Hoewel ultrasnelle lasers al tientallen jaren bestaan, zijn industriële toepassingen de afgelopen twintig jaar snel gegroeid. In 2019 is de marktwaarde van ultrasnel gestegenlasermateriaalde verwerking bedroeg ongeveer 460 miljoen dollar, met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 13%. Toepassingsgebieden waar ultrasnelle lasers met succes zijn gebruikt om industriële materialen te verwerken, zijn onder meer de fabricage en reparatie van fotomaskers in de halfgeleiderindustrie, evenals het snijden van silicium, het snijden/schrijven van glas en (indiumtinoxide) ITO-filmverwijdering in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons en tablets , zuigertextuur voor de auto-industrie, productie van coronaire stents en productie van microfluïdische apparaten voor de medische industrie.
01 Productie en reparatie van fotomaskers in de halfgeleiderindustrie
Ultrasnelle lasers werden gebruikt in een van de eerste industriële toepassingen in materiaalverwerking. IBM rapporteerde in de jaren negentig de toepassing van femtoseconde-laserablatie bij de productie van fotomaskers. Vergeleken met laserablatie op nanoseconden, die metaalspatten en glasschade kan veroorzaken, vertonen femtoseconde-lasermaskers geen metaalspatten, geen glasschade, enz. De voordelen. Deze methode wordt gebruikt om geïntegreerde schakelingen (IC's) te produceren. Voor de productie van een IC-chip zijn mogelijk tot 30 maskers nodig en de kosten >100.000 dollar. Femtoseconde-laserverwerking kan lijnen en punten onder 150 nm verwerken.
Figuur 1. Fabricage en reparatie van fotomaskers
Figuur 2. Optimalisatieresultaten van verschillende maskerpatronen voor extreme ultraviolette lithografie
02 Siliciumsnijden in de halfgeleiderindustrie
Het in blokjes snijden van siliciumwafels is een standaard productieproces in de halfgeleiderindustrie en wordt doorgaans uitgevoerd met behulp van mechanisch in blokjes snijden. Deze snijwielen vertonen vaak microscheurtjes en zijn moeilijk te snijden in dunne wafels (bijv. dikte < 150 μm). Het lasersnijden van siliciumwafels wordt al vele jaren in de halfgeleiderindustrie gebruikt, vooral voor dunne wafers (100-200 μm), en wordt in meerdere stappen uitgevoerd: lasergroeven, gevolgd door mechanisch scheiden of stealth-snijden (dat wil zeggen een infraroodlaserstraal binnenin). het siliciumschrijven) gevolgd door mechanische tapescheiding. De nanosecondepulslaser kan 15 wafers per uur verwerken en de picosecondelaser kan 23 wafers per uur verwerken, met een hogere kwaliteit.
03 Glassnijden/schrijven in de verbruikselektronica-industrie
Aanraakschermen en beschermbrillen voor mobiele telefoons en laptops worden dunner en sommige geometrische vormen zijn gebogen. Dit maakt traditioneel mechanisch snijden moeilijker. Typische lasers produceren doorgaans een slechte snijkwaliteit, vooral wanneer deze glazen displays in 3-4 lagen zijn gestapeld en het bovenste 700 μm dikke beschermende glas is gehard, wat kan breken onder plaatselijke spanning. Het is aangetoond dat ultrasnelle lasers deze glazen met een betere randsterkte kunnen snijden. Voor het snijden van grote platte panelen kan de femtoseconde-laser worden scherpgesteld op de achterkant van de glasplaat, waardoor de binnenkant van het glas wordt bekrast zonder de voorkant te beschadigen. Het glas kan vervolgens worden gebroken met behulp van mechanische of thermische middelen langs het kerfpatroon.
Figuur 3. Picosecond ultrasnel laserglas speciaal gevormd snijden
04 Zuigertexturen in de auto-industrie
Lichtgewicht automotoren zijn gemaakt van aluminiumlegeringen, die niet zo slijtvast zijn als gietijzer. Uit onderzoek is gebleken dat femtoseconde-laserverwerking van autozuigertexturen de wrijving met wel 25% kan verminderen, omdat vuil en olie effectief kunnen worden opgeslagen.
Figuur 4. Femtoseconde-laserverwerking van zuigers van automotoren om de motorprestaties te verbeteren
05 Productie van coronaire stents in de medische industrie
Miljoenen coronaire stents worden in de kransslagaders van het lichaam geïmplanteerd om een kanaal te openen waardoor bloed naar anders verstopte bloedvaten kan stromen, waardoor jaarlijks miljoenen levens worden gered. Coronaire stents worden doorgaans gemaakt van metaaldraadgaas (bijvoorbeeld roestvrij staal, een nikkel-titanium vormgeheugenlegering of recenter een kobalt-chroomlegering) met een stutbreedte van ongeveer 100 μm. Vergeleken met lasersnijden met lange pulsen zijn de voordelen van het gebruik van ultrasnelle lasers voor het snijden van beugels een hoge snijkwaliteit, een betere oppervlakteafwerking en minder vuil, wat de nabewerkingskosten verlaagt.
06 Productie van microfluïdische apparaten voor de medische industrie
Microfluïdische apparaten worden vaak gebruikt in de medische industrie voor het testen en diagnosticeren van ziekten. Deze worden doorgaans vervaardigd door micro-spuitgieten van afzonderlijke onderdelen en vervolgens aan elkaar te hechten door middel van lijmen of lassen. Ultrasnelle laserfabricage van microfluïdische apparaten heeft het voordeel dat 3D-microkanalen worden geproduceerd in transparante materialen zoals glas zonder dat er verbindingen nodig zijn. Eén methode is ultrasnelle laserfabricage in een bulkglas, gevolgd door nat chemisch etsen, en een andere is femtoseconde laserablatie in glas of plastic in gedestilleerd water om vuil te verwijderen. Een andere aanpak is om kanalen in het glasoppervlak te bewerken en deze af te dichten met een glazen afdekking via femtoseconde laserlassen.
