Tecnología de procesamiento de piezas ópticas
El micromecanizado láser es importante para fabricar pequeños agujeros o ranuras en productos electrónicos, médicos y de automoción complejos. Debido a que las dimensiones de apertura y ranura de estos productos son cada vez más pequeñas, las tolerancias en estas dimensiones son cada vez más estrictas. Sólo los láseres pueden cumplir todos los requisitos para piezas micromecanizadas de 1 μm a 1 mm. El procesamiento láser tiene un área de efecto térmico pequeña y puede controlar con precisión el rango y la profundidad del procesamiento, lo que garantiza una alta repetibilidad, buenos bordes y una amplia versatilidad [1].
En la fabricación de microsistemas, el grabado anisotrópico de silicio y la tecnología LIGA se utilizan ampliamente para procesar diversas microestructuras. El primero es adecuado para procesar estructuras bidimensionales de silicio y estructuras tridimensionales con relaciones de aspecto pequeñas; el segundo puede procesar estructuras tridimensionales precisas, no sólo de silicio, sino también de metales, plásticos y cerámicas. Sin embargo, esta tecnología requiere condiciones duras y requiere una fuente de rayos X de radiación sincrotrón. La producción del módulo es muy complicada y es difícil popularizarla. También hay que señalar que la tecnología LIGA no es compatible con IC, lo que limita en cierta medida su aplicación.
La tecnología de micromecanizado láser desarrollada a principios de la década de 1990 no solo puede procesar microestructuras complejas, sino que también tiene requisitos de condiciones menos estrictos y puede implementarse fácilmente en laboratorios y fábricas [2].
El micromecanizado láser implica una amplia gama de campos de aplicación. Este artículo presenta principalmente la aplicación del micromecanizado láser de banda ultravioleta o de 532 nm y 1,06 μm, que funciona en estado de pulso y se utiliza en microelectrónica y micromáquinas (MEMS). Otras aplicaciones de los rayos láser no se detallan aquí.
2. Tecnología de micromecanizado directo por láser de pulso
La tecnología de micromecanizado directo por láser de pulso utiliza pulsos láser de alta energía para procesar sólidos directamente, basándose principalmente en la tecnología de ablación por láser. Durante el proceso de ablación, la energía láser absorbida por el material sólido hace que el material sea expulsado de la superficie mecanizada. La ablación con láser y sólidos está estrechamente relacionada con los parámetros del material sólido y del láser de pulso. Los parámetros del láser de pulso incluyen principalmente la longitud de onda del láser, el ancho del pulso y la intensidad del pulso. En condiciones adecuadas, casi todos los materiales sólidos pueden procesarse con láser de pulso, y los parámetros de procesamiento con láser de pulso de muchos materiales se han establecido mediante investigaciones [3].
La Figura 1 (a) muestra la estructura principal de un equipo de procesamiento con láser excimer ordinario. El rayo láser pasa a través de una serie de dispositivos, incluidos obturadores, atenuadores ajustables, formadores de haz y normalizadores, y finalmente incide en la máscara. En esta estructura, un modelador de haz cambia la forma del haz a una forma aproximadamente cuadrada, y luego un normalizador divide la luz en muchos haces, cada uno de los cuales ilumina la máscara desde una dirección diferente (Figura 1(b)). Esto no sólo mejora la uniformidad de la exposición a la luz, sino que también introduce un elemento fuera del eje. La irradiación de luz fuera del eje puede completar el procesamiento de estructuras verticales e incluso estructuras perforadas, mientras que la irradiación de luz plana tradicional no puede procesar dichas estructuras. En todo el sistema, generalmente se requiere algún equipo auxiliar para la colimación, como un sensor de video CCD o un microscopio no lineal independiente.
