1.pengantar
Sejak laser pertama muncul di 1960, penelitian laser dan aplikasinya di berbagai bidang telah berkembang pesat. Koherensinya yang tinggi telah banyak digunakan di bidang pengukuran presisi tinggi, analisis struktur material, penyimpanan informasi, dan komunikasi. Directivity dan kecerahan laser yang tinggi dapat digunakan secara luas di industri manufaktur. Dengan inovasi berkelanjutan dan optimalisasi perangkat laser, sumber radiasi baru yang dirangsang, dan proses yang sesuai, terutama dalam 20 tahun terakhir, teknologi manufaktur laser telah merambah ke banyak bidang dan industri berteknologi tinggi dan mulai mengganti atau mengubah beberapa industri pengolahan tradisional.
Dalam 1987, ilmuwan Amerika mengedepankan rencana pengembangan sistem mikro elektro mekanik (MEMS), yang menandai era baru penelitian manusia pada mesin mikro. Saat ini, teknologi manufaktur yang digunakan dalam micromachining terutama meliputi teknologi pemrosesan semikonduktor, teknologi microfithography electroforming (Liga), teknologi permesinan ultra-presisi, dan teknologi mikromesin khusus. Di antara mereka, metode micromachining khusus adalah melalui efek langsung dari pengolahan energi, untuk mencapai penghapusan molekul atau atom satu per satu. Pemesinan khusus dilakukan dalam bentuk energi listrik, energi panas, energi cahaya, energi suara, energi kimia, dll. Metode yang umum digunakan adalah EDM, permesinan ultrasonik, permesinan berkas elektron, permesinan berkas ion, permesinan elektrokimia, dll. Dalam Beberapa tahun terakhir, metode baru micromachining telah dikembangkan: Photoforming, termasuk stereolithography, photomask, dll. Micromachining laser memiliki potensi besar dalam aplikasi dan pengembangan.
2.Aplikasi utama teknologi laser micromachining
Dengan pengembangan produk elektronik menuju portable dan miniaturisasi, peningkatan informasi volume satuan (kepadatan tinggi) dan kecepatan pemrosesan satuan waktu (kecepatan tinggi) telah mengajukan persyaratan baru untuk teknologi pengemasan mikroelektronik. Misalnya, ponsel modern dan kamera digital dilengkapi dengan interkoneksi 1200 sekitar per sentimeter persegi. Kunci untuk meningkatkan tingkat kemasan chip adalah untuk menjaga keberadaan micro vias di antara garis-garis lapisan yang berbeda, yang tidak hanya menyediakan koneksi kecepatan tinggi antara perangkat yang dipasang di permukaan dan panel sinyal di bawah ini tetapi juga secara efektif mengurangi area pengemasan .
Di sisi lain, dengan perkembangan produk elektronik portabel seperti ponsel, kamera digital dan laptop menjadi ringan, tipis, pendek dan kecil dalam beberapa tahun terakhir, papan sirkuit cetak (PCB) secara bertahap menunjukkan karakteristik layering dan multi-fungsi dengan teknologi interkoneksi kepadatan tinggi sebagai badan utama. Untuk memastikan secara efektif koneksi listrik antara lapisan dan fiksasi perangkat eksternal, via telah menjadi bagian penting dari multi-layer PCB. Saat ini, biaya pengeboran biasanya menyumbang 30% - 40% dari biaya pembuatan PCB. Dalam desain PCB berkecepatan tinggi, kepadatan tinggi, desainer selalu berharap bahwa semakin kecil, semakin baik, sehingga tidak hanya ada lebih banyak ruang kabel di papan tulis. Dan semakin kecil via, semakin cocok untuk sirkuit kecepatan tinggi. Ukuran minimum pengeboran mekanis tradisional hanya 100 m, yang jelas tidak dapat memenuhi persyaratan. Alih-alih, metode pemrosesan lubang mikro laser yang baru diadopsi. Saat ini, dimungkinkan untuk mendapatkan lubang kecil dengan diameter 30 - 40 μ m atau lubang kecil dengan diameter sekitar 10 μ m dengan menggunakan laser CO 2 dalam industri.
Teknologi laser micromachining dapat digunakan untuk memotong, mengebor, mengukir, juru tulis, panas menembus, mengelas dan sebagainya dalam pembuatan peralatan, mobil, manufaktur presisi penerbangan dan berbagai industri pengolahan mikro, seperti pemrosesan bagian ink-jet dari printer ink-jet dengan ukuran lebih dari 20 mikron. Menggunakan teknologi perawatan permukaan laser, seperti pengepresan mikro, pemolesan dan sebagainya, untuk memproses berbagai elemen mikro-optik, atau melalui laser yang mengisi kaca berpori, amorfisasi kaca-keramik untuk mengubah struktur, kemudian, dengan menyesuaikan gaya mekanik eksternal , dan kemudian pada tahap pelunakan, elemen-elemen mikro-optik diproses oleh pembentukan mikro berbantuan plasma.
