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа изготовления многофункциональных оптических прицельных сеток. Способ включает в себя чистку подложки, нанесение на подложку элементов топологии оптической шкалы в световой зоне сетки методом лазерной абляции с использованием инфракрасного фемтосекундного импульсного лазера, запуск, поправку, чистку органическим растворителем, нанесение металлического покрытия из алюминия или серебра. Вне световой зоны сетки с помощью лазера выполняют реперные метки. Затем по реперным меткам выставляют положение точки фокусировки излучения лазера и на металлическом покрытии методом лазерной абляции наносят элементы топологии коллиматорной шкалы сетки на глубину металлического слоя. Технический результат заключается в обеспечении возможности изготовления сеток произвольной топологии, повышении коэффициента отражения сетки и упрощении способа изготовления.
Наверх