Una de las principales características de la tecnología de micromecanizado directo por láser pulsado es que puede procesar perfiles superficiales tridimensionales complejos. Las exposiciones múltiples de diferentes máscaras pueden procesar estructuras escalonadas de varios niveles, mientras que las máscaras de escaneo pueden completar el corte continuo dentro del tiempo de exposición, o usar directamente máscaras de medio tono para realizar la ablación de proyección para completar el corte continuo [4]. La máscara y la pieza de trabajo generalmente se instalan en una plataforma móvil de precisión controlada por un motor paso a paso, y la operación de escaneo automático se implementa mediante una computadora. Otros parámetros del láser pulsado, como el flujo del láser y la tasa de repetición, se pueden cambiar durante el procesamiento. Además, el ángulo de visión máximo de la iluminación fuera del eje se puede cambiar cambiando la apertura numérica NA, como se muestra en la Figura 1 (b), de modo que se puedan procesar estructuras con diferentes ángulos de pared lateral bajo la condición de que el flujo luminoso del láser permanezca sin alterar.
Figura 1 (a) Diagrama de bloques del equipo de procesamiento por láser excimer (b) Diagrama del sistema óptico
Otra característica de la tecnología de micromecanizado directo por láser pulsado es que puede procesar una variedad de materiales [ 5 ], especialmente materiales poliméricos.
La mayoría de los polímeros tienen una fuerte absorción de energía dentro del espectro del láser, lo que garantiza el acoplamiento de energía entre el láser y la pieza de trabajo, y su conductividad térmica relativamente baja garantiza que el área de difusión térmica y de impacto térmico durante el proceso de ablación sea pequeña. En la mayoría de los casos se obtiene un buen acabado superficial y se minimizan las pérdidas adicionales (fusión y desconchado), propiedad que no se encuentra en muchos otros materiales. Por ejemplo, debido a la alta reflectividad y la alta conductividad térmica de los metales, el procesamiento con láser pulsado tiene un umbral de ablación alto y existen importantes pérdidas adicionales durante el procesamiento. Sin embargo, si el objeto de procesamiento es una película metálica depositada sobre una superficie de sustrato con mala conductividad térmica, se pueden obtener buenos resultados de procesamiento utilizando láser de pulso.
El ejemplo más exitoso de procesamiento directo de dispositivos MEMS mediante láser pulsado es el procesamiento de cabezales de impresión de inyección de tinta [6]. Además, la alta potencia máxima y las capacidades de procesamiento de estructuras 3D de los láseres pulsados también se pueden aplicar al procesamiento de chips de microfluidos. Los componentes principales de los chips de microfluidos, como microcanales, microfiltros, microagitadores, microrreactores, etc., requieren estructuras 3D (o al menos 2,5D). Además, como material para chips de microfluidos, los polímeros son más adecuados para el micromecanizado con láser pulsado que los sustratos de silicio.
Recientemente también se han informado ejemplos de procesamiento directo de MEMS, como la fabricación de microactuadores bimorfos [7] y actuadores de material magnético multicapa [8] sobre sustratos de silicio. Además, la tecnología de micromecanizado láser de femtosegundo también se está desarrollando rápidamente [9]. El láser de femtosegundo tiene una alta densidad de energía, lo que lo convierte en una buena perspectiva de aplicación en ciertos aspectos del procesamiento MEMS. Por ejemplo, se pueden fabricar microestructuras sobre materiales transparentes aprovechando las fuertes interacciones entre los materiales transparentes estándar y los multifotones de alta energía.
2.1 Procesamiento directo
El término "procesamiento directo" se utiliza aquí para describir el proceso de procesamiento de materiales con un punto enfocado de un rayo láser. Esta tecnología se utiliza ampliamente en micromecanizado que requiere alta precisión y tamaño pequeño, incluida la perforación de inyectores de combustible, la perforación de sensores de gas, la caracterización de células solares y el procesamiento de prototipos de MEMS. La pieza de trabajo se mecaniza con láser mientras se mueve a lo largo de la viga con un escáner galvo y una plataforma móvil para obtener el patrón deseado. Al ajustar el detector actual, la velocidad de procesamiento puede alcanzar 10 ms-1 [10].
Figura 2: (a) Diagrama esquemático de procesamiento directo con detector de corriente y plataforma móvil X-Y (b) Equipo láser para procesamiento directo con b) MicrAlater M1000.
