Obwohl es ultraschnelle Laser schon seit Jahrzehnten gibt, sind die industriellen Anwendungen in den letzten zwei Jahrzehnten rasant gewachsen. Im Jahr 2019 ist der Marktwert von UltrafastLasermaterialDie Verarbeitung belief sich auf rund 460 Millionen US-Dollar, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 13 %. Zu den Anwendungsbereichen, in denen ultraschnelle Laser erfolgreich zur Bearbeitung industrieller Materialien eingesetzt wurden, gehören die Herstellung und Reparatur von Fotomasken in der Halbleiterindustrie sowie das Würfeln von Silizium, das Schneiden/Ritzen von Glas und das Entfernen von ITO-Filmen (Indiumzinnoxid) in der Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefonen und Tablets , Kolbentexturierung für die Automobilindustrie, Herstellung von Koronarstents und Herstellung mikrofluidischer Geräte für die medizinische Industrie.
01 Herstellung und Reparatur von Fotomasken in der Halbleiterindustrie
Ultrakurzpulslaser wurden in einer der frühesten industriellen Anwendungen in der Materialbearbeitung eingesetzt. IBM berichtete in den 1990er Jahren über die Anwendung der Femtosekundenlaserablation in der Fotomaskenproduktion. Im Vergleich zur Nanosekunden-Laserablation, die zu Metallspritzern und Glasschäden führen kann, weisen Femtosekundenlasermasken keine Metallspritzer, keine Glasschäden usw. auf. Die Vorteile. Mit dieser Methode werden integrierte Schaltkreise (ICs) hergestellt. Die Herstellung eines IC-Chips kann bis zu 30 Masken erfordern und über 100.000 US-Dollar kosten. Mit der Femtosekundenlaserbearbeitung können Linien und Punkte unter 150 nm bearbeitet werden.
Abbildung 1. Herstellung und Reparatur von Fotomasken
Abbildung 2. Optimierungsergebnisse verschiedener Maskenmuster für die Lithographie im extremen Ultraviolett
02 Siliziumschneiden in der Halbleiterindustrie
Das Zerteilen von Siliziumwafern ist ein Standardherstellungsprozess in der Halbleiterindustrie und wird typischerweise durch mechanisches Zerteilen durchgeführt. Diese Schneidräder entwickeln häufig Mikrorisse und sind schwierig, dünne Wafer (z. B. Dicke < 150 μm) zu schneiden. Das Laserschneiden von Siliziumwafern wird in der Halbleiterindustrie seit vielen Jahren eingesetzt, insbesondere bei dünnen Wafern (100–200 μm), und erfolgt in mehreren Schritten: Lasernuten, gefolgt von mechanischer Trennung oder Stealth-Schneiden (d. h. Infrarot-Laserstrahl im Inneren). das Siliziumritzen), gefolgt von der mechanischen Bandtrennung. Der Nanosekunden-Pulslaser kann 15 Wafer pro Stunde und der Pikosekundenlaser 23 Wafer pro Stunde mit höherer Qualität bearbeiten.
03 Glasschneiden/Ritzen in der Verbrauchselektronikindustrie
Touchscreens und Schutzbrillen für Mobiltelefone und Laptops werden immer dünner und einige geometrische Formen sind gebogen. Dies erschwert das herkömmliche maschinelle Schneiden. Typische Laser erzeugen in der Regel eine schlechte Schnittqualität, insbesondere wenn diese Glasdisplays in drei bis vier Schichten gestapelt sind und das obere 700 μm dicke Schutzglas gehärtet ist, was bei örtlicher Belastung brechen kann. Es hat sich gezeigt, dass ultraschnelle Laser in der Lage sind, diese Gläser mit besserer Kantenfestigkeit zu schneiden. Beim Schneiden großer Flachbildschirme kann der Femtosekundenlaser auf die Rückseite der Glasscheibe fokussiert werden, wodurch die Innenseite des Glases zerkratzt wird, ohne die Vorderseite zu beschädigen. Anschließend kann das Glas entlang des Ritzenmusters mechanisch oder thermisch zerbrochen werden.
