Aínda que os láseres ultrarrápidos existen dende hai décadas, as aplicacións industriais creceron rapidamente nas últimas dúas décadas. En 2019, o valor de mercado de ultrarrápidomaterial lásero procesamento foi de aproximadamente 460 millóns de dólares, cunha taxa de crecemento anual composta do 13 %. As áreas de aplicación onde os láseres ultrarrápidos se utilizaron con éxito para procesar materiais industriais inclúen a fabricación e reparación de fotomáscaras na industria de semicondutores, así como o corte de silicio, o corte/grabado de vidro e a eliminación de películas ITO (óxido de indio e estaño) en produtos electrónicos de consumo como teléfonos móbiles e tabletas. , texturización de pistóns para a industria do automóbil, fabricación de stent coronarios e fabricación de dispositivos microfluídicos para a industria médica.
01 Fabricación e reparación de fotomáscaras na industria de semicondutores
Os láseres ultrarrápidos utilizáronse nunha das primeiras aplicacións industriais no procesamento de materiais. IBM informou da aplicación da ablación con láser de femtosegundo na produción de fotomáscara nos anos 90. En comparación coa ablación con láser de nanosegundos, que pode producir salpicaduras de metal e danos en vidro, as máscaras con láser de femtosegundos non mostran salpicaduras de metal, ningún dano en vidro, etc. As vantaxes. Este método úsase para producir circuítos integrados (CI). A produción dun chip IC pode requirir ata 30 máscaras e custa > 100.000 dólares. O procesamento con láser de femtosegundo pode procesar liñas e puntos por debaixo dos 150 nm.
Figura 1. Fabricación e reparación de fotomáscara
Figura 2. Resultados de optimización de diferentes patróns de máscara para litografía ultravioleta extrema
02 Corte de silicio na industria de semicondutores
O corte en dados de obleas de silicio é un proceso de fabricación estándar na industria de semicondutores e normalmente realízase mediante o corte en dados mecánicos. Estas rodas de corte adoitan desenvolver microgrietas e son difíciles de cortar obleas finas (por exemplo, espesores < 150 μm). O corte con láser de obleas de silicio utilízase na industria de semicondutores durante moitos anos, especialmente para obleas delgadas (100-200μm), e realízase en múltiples pasos: ranurado con láser, seguido de separación mecánica ou corte furtivo (é dicir, raio láser infravermello no interior). o trazado de silicio) seguido de separación mecánica con cinta. O láser de pulso de nanosegundos pode procesar 15 obleas por hora, e o láser de picosegundo pode procesar 23 obleas por hora, cunha calidade superior.
03 Corte/trazado de vidro na industria de consumibles electrónicos
As pantallas táctiles e as lentes de protección para teléfonos móbiles e portátiles son cada vez máis finas e algunhas formas xeométricas están curvas. Isto dificulta o corte mecánico tradicional. Os láseres típicos adoitan producir unha calidade de corte deficiente, especialmente cando estas pantallas de vidro están apiladas de 3 a 4 capas e o vidro protector superior de 700 μm de espesor está temperado, o que pode romper coa tensión localizada. Demostrouse que os láseres ultrarrápidos poden cortar estes lentes cunha mellor forza de bordo. Para o corte de pantalla plana grande, o láser de femtosegundo pódese enfocar na superficie posterior da folla de vidro, raiando o interior do vidro sen danar a superficie frontal. Despois, o vidro pódese romper mediante medios mecánicos ou térmicos ao longo do patrón marcado.
Figura 3. Corte con forma especial de vidro láser ultrarrápido de picosegundos
04 Texturas de pistóns na industria da automoción
Os motores de automóbiles lixeiros están feitos de aliaxes de aluminio, que non son tan resistentes ao desgaste como o ferro fundido. Os estudos descubriron que o procesamento con láser de femtosegundo das texturas dos pistóns dos coches pode reducir a fricción ata un 25% porque os restos e o aceite poden almacenarse de forma eficaz.
Figura 4. Procesado con láser de femtosegundo dos pistóns dos motores dos automóbiles para mellorar o rendemento do motor
05 Fabricación de stent coronarios na industria médica
Millóns de stents coronarios implántanse nas arterias coronarias do corpo para abrir unha canle para que o sangue flúe cara a vasos coagulados, salvando millóns de vidas cada ano. Os stents coronarios adoitan estar feitos de malla metálica (por exemplo, aceiro inoxidable, aliaxe de memoria de forma de níquel-titanio ou, máis recentemente, aliaxe de cobalto-cromo) cunha anchura de punta de aproximadamente 100 μm. En comparación co corte con láser de pulso longo, as vantaxes do uso de láseres ultrarrápidos para cortar soportes son unha alta calidade de corte, un mellor acabado superficial e menos residuos, o que reduce os custos de post-procesamento.
06 Fabricación de dispositivos microfluídicos para a industria médica
Os dispositivos microfluídicos úsanse habitualmente na industria médica para probas e diagnósticos de enfermidades. Estes adoitan fabricarse mediante micromoldeo por inxección de pezas individuais e despois uníndose mediante pegado ou soldadura. A fabricación con láser ultrarrápida de dispositivos microfluídicos ten a vantaxe de producir microcanles 3D dentro de materiais transparentes como o vidro sen necesidade de conexións. Un método é a fabricación con láser ultrarrápida dentro dun vidro a granel seguido de gravado químico húmido, e outro é a ablación con láser de femtosegundo dentro de vidro ou plástico en auga destilada para eliminar os restos. Outro enfoque é mecanizar canles na superficie de vidro e selalos cunha tapa de vidro mediante soldadura con láser de femtosegundo.
