Інший приклад - вимірювальні смужки глюкометрів, які складаються з ламінованих шарів, які працюють для прийому крові, транспортування рідини, колірної індикації, вимірювання рівня глюкози і т.д. Тут теж не обійшлося без лазерних технологій.
Лазерна мікрообробка матеріалів, як правило, проводиться лазерним випромінюванням, сфокусованим в пляма діаметром менше 25 мікрон. Для більшої частини додатків мікрообробки такий діаметр плями є навіть більшим, тому що найчастіше товщина оброблюваного матеріалу або шару становить близько 10 мкм, а необхідна точність розмірної обробки і позиціонування - 12 мкм і менше. Процеси, які відбуваються при взаємодії лазерного випромінювання з матеріалами, а, отже, і результат цієї взаємодії сильно залежать від поглинання матеріалу на довжині хвилі даного лазерного джерела, пікової потужності лазера і тривалості впливу випромінювання на матеріал. При попаданні лазерного випромінювання на поверхню матеріалу, спочатку відбувається випаровування і іонізація поверхневих домішок і забруднень, які практично завжди, в тому чи іншому вигляді присутні. Далі випромінювання поглинається основним матеріалом, і якщо інтенсивність не достатньо висока, матеріал плавиться, випаровується, а пари іонізуются. При цьому тиск парів сприяє вихлюпування розплаву і утворення отвору. Звичайно, при побудові теоретичної моделі і чисельному моделюванні фізичних процесів, що відбуваються при взаємодії ЧИ, необхідно розглядати процеси тепло- і масо переносу, газодинаміку і оптичні властивості парів і утворюється плазми. А також враховувати геометрію взаємодії, яка впливає, зокрема, на процеси «розвантаження» і, отже, на характеристики взаємодії.
При досить високому коефіцієнті поглинання матеріалу на даній довжині хвилі або високої інтенсивності випромінювання, можуть відбуватися фотоабляціонние процеси, коли матеріал за дуже короткий час випаровується безпосередньо з твердого стану, минаючи рідку фазу, і при цьому іонізується, перетворюючись в плазму. А оскільки всі ці процеси протікають за вельми короткий час, формується ударна хвиля. Все або більшість з цих фізичних процесів відбуваються при різанні, зварюванні, пайку, свердління матеріалів і впливають на точність і якість результату лазерної мікрообробки.
При роботі з багатошаровими матеріалами обробити потрібний шар можна досить легко, для цього необхідно вибрати довжину хвилі лазерного випромінювання, яка найкращим чином поглинається матеріалом оброблюваного шару. Типовий приклад - свердління глухих отворів в гнучких друкованих платах, коли необхідно просвердлити полиимид, нанесений на мідну фольгу. Випромінювання CO2 лазера з довжиною хвилі 9,4 мкм добре поглинається Полііміди і відбивається від міді (коефіцієнт відображення міді майже 100%).
Складніша ситуація виникає при обробці багатошарових полімерних матеріалів, хоча базові принципи роботи залишаються тими ж - для обробки заданого шару необхідний ретельний вибір довжини хвилі ЧИ. В цілому поглинання більшості органічних матеріалів лежить в середньому ІК діапазоні, тому CO2 лазери широко застосовуються для обробки полімерних матеріалів, при цьому деякі матеріали щонайкраще обробляються більш короткохвильових випромінюванням ексимерних лазерів УФ діапазону.
Застосування лазерів у виробництві упаковки
Один з примітних прикладів додатків лазерів для обробки полімерів - створення упаковок з ПВХ / ПЕТ багаторазового використання, для електронної, харчової, хімічної, фармацевтичної промисловості.
антистатична упаковка виробляється з PE або VMPET / CPE з антистатичним покриттям, може комплектуватися застібкою-блискавкою, піддається повторної герметизації. Застосовується для упаковки виробів електронної промисловості.
стоячий гнучкий пакет складається з декількох шарів високоякісних матеріалів PET, PA, CPP, CPE, OPP, алюміній і т.д. Підходить для упаковки їжі, насіння, ліків, пестицидів і т.д. Можлива кольоровий друк, міцне термозварювання з можливістю повторного закривання.
складається з декількох шарів високоякісних матеріалів PET, PA, CPP, CPE, OPP, алюміній і т.д. Підходить для упаковки їжі, насіння, ліків, пестицидів і т.д. Можлива кольоровий друк, міцне термозварювання з можливістю повторного закривання.
Поліестер (ПЕТ) - міцний матеріал, що допускає друк зображень високої якості, тоді як поліетилен - матеріал, що забезпечує герметизацію упаковки. Між шарами поліестеру і поліетилену для поліпшення збереження продуктів іноді додають слоібарьери, що перешкоджають проникненню кисню і вологи. Поліестер володіє більш високим коефіцієнтом поглинання на довжині хвилі 10,6 мкм, ніж поліетилен, тому CO2 лазери широко застосовуються для розрізання шару поліестеру без порушення структурних характеристик і цілісності поліетиленового шару упаковки. Цей прийом, зокрема, застосовується в недавно розроблених упаковках харчових продуктів, готових для розігріву в мікрохвильових печах. Лазером прорізаються «вентиляційні» отвори в шарі ПЕТ, невидимі на око і без порушення первісної герметичності упаковки. При нагріванні в мікрохвильовій печі упаковка розривається тільки в цих «ослаблених» місцях, і пара, що утворилася виводиться назовні. Такий процес лазерного різання шару ПЕТ може бути досить високо продуктивним - до 300 м / хв.
На упаковці багаторазового використання лазер застосовується на додаток до механічної перфорації для полегшення обривання відривний смуги. Найбільш яскравий приклад - знайома всім упаковка сухих кормів для тварин.