2.2 Perforación
Utilice un rayo láser enfocado para procesar una serie de orificios en una plataforma X-Y o detector de flujo, ampliamente utilizado para perforar inyectores de combustible, sensores de gas, placas de micro circuitos y detección. tarjetas. La Figura 3 muestra una parte de una tarjeta de prueba utilizada para pruebas de CI (circuito integrado). Se perforó un orificio de 100 μm en un cristal de nitruro de silicio de 500 μm de espesor utilizando un láser ND:YAG de 355 nm. Utilizando el software AblataCAM, los archivos se pueden convertir directamente en el proceso de procesamiento del equipo láser. Con esta tecnología, se pueden mecanizar agujeros de casi cualquier forma en la tarjeta de prueba.
Figura 3: (a) Orificio de 100 μm en la tarjeta detectora de cristal de nitruro de silicio para pruebas de CI; b) Orificio de inyección de combustible en acero duro.
La demanda de bajas pérdidas y una mejor eficiencia del combustible en los motores ha llevado a una investigación intensiva sobre orificios más pequeños y inyectores de combustible con paredes más gruesas. Debido a las limitaciones de la tecnología EMD tradicional en la perforación de inyectores diésel, la tecnología de procesamiento láser se ha convertido en una tecnología clave para la próxima generación de motores diésel. El diámetro del orificio es de 30-100 μm, la tolerancia es de 1,5 μm y el ángulo cónico es inferior a 0,5 grados. La Figura 3 (b) muestra el orificio mecanizado en el inyector de un motor diésel utilizando un láser Nd:YAG de 532 nm.
2.3 Procesamiento de paneles solares
Los equipos láser que funcionan a una longitud de onda de 1,06 μm, con una energía típica de decenas de vatios, se utilizan ampliamente para el grabado fino en línea recta en la capa inferior. de vidrio de paneles solares de película delgada. La combinación de este proceso y tecnología de emisión con BTS permite que los paneles solares mantengan una precisión y exactitud muy altas a altas velocidades. La Figura 4 (a) es un diagrama esquemático del proceso de procesamiento de películas delgadas de silicio amorfo bajo un sistema de láser dual (1,06 μm y 532 nm).
Se utiliza un rayo láser IR YAG para dibujar una línea de aproximadamente 30 μm de ancho en la capa de ITO, y luego se deposita α-Si. El rayo láser visible YAG pasa a través de la capa de α-Si cerca del disco para procesar interconexiones de 50 μm de diámetro. La capa ITO no se ve afectada por el proceso de procesamiento. Luego se deposita una capa de electrodo de aluminio y se utiliza un láser YAG visible para procesar una pista con un ancho de aproximadamente 25 μm para completar el procesamiento de la placa. Parte del proceso de procesamiento de la plantilla del panel solar se muestra en la Figura 4. Se tarda aproximadamente 1 minuto en procesar cada capa de placa de 400 mm con 580 nm.
Figura 4: (a) Panel solar procesado mediante sistema láser de doble longitud de onda.
b) Fotos de trazado e interconexión en paneles solares α-si de película delgada
3. Últimas tendencias de investigación
3.1 UV para micromecanizado Máquina perforadora láser - Meister 1000DF
MHI ha producido la última máquina perforadora láser DUV266nm Meister 1000DF, que se puede aplicar a todos los nuevos osciladores UV-YAG de estado sólido. Meister 1000DF se puede utilizar para micromecanizado de alta calidad en diferentes materiales y entornos de trabajo. Características: El resonador láser sólido bombeado por semiconductores puede lograr una larga vida útil, alta confiabilidad, alta densidad de energía y salida UV de 266 nm, puede lograr microperforaciones con un diámetro de 50 a 200 micrones, es rápido y está equipado con un detector de corriente [11].