Figura 6. Gravado selectivo inducido por láser de femtosegundo para preparar canles microfluídicos dentro de materiais de vidro
07 Microperforación de boquilla de inxección
O mecanizado de microburacos con láser de femtosegundo substituíu a micro-EDM en moitas empresas do mercado dos inxectores de alta presión debido á maior flexibilidade para cambiar os perfís dos orificios de fluxo e os tempos de mecanizado máis curtos. A capacidade de controlar automaticamente a posición do foco e a inclinación do feixe mediante un cabezal de exploración precesado levou ao deseño de perfís de apertura (por exemplo, barril, bengala, converxencia, diverxencia) que poden promover a atomización ou a penetración na cámara de combustión. O tempo de perforación depende do volume de ablación, cun espesor de broca de 0,2 a 0,5 mm e un diámetro de orificio de 0,12 a 0,25 mm, o que fai que esta técnica sexa dez veces máis rápida que a micro-EDM. A microperforación realízase en tres etapas, incluíndo o desbaste e o acabado dos orificios piloto pasantes. O argón úsase como gas auxiliar para protexer o pozo da oxidación e para protexer o plasma final durante as fases iniciais.
Figura 7. Procesamento de alta precisión con láser de femtosegundo do orificio cónico invertido para inxector de motor diésel
08 Texturización láser ultrarrápida
Nos últimos anos, co fin de mellorar a precisión do mecanizado, reducir os danos materiais e aumentar a eficiencia do procesamento, o campo do micromecanizado converteuse gradualmente nun foco dos investigadores. O láser ultrarrápido ten varias vantaxes de procesamento, como baixos danos e alta precisión, que se converteu no foco de promover o desenvolvemento da tecnoloxía de procesamento. Ao mesmo tempo, os láseres ultrarrápidos poden actuar sobre unha variedade de materiais, e os danos materiais de procesamento con láser tamén son unha importante dirección de investigación. O láser ultrarrápido úsase para eliminar materiais. Cando a densidade de enerxía do láser é superior ao limiar de ablación do material, a superficie do material ablado mostrará unha estrutura micro-nano con certas características. A investigación mostra que esta estrutura de superficie especial é un fenómeno común que ocorre cando se procesan materiais con láser. A preparación de micro-nano estruturas de superficie pode mellorar as propiedades do propio material e tamén permitir o desenvolvemento de novos materiais. Isto fai que a preparación de micro-nano estruturas de superficie mediante láser ultrarrápido sexa un método técnico cunha importancia importante para o desenvolvemento. Actualmente, para materiais metálicos, a investigación sobre a textura de superficie con láser ultrarrápida pode mellorar as propiedades de humectación da superficie do metal, mellorar as propiedades de fricción e desgaste da superficie, mellorar a adhesión do revestimento e a proliferación e adhesión direccional das células.
Figura 8. Propiedades superhidrófobas da superficie de silicio preparada con láser
Como tecnoloxía de procesamento de punta, o procesamento con láser ultrarrápido ten as características de pequena zona afectada pola calor, proceso non lineal de interacción cos materiais e procesamento de alta resolución máis aló do límite de difracción. Pode realizar un procesamento micro-nano de alta calidade e alta precisión de varios materiais. e fabricación de micro-nano estrutura tridimensional. Conseguir a fabricación con láser de materiais especiais, estruturas complexas e dispositivos especiais abre novas vías para a fabricación micro-nano. Na actualidade, o láser de femtosegundo foi moi utilizado en moitos campos científicos de vangarda: o láser de femtosegundo pódese usar para preparar varios dispositivos ópticos, como matrices de microlentes, ollos compostos biónicos, guías de ondas ópticas e metasuperficies; usando a súa alta precisión, alta resolución e Con capacidades de procesamento tridimensional, o láser de femtosegundo pode preparar ou integrar chips microfluídicos e optofluídicos como compoñentes de microquentadores e canles microfluídicos tridimensionais; Ademais, o láser de femtosegundo tamén pode preparar diferentes tipos de micro-nanoestruturas de superficie para conseguir funcións anti-reflexión, anti-reflexión, superhidrófoba, anti-xeo e outras; non só iso, o láser de femtosegundo tamén se aplicou no campo da biomedicina, mostrando un rendemento destacado en campos como os microstents biolóxicos, substratos de cultivo celular e imaxes microscópicas biolóxicas. Amplísimas perspectivas de aplicación. Na actualidade, os campos de aplicación do procesamento con láser de femtosegundos están a expandirse ano tras ano. Ademais das mencionadas micro-ópticas, microfluídicas, micro-nanoestruturas multifuncionais e aplicacións de enxeñaría biomédica, tamén xoga un papel importante nalgúns campos emerxentes, como a preparación de metasuperficies. , fabricación micro-nano e almacenamento de información óptica multidimensional, etc.
Hora de publicación: 17-Abr-2024
