RU2582849C1 - Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине - Google Patents
Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине Download PDFInfo
- Publication number
- RU2582849C1 RU2582849C1 RU2014146914/02A RU2014146914A RU2582849C1 RU 2582849 C1 RU2582849 C1 RU 2582849C1 RU 2014146914/02 A RU2014146914/02 A RU 2014146914/02A RU 2014146914 A RU2014146914 A RU 2014146914A RU 2582849 C1 RU2582849 C1 RU 2582849C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- laser
- laser radiation
- wavelength
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/362—Laser etching
- B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
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.
Description
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 (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
что в два раза выше, чем в прототипе.
Видно, что для диапазона значений
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.
Claims (2)
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014146914/02A RU2582849C1 (ru) | 2014-11-24 | 2014-11-24 | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014146914/02A RU2582849C1 (ru) | 2014-11-24 | 2014-11-24 | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2582849C1 true RU2582849C1 (ru) | 2016-04-27 |
Family
ID=55794715
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014146914/02A RU2582849C1 (ru) | 2014-11-24 | 2014-11-24 | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2582849C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2647387C2 (ru) * | 2016-06-24 | 2018-03-15 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
RU2688036C1 (ru) * | 2018-10-25 | 2019-05-17 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002001559A (ja) * | 2000-06-16 | 2002-01-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | レーザ穴加工方法及び装置 |
RU2192341C2 (ru) * | 2000-07-03 | 2002-11-10 | Басиев Тасолтан Тазретович | Способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением |
JP2003290956A (ja) * | 2002-01-31 | 2003-10-14 | Kyocera Corp | セラミック基板への穿孔方法及び印刷用マスク |
RU2393072C2 (ru) * | 2004-10-25 | 2010-06-27 | Снекма | Наконечник для головки для выполнения отверстий или обработки лазерным лучом |
RU2397852C2 (ru) * | 2006-01-24 | 2010-08-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Способ изготовления отверстия |
RU2486628C1 (ru) * | 2011-12-14 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Способ обработки неметаллических материалов |
-
2014
- 2014-11-24 RU RU2014146914/02A patent/RU2582849C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002001559A (ja) * | 2000-06-16 | 2002-01-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | レーザ穴加工方法及び装置 |
RU2192341C2 (ru) * | 2000-07-03 | 2002-11-10 | Басиев Тасолтан Тазретович | Способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением |
JP2003290956A (ja) * | 2002-01-31 | 2003-10-14 | Kyocera Corp | セラミック基板への穿孔方法及び印刷用マスク |
RU2393072C2 (ru) * | 2004-10-25 | 2010-06-27 | Снекма | Наконечник для головки для выполнения отверстий или обработки лазерным лучом |
RU2397852C2 (ru) * | 2006-01-24 | 2010-08-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Способ изготовления отверстия |
RU2486628C1 (ru) * | 2011-12-14 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Способ обработки неметаллических материалов |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2647387C2 (ru) * | 2016-06-24 | 2018-03-15 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
RU2688036C1 (ru) * | 2018-10-25 | 2019-05-17 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Berthe et al. | Shock waves from a water-confined laser-generated plasma | |
RU2566138C2 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических материалов | |
RU2018102523A (ru) | Способ и устройство для уменьшения фотоэлектронного выхода и/или выхода вторичных электронов | |
Berthe et al. | Experimental study of the transmission of breakdown plasma generated during laser shock processing | |
RU2573181C1 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических пластин | |
RU2582849C1 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
RU2486628C1 (ru) | Способ обработки неметаллических материалов | |
Zou et al. | Application of thermal stress model to paint removal by Q-switched Nd: YAG laser | |
RU2633860C1 (ru) | Способ лазерного отжига неметаллических материалов | |
RU2692004C1 (ru) | Способ лазерного отжига неметаллических материалов | |
Singleton et al. | Comparison of theoretical models of laser ablation of polyimide with experimental results | |
Miyamoto et al. | Characterization of plasma in microwelding of glass using ultrashort laser pulse at high pulse repetition rates | |
RU2647387C2 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
RU2688036C1 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
Abdul Razab et al. | Estimation of threshold fluence, absorption coefficient and thermal loading of car coated substrate in laser paint removal | |
RU2574222C1 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических пластин | |
Malinskiy et al. | Experimental study of the influence of laser radiation power on the reflection coefficient of germanium and silicon at a wavelength of 355 nm | |
Semerok et al. | Microablation of pure metals: laser plasma and crater investigations | |
RU2624989C1 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических пластин | |
RU2646177C1 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических материалов | |
RU2574327C1 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических материалов | |
RU2763362C1 (ru) | Способ лазерного отжига неметаллических материалов | |
Petkov | Factors influencing laser material removal process in micro cavity manufacturing | |
RU2695440C1 (ru) | Способ лазерной обработки неметаллических материалов | |
RU2785420C1 (ru) | Способ лазерного отжига неметаллических материалов |