Правильний вибір довжини хвилі, енергії і тривалості імпульсу лазерного випромінювання - запорука успішного досягнення необхідного результату лазерної обробки.
Видалення провідного шару оксиду індію - олова (ITO) з поверхні скла (технологія застосовується у виробництві моніторів контрольних приладів літаків) або з поверхні поліестеру. Як правило, товщина провідної плівки до 70 мкм, вимоги до точності позиціювання і ширині «ліній» + / 1,5 мкм, і при видаленні провідного шару неприпустимо порушення підкладки. Як правило, для такого процесу застосовується лазерне випромінювання УФ діапазону, так як випромінювання з довжиною хвилі 1,06 мкм може легше зруйнувати підкладку за рахунок термічних ефектів, особливо в місцях перетину наносяться лазером ліній. Саме для такого роду обробки важливо, щоб пікова потужність лазерного імпульсу була великою, а частота повторення імпульсів високої. Це дозволяє вести видалення плівки ITO з ПЕТ на швидкості до декількох метрів в секунду, щоб уникнути небажаних термічних ефектів за рахунок середнього нагріву матеріалу і підвищити вихід процесу. В даний час для цього успішно застосовуються імпульсні волоконні лазери (довжина хвилі 1,068 мкм) і їх другі гармоніки (534 нм). Процес використовується, наприклад, в формуванні електродів на мультитач дисплеях або для створення ізолюючих розривів в які проводять зонах тонкоплівкових сонячних батарей. Сучасні сонячні батареї - це багатошарові структури, що складаються з шарів міді, індію, галію і селеніду між двома електродами. Лазерне скрайбірованіе використовується для створення електричної ізоляції і різанні сонячних батарей на сегменти. При необхідності лазери також використовуються для зварювання компонентів сонячних батарей з міді і нержавіючої сталі.
(Технологія застосовується у виробництві моніторів контрольних приладів літаків) або з поверхні поліестеру. Як правило, товщина провідної плівки до 70 мкм, вимоги до точності позиціювання і ширині «ліній» + / 1,5 мкм, і при видаленні провідного шару неприпустимо порушення підкладки. Як правило, для такого процесу застосовується лазерне випромінювання УФ діапазону, так як випромінювання з довжиною хвилі 1,06 мкм може легше зруйнувати підкладку за рахунок термічних ефектів, особливо в місцях перетину наносяться лазером ліній. Саме для такого роду обробки важливо, щоб пікова потужність лазерного імпульсу була великою, а частота повторення імпульсів високої. Це дозволяє вести видалення плівки ITO з ПЕТ на швидкості до декількох метрів в секунду, щоб уникнути небажаних термічних ефектів за рахунок середнього нагріву матеріалу і підвищити вихід процесу. В даний час для цього успішно застосовуються імпульсні волоконні лазери (довжина хвилі 1,068 мкм) і їх другі гармоніки (534 нм). Процес використовується, наприклад, в формуванні електродів на мультитач дисплеях або для створення ізолюючих розривів в які проводять зонах тонкоплівкових сонячних батарей. Сучасні сонячні батареї - це багатошарові структури, що складаються з шарів міді, індію, галію і селеніду між двома електродами. Лазерне скрайбірованіе використовується для створення електричної ізоляції і різанні сонячних батарей на сегменти. При необхідності лазери також використовуються для зварювання компонентів сонячних батарей з міді і нержавіючої сталі.
Про гнучких друкованих платах
Основні тенденції - мініатюризація приладів, все більш висока щільність упаковки їх компонентів, з усе більшою кількістю виходів на зовнішнє або основне обладнання (наприклад, тест смужки глюкометрів).
При виробництві гнучких плат лазери в принципі застосовуються так само, як і у виробництві жорстких плат. Але є й особливості. Найчастіше лазери використовуються для трьох завдань - для видалення надлишкового полиимида там, де це необхідно, для свердління наскрізних і глухих отворів і інших структур, а також для видалення тимчасового захисного покриття з поверхні провідників. Традиційні механічні та хімічні методи мають обмеження по точності і розміром отвору до декількох десятків мікрон. Тоді як лазер при певних умовах здатний просвердлити отвір діаметром менше 10 мкм.
Поліімідние матеріали добре обробляються короткохвильовим випромінюванням ексимерних лазерів (248 нм) або третьої гармонікою лазерів з довжиною хвилі 1,06 - 1,07 мкм. Базова гармоніка, так само, як і 10 мікрон випромінювання CO2 лазерів, оплавляє краю полиимида, створюючи «валики» розплавленого і невидаленого матеріалу і викликає почорніння (за рахунок сажі). Як правило, ексимерні лазери призводять до кращих результатів, але їх продуктивність нижче, ніж Nd: YAG, а тим більше волоконних лазерів.
Лазерна мікропайка і мікрозварювання
Лазерна мікропайка має ряд переваг перед традиційними методами. Перш за все це безконтактність процесу, а, отже, менший ризик електростатичного руйнування деталей. Повторюваність і контрольованість процесу в наслідок стабільності параметрів і якості випромінювання сучасних лазерних джерел.
До недавнього часу найбільш часто для микросварки застосовувалися діодні лазери, як найбільш економічне рішення, однак сьогодні на цьому ринку непогану конкуренцію їм складають волоконні лазери.
Лазери також застосовуються і для микросварки інструментарію малоінвазивної хірургії, наприклад, катетерів (рис.1, 2). У цій ситуації важливо провести зварювання в потрібних місцях в умовах складної тривимірної геометрії об'єкта.
Марія Степанова, к.ф.м.н.