Teknologi laser micromachining umum
Teknologi micromachining laser memiliki banyak keuntungan, seperti non-kontak, permesinan selektif, area yang terkena panas kecil, presisi tinggi dan tingkat pengulangan, fleksibilitas permesinan yang tinggi untuk ukuran dan bentuk komponen. Faktanya, karakteristik terbesar dari teknologi micromachining laser adalah" direct writing" ;, yang menyederhanakan proses dan mewujudkan prototipe cepat dari micromachines. Selain itu, metode ini tidak memiliki masalah pencemaran lingkungan seperti korosi, sehingga dapat disebut" green" ;. Ada dua jenis teknologi laser micromachining yang digunakan dalam micromachining:
1) Teknologi penghapusan micromachining teknologi, seperti laser micromachining menulis langsung, Liga laser, dll;
2) Teknologi stacking micromachining material, seperti laser micro stereolithography, deposisi berbantuan laser, laser selective sintering, dan sebagainya.
Teknologi micromachining laser lainnya
Pulsa laser etsa adalah bidang penelitian baru teknologi laser. Alat ini menggunakan laser pendek-ganda-frekuensi atau laser picosecond, femtosecond dikombinasikan dengan alat mesin CNC presisi tinggi untuk mengetsa dan memproses berbagai bahan. Kualitas struktur mikro yang terbentuk pada permukaan material ini jauh lebih tinggi ketika material dietsa dengan pulsa pendek dan kemudian dihilangkan. Dalam 2001, instrumen Heidelberg di Jerman menggunakan frekuensi tiga (panjang gelombang {{3}}. 7 nm) untuk mendapatkan tempat fokus dengan minimum 5 mm, a ukuran fitur Machinable minimum 10 mm, dan akurasi 1 mm. Gambar 5 menunjukkan bentuk tiga dimensi dari laser pulsa terukir pada WC / Co. Diameter dari titik fokus laser adalah 5 mm, dan feed-in arah X dan Y adalah {{5 }} mm. {{1 3}}. 3 mm dihapus untuk setiap lapisan, dan kekasaran permukaan rata-rata adalah 0. 16 mm. Pemotongan mikro laser pada prinsipnya sama dengan laser etsa. Ini juga menggunakan frekuensi laser dua kali lipat atau femtosecond sebagai sumber cahaya untuk memfokuskan sinar secara tepat dan mengontrol input energi secara akurat. Efek termalnya kecil dan pemotongan dengan mikro dilakukan.
3.Perkembangan terbaru dari laser pulsa ultrashort dalam teknologi micromachining
Laser CO 2 dan laser YAG adalah laser pulsa kontinu dan panjang. Mereka terutama difokuskan untuk membentuk kepadatan energi yang tinggi, yang dapat menghasilkan suhu tinggi di daerah setempat untuk mengempiskan material. Mereka pada dasarnya di bidang pemrosesan termal, dengan akurasi pemrosesan terbatas. Laser excimer bergantung pada panjang gelombang pendek (UV) untuk berinteraksi dengan bahan fotokimia, dan skala karakteristiknya dapat mencapai urutan mikrometer. Namun, gas yang dibutuhkan oleh laser excimer bersifat korosif dan sulit dikendalikan. Selain itu, laser UV kekuatan tinggi mudah untuk merusak elemen optik dari sistem pemrosesan, sehingga penerapannya terbatas. Dengan studi lebih lanjut dari bidang laser, lebar domain waktu dari pulsa laser dikompresi lebih pendek, dari nanosecond (10-9s) ke picosecond (10-12s) ke femtosecond (10-l 5 s).
Laser pulsa femtosecond memiliki dua karakteristik berikut: (1) durasi pulsa pendek. Durasi pulsa femtosecond bisa sesingkat beberapa femtosecond, dan cahaya hanya merambat 0. {{2}} μm dalam 1 FS, yang lebih pendek dari diameter kebanyakan sel; (2) kekuatan puncak sangat tinggi. Laser Femtosecond mengkonsentrasikan energi pulsa dalam beberapa hingga ratusan femtosecond, sehingga kekuatan puncaknya sangat tinggi. Misalnya, jika energi L μ J terkonsentrasi dalam beberapa femtoseconds dan menyatu menjadi titik 1 0 μ m, kepadatan daya optiknya dapat mencapai 1 0 1 8w / cm 2, dan intensitas medan listriknya dapat dikonversi menjadi 2 × 1 0 1 2 v / m, yaitu 4 kali dari kekuatan medan Coulomb (5 × 1 0 1 1 v / M) dalam atom hidrogen, dimungkinkan untuk memisahkan elektron dari atom secara langsung.