Abbildung 3. Speziell geformtes Pikosekunden-Ultrakurzlaser-Glasschneiden
04 Kolbentexturen in der Automobilindustrie
Leichte Automotoren bestehen aus Aluminiumlegierungen, die nicht so verschleißfest sind wie Gusseisen. Studien haben ergeben, dass die Femtosekundenlaserbearbeitung von Autokolbentexturen die Reibung um bis zu 25 % reduzieren kann, da Schmutz und Öl effektiv gespeichert werden können.
Abbildung 4. Femtosekunden-Laserbearbeitung von Kolben von Automobilmotoren zur Verbesserung der Motorleistung
05 Koronarstent-Herstellung in der Medizinindustrie
Millionen von Koronarstents werden in die Koronararterien des Körpers implantiert, um einen Kanal für den Blutfluss in ansonsten verstopfte Gefäße zu öffnen und so jedes Jahr Millionen von Leben zu retten. Koronarstents bestehen typischerweise aus einem Metalldrahtgeflecht (z. B. Edelstahl, einer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung oder neuerdings einer Kobalt-Chrom-Legierung) mit einer Strebenbreite von etwa 100 μm. Im Vergleich zum Langpuls-Laserschneiden liegen die Vorteile des Einsatzes ultraschneller Laser zum Schneiden von Brackets in einer hohen Schnittqualität, einer besseren Oberflächengüte und weniger Ablagerungen, was die Nachbearbeitungskosten senkt.
06 Herstellung mikrofluidischer Geräte für die medizinische Industrie
Mikrofluidische Geräte werden in der medizinischen Industrie häufig für Krankheitstests und -diagnosen eingesetzt. Diese werden typischerweise durch Mikrospritzgießen einzelner Teile und anschließendes Verbinden durch Kleben oder Schweißen hergestellt. Die ultraschnelle Laserfertigung mikrofluidischer Geräte hat den Vorteil, dass 3D-Mikrokanäle in transparenten Materialien wie Glas erzeugt werden können, ohne dass Verbindungen erforderlich sind. Eine Methode ist die Herstellung mit einem ultraschnellen Laser in einer Glasmasse, gefolgt von nasschemischem Ätzen, und eine andere ist die Femtosekundenlaserablation in Glas oder Kunststoff in destilliertem Wasser, um Ablagerungen zu entfernen. Ein anderer Ansatz besteht darin, Kanäle in die Glasoberfläche einzuarbeiten und diese durch Femtosekunden-Laserschweißen mit einer Glasabdeckung zu verschließen.
Abbildung 6. Femtosekundenlaserinduziertes selektives Ätzen zur Vorbereitung mikrofluidischer Kanäle in Glasmaterialien
07 Mikrobohrung der Einspritzdüse
Die Femtosekundenlaser-Mikrolochbearbeitung hat bei vielen Unternehmen auf dem Hochdruckinjektormarkt die Mikroerosion ersetzt, da sie flexibler bei der Änderung von Fließlochprofilen und kürzeren Bearbeitungszeiten ist. Die Möglichkeit, die Fokusposition und Neigung des Strahls durch einen präzedierenden Scankopf automatisch zu steuern, hat zur Entwicklung von Aperturprofilen (z. B. Barrel, Flare, Konvergenz, Divergenz) geführt, die die Zerstäubung oder das Eindringen in die Brennkammer fördern können. Die Bohrzeit hängt vom Ablationsvolumen ab, mit einer Bohrerdicke von 0,2 – 0,5 mm und einem Lochdurchmesser von 0,12 – 0,25 mm, was diese Technik zehnmal schneller als Mikro-EDM macht. Das Mikrobohren erfolgt in drei Schritten, einschließlich Schruppen und Schlichten von Durchgangslöchern. Argon wird als Hilfsgas verwendet, um das Bohrloch vor Oxidation zu schützen und das endgültige Plasma in der Anfangsphase abzuschirmen.
