RU2647387C2 - Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине - Google Patents
Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине Download PDFInfo
- Publication number
- RU2647387C2 RU2647387C2 RU2016125273A RU2016125273A RU2647387C2 RU 2647387 C2 RU2647387 C2 RU 2647387C2 RU 2016125273 A RU2016125273 A RU 2016125273A RU 2016125273 A RU2016125273 A RU 2016125273A RU 2647387 C2 RU2647387 C2 RU 2647387C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- energy density
- laser
- energy
- holes
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 17
- 238000005553 drilling Methods 0.000 title abstract 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims description 8
- 239000007769 metal material Substances 0.000 abstract description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000005654 stationary process Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
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
- B23K26/38—Removing material by boring or cutting
- B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/34—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies not provided for in groups H01L21/0405, H01L21/0445, H01L21/06, H01L21/16 and H01L21/18 with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/42—Bombardment with radiation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, например, из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Осуществляют разделение лазерного пучка на два и воздействие на обе стороны пластины пучками с равной плотностью энергии. Плотность энергии рассчитывают по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала Q, коэффициент отражения материала пластины R и показатель поглощения материала χ на длине волны воздействующего лазерного излучения. Сначала лазерным пучком воздействуют на одну поверхность пластины с плотностью энергии, определяемой по следующему соотношению
а воздействие на обе стороны пластины осуществляют с плотностью энергии, отличной от величины плотности энергии предыдущего воздействия. Упомянутую плотность энергии определяют по следующему соотношению где е - основание натурального логарифма; h - толщина пластины, aχh>3,87. Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат при лазерной пробивке сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерной пробивки отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Известен способ лазерной обработки [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], 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;
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 [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 на изобретение RU 2486628, МПК H01L 21/42, 27.06.2013], 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 составляла величину 1/χ. Эти условия обеспечивают оптимальный режим обработки при одностороннем воздействии лазерного излучения на неметаллические материалы, обладающие объемным поглощением лазерного излучения. Недостатком способа является то, что он не позволяет проводить пробитие сквозных отверстий в неметаллических пластинах произвольной толщины, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, при минимальных энергетических затратах.
Известен также способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине [Коваленко А.Ф. Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине. Патент РФ №2582849 С1, МПК B23K 26/364, 27.04.2016], включающий обработку поверхности пластины посредством лазерного импульса с длиной волны, обеспечивающей выполнение условия
1,2<χh<3,1,
где h - толщина пластины,
при этом исходный лазерный пучок лазерного излучения разделяют на два пучка и одновременно соосно воздействуют на обе поверхности пластины с равной плотностью энергии, определяемой по соотношению:
Указанный способ выбран в качестве прототипа. Недостатком указанного способа является существенное увеличение энергетических затрат при пробитии отверстий в пластинах большой толщины, когда χh>4. Так как длины волн технологических лазеров имеют определенные значения, а толщины пластин могут быть произвольными, трудно обеспечить режимы обработки, обеспечивающие минимальные затраты энергии.
Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат при лазерной пробивке сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, например из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, включающем разделение лазерного пучка на два, воздействие на обе стороны пластины пучками с равной плотностью энергии, которую рассчитывают по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала Q, коэффициент отражения материала пластины R и показатель поглощения материала χ на длине волны воздействующего лазерного излучения, сначала лазерным пучком воздействуют на одну поверхность пластины с плотностью энергии, определяемой по следующему соотношению
а воздействие на обе стороны пластины осуществляют с плотностью энергии, отличной от величины плотности энергии предыдущего воздействия, которую определяют по следующему соотношению
где е - основание натурального логарифма;
h - толщина пластины,
aχh>3,87.
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.
где a - 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.
Рассмотрим пластину толщиной h, обладающую показателем поглощения на длине волны лазерного излучения χ. Толщина пластины в относительных единицах будет χh. Для реализации предлагаемого способа пробивки сквозных отверстий в пластине вначале из схемы установки для лазерной обработки удаляют диэлектрическое зеркало (4) и воздействуют на одну поверхность пластины с плотностью энергии, определяемой по уравнению (1). При этом толщина испаренного слоя материала составит 1/χ или в относительных единицах χh=1. Оставшаяся не испаренной толщина пластины в относительных единицах будет равна χh-1. Далее возвращают диэлектрическое зеркало (4) в оптическую схему установки и воздействуют на обе поверхности пластины соосно двумя лазерными пучками с плотностью энергии в каждом пучке, определяемой по формуле
Уравнение (6) получают из уравнения (4) заменой начальной толщины пластины в относительных единицах χh на толщину пластины, равную χh-1, после воздействия на одну поверхность пластины лазерного импульса с плотностью энергии, определяемой по уравнению (1). Суммарная плотность энергии, необходимая для пробития сквозного отверстия в пластине при рассматриваемом режиме воздействия, составит
Суммарная плотность энергии, необходимая для пробития сквозного отверстия в пластине по способу, описанному в прототипе, будет равна
Разделив (7) на (8), получим
На фиг. 2 показана зависимость . Видно, что при χh>3,87 отношение становится меньше единицы. Следовательно, энергетические затраты на пробитие сквозного отверстия в пластине по заявляемому способу при χh>3,87 меньше, чем в прототипе. По мере увеличения χh преимущества заявленного способа перед прототипом возрастают. Например, при χh=7 f(χh)=0,69.