Figura 5: Diagrama de ejemplo de aplicación de procesamiento
(a) Orificio pasante: resina de poliimida, 100 μm de diámetro, 25 μm de espesor
(b) Orificio pasante : cerámica, diámetro 100 μm, espesor 250 μm
Figura 6: Diagrama de estructura
3.2 Láser UV DPSS
Láser de pulso alto de 355 nm (láser YV04 bombeado por LD SHG THG) refrigeración por aire. Descripción general: Este láser es un láser ultravioleta DPSS pulsado de alta frecuencia compacto y refrigerado por aire (355 nm). En este láser se utiliza el cristal no lineal GdYCOB (inventado por la Universidad de Osaka). Por lo tanto, se puede obtener una calidad de luz alta y una salida estable. También es muy fácil de mantener y operar, y se usa ampliamente en micromecanizado, medición precisa, etc. [12].
Láser verde 3.3 DPSS
El láser de alto pulso de 532 nm (láser de vanadato de itrio bombeado por LD SHG) utiliza refrigeración por aire. Descripción general: Este láser es un láser verde DPSS pulsado de alta frecuencia compacto y refrigerado por aire (532 nm). Tiene buena estabilidad de salida y calidad de luz de carretera. Tiene una amplia gama de aplicaciones en medición y medición.
Láser 3.4 DPSS YVO4
Enfriamiento por aire del láser de 1064 nm de alto pulso (láser YVO4 bombeado por LD). Descripción general: Este es un láser DPSS compacto, refrigerado por aire y fácil de mantener. Bomba LD, salida de fibra. Puede miniaturizarse debido a su alta repetibilidad y tensión térmica durante el procesamiento. Por lo tanto, puede usarse ampliamente en marcado de alta velocidad, procesamiento láser y fuentes de luz armónica.
4. Conclusión
El láser de pulso tiene capacidades de procesamiento únicas en términos de rango de materiales de procesamiento y flexibilidad de procesamiento 3D. La tecnología de procesamiento por láser de pulso combinada con otras tecnologías convencionales de micromecanizado puede proporcionar métodos de procesamiento importantes para el desarrollo futuro de MEMS. Las principales áreas de aplicación de la tecnología de procesamiento por láser pulsado son los microactuadores, dispositivos de microfluidos y sistemas basados en materiales funcionales. Además, el láser pulsado también tiene la capacidad única de manipular y conectar microcomponentes, por lo que también hará una gran contribución a la integración de MEMS y la tecnología de empaquetado.
Materiales de referencia:
[1] Geng, Progress in laser micromachining [J]. Láser e Infrarrojo, 1997, 27(6): 330-332.
[2] Zhang Guangzhao, Liu Yan, tecnología de micromecanizado. Tecnología de sensores, 1997, 16 (3): 57-60.
Li, Rao Zhijun, Song Xiaohui, Fu Xing, Hu, Tecnología de procesamiento MEMS con láser de pulso [J]. Tecnología de micro y nanoelectrónica, 2003: 159-163.
[4] RIZVI N. Procesamiento de microestructuras con láser excimer [J MST News, 1999.1: 18-21
[5] GOWER M. c. aplicaciones futuras en la industria y la medicina [A]. En: Clover RC, Oakley PJ. Procesamiento láser en la fabricación[M]. Chapman y Hall, 1994.
[6] ROMAN C. El láser excimer perfora agujeros de precisión con mayor rendimiento [J].
[7] Lee J, Ananta Suresh GK. Investigación sobre la calidad de microdispositivos compatibles electrotérmicos mediante micromecanizado con láser excimer[J]. 2001, 11; 39-47
[8] Fluege W.P, et al. Aplicación del micromecanizado láser en tecnología de película delgada [J]. p>
[9] OSTENDORF A. Procesamiento de dieléctricos utilizando longitudes de onda ultravioleta de vacío y pulsos ultracortos [A]. Li, 2000, Tecnología de micromaquinado láser [C] 2000, Beijing: Science Press, 2001
[10]http://www.exitech.co.uk/pdfFiles/Thin 20 films 20 paper 20 hjb. 202003.pdf
[11]http://www.MHI.co.jp/Kobe/mhikobe-e/products/etc/uv laser.htm
[12 ]http ://www.neoark.co.jp/Eng/eng-PDF/YVO4_355.PDF