Исследование физических процессов взаимодействия излучения лазера на парах меди с материалами электронной техники и разработка технологии их прецизионной обработки

• Автор: Жариков, Валерий Михайлович
• Шифр специальности: 05.03.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Фрязино
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Сравнительный обзор традиционных методов обработки тонколистовых материалов
1.1. Электроискровая обработка
1.2. Сравнение различных лазеров применяемых в микрообработке
Выводы
Глава 2. Параметры импульсов излучения и использованные
режимы работы лазера на парах меди
2.1. Описание импульса излучения
2.2. Экспериментальное исследование параметров импульса
воздействия
2.3. Математическая модель импульса воздействия
Результаты и выводы
Глава 3. Взаимодействие излучения ЛПМ с материалом мишени
3.1. Взаимодействие излучения ЛПМ с поверхностью
3.2. Отражение излучения лазера на парах меди при больших
значениях интенсивности
3.3. Эрозионный факел и его энергия
3.4. Пробой газов и паров сфокусированным излучением ЛПМ
3.5. Взаимодействие излучение ЛПМ - факел
3.6. Баланс энергии импульса излучения лазера на парах меди при воздействии на
металлическую мишень
Результаты и выводы
Глава 4. Технологические параметры обработки
ИЗЛУЧЕНИЕМ ЛПМ
4.1. Влияние различных факторов на параметры обработки
4.2. Особенности обработки материалов излучением лазера на
парах меди
4.3. Исследование факторов, влияющих на точность и
воспроизводимость изготовления деталей ИЭТ с помощью ЛПМ
Результаты и выводы
Глава 5. Примеры применения излучения ЛПМ
5.1. Макет автоматизированной лазерной технологической
установки "Каравелла"
5.2. Макет АЛТУ "Каравелла-К"
5.3. Макет АЛТУ "Кинескоп”
5.4. Особенности эксплуатации АЛТУ на базе лазера на парах меди
5.5. Основные направления технологического применения ЛПМ
5.6. Образцы деталей
Выводы и результаты
Общие выводы
Литература