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в уменьшении энергетических затрат при лазерной пробивке сквозных отверстий в неметаллических пластинах, обладающих объемным поглощением на длине волны лазерного излучения.
Claims (7)
- Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, включающий разделение лазерного пучка на два, воздействие на обе стороны пластины пучками с равной плотностью энергии, которую рассчитывают по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала Q, коэффициент отражения материала пластины R и показатель поглощения материала χ на длине волны воздействующего лазерного излучения, отличающийся тем, что сначала лазерным пучком воздействуют на одну поверхность пластины с плотностью энергии, определяемой по следующему соотношению
- а воздействие на обе стороны пластины осуществляют с плотностью энергии, отличной от величины плотности энергии предыдущего воздействия, которую определяют по следующему соотношению
- где е - основание натурального логарифма;
- h - толщина пластины,
- aχh>3,87.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016125273A RU2647387C2 (ru) | 2016-06-24 | 2016-06-24 | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016125273A RU2647387C2 (ru) | 2016-06-24 | 2016-06-24 | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016125273A RU2016125273A (ru) | 2017-12-26 |
RU2647387C2 true RU2647387C2 (ru) | 2018-03-15 |
Family
ID=61629545
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016125273A RU2647387C2 (ru) | 2016-06-24 | 2016-06-24 | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2647387C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2786288C1 (ru) * | 2022-04-05 | 2022-12-19 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Способ лазерного пробития сквозного отверстия в пластине |
Citations (5)
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 |
US6479788B1 (en) * | 1997-11-10 | 2002-11-12 | Hitachi Via Mechanics, Ltd. | Method and apparatus of making a hole in a printed circuit board |
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 |
RU2397852C2 (ru) * | 2006-01-24 | 2010-08-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Способ изготовления отверстия |
RU2582849C1 (ru) * | 2014-11-24 | 2016-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
-
2016
- 2016-06-24 RU RU2016125273A patent/RU2647387C2/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6479788B1 (en) * | 1997-11-10 | 2002-11-12 | Hitachi Via Mechanics, Ltd. | Method and apparatus of making a hole in a printed circuit board |
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 |
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 |
RU2397852C2 (ru) * | 2006-01-24 | 2010-08-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Способ изготовления отверстия |
RU2582849C1 (ru) * | 2014-11-24 | 2016-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2786288C1 (ru) * | 2022-04-05 | 2022-12-19 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Способ лазерного пробития сквозного отверстия в пластине |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016125273A (ru) | 2017-12-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mannion et al. | The effect of damage accumulation behaviour on ablation thresholds and damage morphology in ultrafast laser micro-machining of common metals in air | |
Serafetinides et al. | Ultra-short pulsed laser ablation of polymers | |
Karimzadeh et al. | Nanosecond pulsed laser ablation of silicon in liquids | |
Panzner et al. | Experimental investigation of the laser ablation process on wood surfaces | |
RU2647387C2 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
Hrabovsky et al. | Surface structuring of kapton polyimide with femtosecond and picosecond ir laser pulses | |
RU2486628C1 (ru) | Способ обработки неметаллических материалов | |
RU2688036C1 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
Singleton et al. | Comparison of theoretical models of laser ablation of polyimide with experimental results | |
RU2582849C1 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
RU2633860C1 (ru) | Способ лазерного отжига неметаллических материалов | |
RU2692004C1 (ru) | Способ лазерного отжига неметаллических материалов | |
Rabasović et al. | Evaluation of laser-induced thin-layer removal by using shadowgraphy and laser-induced breakdown spectroscopy | |
RU2763276C1 (ru) | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине | |
Nedialkov et al. | Laser ablation of iron by ultrashort laser pulses | |
Kusaba et al. | Extremely low ablation rate of metals using XeCl excimer laser | |
Chen et al. | Analysis of laser damage threshold and morphological changes at the surface of a HgCdTe crystal | |
Ni et al. | Dynamics of femtosecond laser-produced plasma ions | |
Sadoqi et al. | Photochemical and photothermal model for pulsed-laser ablation | |
Stafe et al. | Pulsed laser ablated craters on aluminum in gaseous and aqueous environments | |
Rusanescu et al. | Laser hardening influence of metal surfaces | |
RU2634338C1 (ru) | Способ и устройство для лазерной резки материалов | |
RU2785420C1 (ru) | Способ лазерного отжига неметаллических материалов | |
Efremov et al. | Polymer material laser destruction threshold studies | |
Pervolaraki et al. | Ablation studies using a diode-pumped Nd: YVO 4 micro-laser |