Abbildung 7. Femtosekundenlaser-Hochpräzisionsbearbeitung eines umgekehrt konischen Lochs für Dieselmotor-Einspritzdüsen
08 Ultraschnelle Lasertexturierung
Um die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern, Materialschäden zu reduzieren und die Verarbeitungseffizienz zu steigern, ist das Gebiet der Mikrobearbeitung in den letzten Jahren allmählich in den Fokus der Forscher gerückt. Ultraschnelle Laser bieten verschiedene Verarbeitungsvorteile wie geringe Beschädigung und hohe Präzision, die zum Schwerpunkt der Förderung der Entwicklung der Verarbeitungstechnologie geworden sind. Gleichzeitig können ultraschnelle Laser auf eine Vielzahl von Materialien einwirken, und auch Materialschäden durch die Laserbearbeitung sind eine wichtige Forschungsrichtung. Ultraschnelle Laser werden zum Abtragen von Materialien verwendet. Wenn die Energiedichte des Lasers höher ist als die Ablationsschwelle des Materials, zeigt die Oberfläche des abgetragenen Materials eine Mikro-Nano-Struktur mit bestimmten Eigenschaften. Untersuchungen zeigen, dass diese spezielle Oberflächenstruktur ein häufiges Phänomen ist, das bei der Laserbearbeitung von Materialien auftritt. Die Herstellung von oberflächlichen Mikro-Nanostrukturen kann die Eigenschaften des Materials selbst verbessern und auch die Entwicklung neuer Materialien ermöglichen. Dies macht die Herstellung von Oberflächen-Mikro-Nanostrukturen mittels Ultrakurzpulslasern zu einer technischen Methode mit großer Entwicklungsbedeutung. Derzeit kann die Forschung zur ultraschnellen Laseroberflächentexturierung bei Metallmaterialien die Benetzungseigenschaften der Metalloberfläche, die Oberflächenreibung und die Verschleißeigenschaften verbessern, die Beschichtungshaftung sowie die gerichtete Proliferation und Adhäsion von Zellen verbessern.
Abbildung 8. Superhydrophobe Eigenschaften einer laserpräparierten Siliziumoberfläche
Als hochmoderne Bearbeitungstechnologie zeichnet sich die ultraschnelle Laserbearbeitung durch eine kleine Wärmeeinflusszone, einen nichtlinearen Prozess der Wechselwirkung mit Materialien und eine hochauflösende Bearbeitung über die Beugungsgrenze hinaus aus. Es kann eine hochwertige und hochpräzise Mikro-Nano-Verarbeitung verschiedener Materialien realisieren. und dreidimensionale Mikro-Nano-Strukturherstellung. Die Laserfertigung spezieller Materialien, komplexer Strukturen und spezieller Geräte eröffnet neue Möglichkeiten für die Mikro-Nano-Fertigung. Gegenwärtig wird der Femtosekundenlaser in vielen hochmodernen wissenschaftlichen Bereichen häufig eingesetzt: Mit dem Femtosekundenlaser können verschiedene optische Geräte wie Mikrolinsenarrays, bionische Facettenaugen, optische Wellenleiter und Metaoberflächen hergestellt werden. Dank seiner hohen Präzision, hohen Auflösung und dreidimensionalen Verarbeitungsfähigkeiten kann der Femtosekundenlaser mikrofluidische und optofluidische Chips wie Mikroheizungskomponenten und dreidimensionale mikrofluidische Kanäle vorbereiten oder integrieren. Darüber hinaus kann der Femtosekundenlaser auch verschiedene Arten von Oberflächen-Mikronanostrukturen vorbereiten, um Antireflexions-, Antireflexions-, Superhydrophobie-, Anti-Icing- und andere Funktionen zu erreichen; Darüber hinaus wird der Femtosekundenlaser auch im Bereich der Biomedizin eingesetzt und zeigt herausragende Leistungen in Bereichen wie biologischen Mikrostents, Zellkultursubstraten und biologischer mikroskopischer Bildgebung. Breite Einsatzaussichten. Derzeit erweitern sich die Anwendungsgebiete der Femtosekunden-Laserbearbeitung von Jahr zu Jahr. Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungen in den Bereichen Mikrooptik, Mikrofluidik, multifunktionale Mikro-Nanostrukturen und biomedizinische Technik spielt es auch in einigen aufstrebenden Bereichen wie der Metaoberflächenpräparation eine große Rolle. , Mikro-Nano-Herstellung und mehrdimensionale optische Informationsspeicherung usw.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 17. April 2024