Dari mekanisme interaksi laser dan bahan transparan, lebar pulsa dari laser kontinu ke puluhan picoseconds, dan mekanisme kerusakannya adalah proses ionisasi longsoran, yang tergantung pada kerapatan elektron awal, sedangkan kerapatan elektron awal pada bahan berubah sangat karena distribusi kotoran yang tidak merata. Oleh karena itu, ambang kerusakan berubah sangat. Ambang kerusakan laser pulsa-panjang didefinisikan sebagai kepadatan aliran energi laser dengan probabilitas kerusakan 50%, yaitu ambang kerusakan laser pulsa-panjang adalah nilai statistik. Kekuatan medan laser pulsa ultrashort sangat tinggi. Elektron yang terikat dapat menyerap n foton pada saat yang sama dan secara langsung bertransisi dari level terikat ke level bebas. Meskipun kerusakan yang disebabkan oleh laser pulsa ultrashort juga merupakan proses ionisasi longsoran, elektronnya dihasilkan oleh proses ionisasi multiphoton dan tidak lagi tergantung pada kerapatan elektron awal dalam material. Oleh karena itu, ambang kerusakan adalah nilai yang akurat. Ambang batas kerusakan laser pulsa berkurang dengan berkurangnya lebar pulsa. Pada tingkat picosecond, tingkat penurunan melambat, dan pada tingkat femtosecond, hampir tidak berubah.
Selain itu, karena ambang kerusakan laser pulsa ultrashort sangat akurat, energi laser dikendalikan persis sama atau sedikit lebih tinggi dari ambang kerusakan, maka hanya bagian yang lebih tinggi daripada ambang kerusakan yang menghasilkan ablasi, dan pemrosesan submikron di bawah ini batas difraksi dapat dilakukan. Laser femtosecond dapat menghasilkan intensitas cahaya yang sangat tinggi, memiliki ambang kerusakan yang akurat dan rendah, memiliki area yang terkena panas yang sangat kecil, dan dapat memproses hampir semua jenis bahan secara tepat. Selain itu, presisi pemrosesan sangat tinggi dan dapat memproses ukuran submikron dengan tepat.
Micromachining laser memiliki keunggulan efisiensi produksi yang tinggi, biaya rendah, kualitas pemrosesan yang stabil dan andal, manfaat ekonomi, dan sosial yang baik. Laser femtosecond melanggar metode pemrosesan laser tradisional dengan keunggulan uniknya yaitu durasi pulsa pendek, daya puncak tinggi, dan menciptakan bidang baru bahan ultra-halus, kerusakan non-termal, dan 3 pengolahan dan pemrosesan ruang D . Penerapan teknologi pemrosesan laser femtosecond mencakup mikroelektronika, perangkat kristal fotonik, perangkat komunikasi serat optik dengan kecepatan transmisi informasi yang tinggi (1 tbit / s), mikromesin, memori optik tiga dimensi baru, pembuatan perangkat medis mikro, dan bioteknologi sel. teknologi dan sebagainya. Dapat diprediksi bahwa teknologi laser micromachining akan menjadi teknologi tinggi pada abad ke-2 1 dengan keunggulannya yang tak tergantikan.
Conclusion
Di era industrialisasi, semua negara di dunia bangga menghasilkan mesin skala besar; di era teknologi informasi, semua negara industri maju berkomitmen untuk meneliti bahan mikro dan memproduksi mesin yang semakin kecil; sementara di era nanoteknologi, untuk beradaptasi dengan pengembangan pertahanan nasional, kedirgantaraan, kedokteran dan bioteknologi, pemrosesan mikro adalah arah penelitian paling aktif dalam industri manufaktur saat ini. Salah satunya adalah bahwa tingkat perkembangan teknologi mikromekanis telah menjadi salah satu standar untuk mengukur kekuatan komprehensif suatu negara. Teknologi laser micromachining menunjukkan semakin banyak keunggulan unik dalam teknologi micromachining dan memiliki prospek pengembangan yang luas. Cina harus mengembangkan teknologi laser mikromachining dengan hak kekayaan intelektual independen, untuk menempati tempat di bidang teknologi tinggi di masa depan.