Введение
Создание мощных источников оптического излучения - лазеров -существенным образом изменило представление о возможностях его использования. Замечательные свойства лазерного излучения способствовали появлению новых областей фундаментальной и прикладной оптики, коренному изменению некоторых направлений науки и техники, внедрению в практику широкого круга новых технологий. Произошли значительные изменения в различных сферах человеческой деятельности. Лазеры устойчиво обосновались в науке, промышленности, медицине, сельском хозяйстве и т.д.. Некоторые производства уже немыслимы без их использования. Освоены новые лазерные методы обработки материалов : резка, прошивка отверстий, скрайбирование, сварка, наплавка, легирование, термоупрочнение, отжиг, травление и осаждение, модификация поверхности, пайка, напыление. В основном эти технологические процессы основаны на тепловом действии лазерного излучения [1-12]. В последнее время появляется большое количество публикаций, в которых постепенно осознаются возможности использования сильно неравновесного лазерного излучения для специфического избирательного воздействия на определенные процессы протекающие в твердом теле, на структуру материалов, на рост и разрушение кристаллов [13-17]. Лазерное излучение обладает сложной пространственной, временной и спектральной структурой. Специально подбирая необходимую структуру лазерного сигнала можно последовательно включать те или иные механизмы воздействия на материал, что позволит значительно повысить избирательность и эффективность процессов. В дальнейшем, можно будет наблюдать переход от простых задач обработки, не требующих высокоточного луча, к более сложным применениям, где качество луча имеет существенное значение (каустика, распределение интенсивности в пространстве и во времени и т.д.). В целом, по совокупности параметров обработки, лазерные методы могут конкурировать с различными стандартными технологиями [2].
Развитие электронной техники постоянно ставит задачи поиска новых методов обработки материалов. Одним из перспективных направлений исследований является изучение обработки лазерным излучением. К началу предлагаемой на рассмотрение работы (1984г.) вне сферы лазерной прецизионной обработки оставался целый ряд пластичных металлов и сплавов с высокой теплопроводностью (Си, А1, Ag, № и др.), тугоплавких металлов (Мо, У, Та, Ъх и др.), полупроводниковых материалов (Б1, ваАз, ве). Для выяснения возможности ликвидации этого технологического пробела была предпринята попытка привлечения излучения лазера на парах меди (ЛПМ) [18].
Лазеры на парах меди исторически появились на десятилетие позже основных типов лазеров. Причиной этого явились технически труднореализуемые условия генерации. Следствием - значительное отставание в поиске конкурентных областей применения. Прогресс в разработке и производстве ЛПМ, наблюдаемый в последние два десятка лет, в основном связан с применением ЛПМ в качестве эффективного средства для накачки лазеров на красителях. Применение последних для селекции изотопов [19] и определило бурное развитие всех составляющих их устройств.
Разработка и создание надежных, долговечных и высокоэффективных лазеров на парах меди подвигло исследователей к применению их в качестве основного инструмента в технологическом процессе обработки материалов [20]. ЛПМ были применены для задач обработки тонких пленок : ретуширования и изготовления фотошаблонов [21,22]. Исследования по технологическому применению излучения ЛПМ для прецизионной обработки тонколистовых материалов не проводились.
Традиционно прецизионную технологию тонколистовых материалов составляли методы электроискровой обработки, химическое травление, механическая обработка. Необходимыми условиями прецизионной обработки являются наличие оборудования с высокой степенью точности, с надежным и устойчивым инструментом и контролем протекания процесса. Для такой обработки характерны стабильность, избирательность и минимальные побочные эффекты. Она построена на локальном удалении материала через хорошо согласованное энергетическое воздействие.
Возможностям применения лазера на парах меди для прецизионной обработки и выработке требований к параметрам излучения для реализации такой обработки, а так же рассмотрению различных факторов влияющих на параметры процесса удаления материала при воздействии импульсов излучения лазера на парах меди и посвящена данная работа.
На защиту выносятся следующие научные положения :
• Эрозионный факел от воздействия на металлическую мишень (Мо,Си) излучения ЛПМ с плотностью мощности в диапазоне 1()9...10ц Вт/см2, практически (в пределах ошибки эксперимента в 2%), прозрачен для этого излучения.
• Основным каналом диссипации энергии импульса излучения ЛПМ при воздействии на металлическую мишень с интенсивностью выше 10я Вт/см2 является унос энергии паром. Доля этого канала может превышать 50%, а в пересчете на один удаленный атом составляет ЮэВ.
• Специфика многоимпулъсной многопроходной резки трудоемких деталей излучением лазера на парах меди с нестабильным резонатором позволяет компенсировать уход оси диаграммы направленности в пределах ± 0()ф при последующих проходах, (©дф-дифращионная расходимость излучения ЛПМ).
Результаты работы были использованы при создании двух макетов автоматизированной лазерной технологической установки "Каравелла" на базе лазера на парах меди с излучателем типа "Карелия" и одного макета АЛТУ "Кинескоп" на базе лазера на парах меди типа "Кулон".
Процессы лазерной прецизионной резки и сверления тонколистовых
материалов на опытном макете АЛТУ "Каравелла" используются в условиях экспериментального производства при изготовлении ответственных деталей и узлов из Мо, ’У, Си , керметов и др., для приборов, выпускаемых подразделениями предприятия.

"зондирующего" луча при наличии паров и без них. Для этого вводилась шторка-экран.
Для всего диапазона линии задержки от 0 до 45нс (плюс 20нс длительность импульса) никаких изменений осциллограмм не обнаружено. Однако, не зная динамики разлета продуктов разрушения, и делая предположение, что диаграмма разлета совпадает в прифокальной области со световым конусом обрабатывающего луча (наихудший с точки зрения точности эксперимента вариант), а так же учитывая различные размеры зон
Рис.3.4. Экспериментальная установка по измерению поглощения излучения ЛПМ эрозионным факелом.