Figuur 6. Femtoseconde laser-geïnduceerde selectieve etsen om microfluïdische kanalen in glasmaterialen te bereiden
07 Microboren van injectormondstuk
Femtoseconde laserbewerking van microgaten heeft bij veel bedrijven in de markt voor hogedrukinjectoren micro-EDM vervangen vanwege een grotere flexibiliteit bij het wijzigen van stromingsgatprofielen en kortere bewerkingstijden. De mogelijkheid om automatisch de focuspositie en kanteling van de straal te regelen via een precesserende scankop heeft geleid tot het ontwerp van apertuurprofielen (bijvoorbeeld ton, flare, convergentie, divergentie) die atomisatie of penetratie in de verbrandingskamer kunnen bevorderen. De boortijd is afhankelijk van het ablatievolume, met een boordikte van 0,2 – 0,5 mm en een gatdiameter van 0,12 – 0,25 mm, waardoor deze techniek tien keer sneller is dan micro-EDM. Microboren wordt in drie fasen uitgevoerd, inclusief voorbewerken en afwerken van doorlopende gaten. Argon wordt gebruikt als hulpgas om het boorgat te beschermen tegen oxidatie en om het uiteindelijke plasma tijdens de beginfasen af te schermen.
Figuur 7. Femtoseconde laser uiterst nauwkeurige verwerking van omgekeerd taps gat voor dieselmotorinjector
08 Ultrasnelle lasertextuur
Om de nauwkeurigheid van de bewerking te verbeteren, materiaalschade te verminderen en de verwerkingsefficiëntie te verhogen, is het gebied van microbewerking de afgelopen jaren geleidelijk een focus van onderzoekers geworden. Ultrasnelle laser heeft verschillende verwerkingsvoordelen, zoals lage schade en hoge precisie, wat de focus is geworden van het bevorderen van de ontwikkeling van verwerkingstechnologie. Tegelijkertijd kunnen ultrasnelle lasers op een verscheidenheid aan materialen inwerken, en het laserverwerking van materiële schade is ook een belangrijke onderzoeksrichting. Ultrasnelle laser wordt gebruikt om materialen te ablateren. Wanneer de energiedichtheid van de laser hoger is dan de ablatiedrempel van het materiaal, zal het oppervlak van het geablateerde materiaal een micro-nanostructuur met bepaalde kenmerken vertonen. Uit onderzoek blijkt dat deze bijzondere oppervlaktestructuur een veel voorkomend verschijnsel is dat optreedt bij het laserbewerken van materialen. De voorbereiding van micro-nanostructuren aan het oppervlak kan de eigenschappen van het materiaal zelf verbeteren en ook de ontwikkeling van nieuwe materialen mogelijk maken. Dit maakt de voorbereiding van micro-nanostructuren aan het oppervlak door ultrasnelle laser een technische methode met belangrijke ontwikkelingsbelangen. Momenteel kan onderzoek naar ultrasnelle laseroppervlaktextuur voor metalen materialen de bevochtigingseigenschappen van het metaaloppervlak verbeteren, de oppervlaktewrijving en slijtage-eigenschappen verbeteren, de hechting van coatings en gerichte proliferatie en adhesie van cellen verbeteren.
Figuur 8. Superhydrofobe eigenschappen van een lasergeprepareerd siliciumoppervlak
Als geavanceerde verwerkingstechnologie heeft ultrasnelle laserverwerking de kenmerken van een kleine door hitte beïnvloede zone, een niet-lineair proces van interactie met materialen en verwerking met hoge resolutie voorbij de diffractielimiet. Het kan hoogwaardige en uiterst nauwkeurige micro-nanoverwerking van verschillende materialen realiseren. en driedimensionale fabricage van micro-nanostructuren. Het realiseren van laserproductie van speciale materialen, complexe structuren en speciale apparaten opent nieuwe wegen voor de productie van micro-nano's. Momenteel wordt femtoseconde-laser op grote schaal gebruikt op veel geavanceerde wetenschappelijke gebieden: femtoseconde-laser kan worden gebruikt om verschillende optische apparaten te vervaardigen, zoals microlensarrays, bionische samengestelde ogen, optische golfgeleiders en metasurfaces; met behulp van zijn hoge precisie, hoge resolutie en driedimensionale verwerkingsmogelijkheden kan femtoseconde laser microfluïdische en optofluïdische chips voorbereiden of integreren, zoals microverwarmercomponenten en driedimensionale microfluïdische kanalen; Bovendien kan femtosecondelaser ook verschillende soorten micro-nanostructuren op het oppervlak voorbereiden om antireflectie, antireflectie, superhydrofoob, anti-ijsvorming en andere functies te bereiken; niet alleen dat, femtoseconde-laser is ook toegepast op het gebied van de biogeneeskunde, waarbij uitstekende prestaties worden geleverd op gebieden als biologische micro-stents, celcultuursubstraten en biologische microscopische beeldvorming. Brede toepassingsmogelijkheden. Momenteel breiden de toepassingsgebieden van femtoseconde-laserverwerking zich jaar na jaar uit. Naast de bovengenoemde micro-optica, microfluïdica, multifunctionele micro-nanostructuren en biomedische technische toepassingen, speelt het ook een grote rol in een aantal opkomende gebieden, zoals de voorbereiding van metasurfaces. , micronanoproductie en multidimensionale optische informatieopslag, enz.
Posttijd: 17 april 2024
