Лазерная технология – это направление корпускулярно-фотонной технологии, в котором процессы изготовления изделия пленочной электроники выполняются с применением одного инструмента — лазерного луча. Используя разные эффекты, протекающие при воздействии излучения на твердое тело, можно осуществлять такие виды обработки, как нагрев, диффузия, сварка, пайка, герметизация, размерная обработка и др.
Отсутствие промежуточных (химических) процессов, возможность обработки на воздухе и бесконтактность воздействия позволяют контролировать результаты в реальном масштабе времени и автоматизировать процесс лазерной обработки, обеспечивая его высокую точность, технологическую простоту и производительность.
Процессы, протекающие при лазерной обработке, зависят от интенсивности лазерного излучения, режима воздействия (импульсного или непрерывного), электрофизических характеристик материала. Мощность q на глубине x определяется законом Бугера:
, (1)
где q0 — плотность мощности на поверхности образца, R – отражательная способность материала, ? — линейный коэффициент поглощения.
При воздействии излучения мощностью порядка 105 Вт/см2 в непрерывном режиме начинается плавление материала с постепенным увеличением площади расплава до установления стационарного состояния. При увеличении мощности лазерного излучения до 107 Вт/ см2 вместе с плавлением происходят кипение и интенсивное испарение материала. На поверхности образуется лунка, размеры которой начинают расти. При мощности 109 Вт/см2 излучение и температура приводят к интенсивной ионизации паров материала, образуется плазма и начинается интенсивное поглощение излучения плазмой, приводящее к прерывистому характеру обработки.
В импульсном режиме изменение температуры поверхности материала при воздействии излучения зависит от соотношения глубины проникновения излучения, толщины прогретого слоя и радиуса зоны облучения.
При лазерной сварке процесс зависит от режима: плотности потока излучения, диаметра светового луча и времени проведения процесса. На характер сварки оказывают существенное влияние чистота свариваемых материалов, толщина и электрофизические характеристики материалов, длительность и частота следования импульсов, плотность мощности и т.д.
Поглощение оптического излучения с длиной волны 0,1 – 1000 мкм происходит в слое толщиной 10-6 – 10-5 см. Поглощенная энергия передается другим, более холодным частям тела с помощью различных механизмов теплопроводности, из которых для металлов основной является электронная.
Верхнюю допустимую температуру нагрева металлов при лазерной сварке обычно связывают с температурой кипения. Минимальная температура должна быть близкой к температуре плавления наиболее тугоплавкого из металлов. Распределение температуры зависит от длительности импульса
, теплопроводности
, плотности
, теплоемкости
и температуропроводности материала
.
Количество света, поглощаемого металлической поверхностью, пропорционально 1-R, где R — коэффициент отражения. На рис. 2 приведена зависимость коэффициентов отражения некоторых металлов от длины волны. Результаты получены для гладкой поверхности металлов. В общем случае значения коэффициента отражения зависят от различных условий, в том числе от степени обработки поверхности и наличия на ней окисных пленок. Коэффициент отражения всех металлов возрастает по мере смещения в дальнюю ИК-область спектра.
Для длин волн, превышающих 5 мкм, коэффициенты отражения практически всех металлов превышают 90%. В указанной области коэффициент отражения связан с электропроводностью материала. Металлы с высокой электропроводностью обладают максимальными значениями коэффициента отражения в ИК — области спектра. На длине волны СО2-лазера (10,6 мкм) коэффициент отражения R ? 1 и величина 1-R становится малой, поэтому лишь небольшая часть падающей на поверхность энергии излучения СО2 лазера поглощается и может быть использована для плавления металла.
Рис. 2. Коэффициент отражения различных металлов как функция длины волны.
А — полированное серебро; В — медь; С — алюминий; D—никель; F—углеродистая сталь.
При проведении сварки важно распределение температуры в объеме нагреваемого тела и изменение ее во времени. Линейная задача нагрева полубесконечного тела (в частности пластины конечной толщины d для случая d
и d
) и пренебрежения теплоотводом в основание предполагает решение следующего уравнения:
. (2)
.
Свойства лазерного излучения
