1.前書き
最初のレーザーが登場して以来、 1960、レーザーの研究とさまざまな分野でのその応用が急速に発展しています。その高いコヒーレンスは、高精度測定、材料構造分析、情報記憶、および通信の分野で広く使用されています。レーザーの高い指向性と輝度は、製造業界で広く使用できます。レーザーデバイス、新しい誘導放射線源、および対応するプロセスの継続的な革新と最適化により、特に過去 20 年に、レーザー製造技術は多くのハイテク分野および産業に浸透し、一部を置き換えまたは変換し始めました伝統的な加工産業。
1987では、アメリカの科学者がマイクロ電気機械システム（MEMS）の開発計画を提案しました。これは、マイクロ機械に関する人間の研究の新時代を示しています。現在、マイクロマシニングで使用されている製造技術には、主に半導体加工技術、マイクロリソグラフィー電鋳（リガ）技術、超精密機械加工技術、特殊マイクロマシニング技術があります。その中でも、特別なマイクロマシニング方法は、エネルギーを直接処理することによって、分子または原子を1つずつ除去することです。特殊加工は、電気エネルギー、熱エネルギー、光エネルギー、音響エネルギー、化学エネルギーなどの形で行われます。一般的に使用される方法は、EDM、超音波加工、電子ビーム加工、イオンビーム加工、電気化学加工などです。近年、マイクロマシニングの新しい方法が開発されました。ステレオリソグラフィー、フォトマスクなどを含むフォトフォーミング。レーザーマイクロマシニングは、アプリケーションと開発に大きな可能性を秘めています。
2.レーザー微細加工技術の主な用途
ポータブル化と小型化に向けた電子製品の開発に伴い、単位体積情報（高密度）と単位時間処理速度（高速）の向上により、マイクロエレクトロニクスパッケージング技術に対する新しい要件が提起されました。たとえば、最近の携帯電話やデジタルカメラには、1平方センチあたり約 1200 の相互接続が装備されています。チップパッケージのレベルを向上させる鍵は、異なる層のライン間にマイクロビアの存在を維持することです。これにより、表面実装デバイスと下の信号パネル間の高速接続が提供されるだけでなく、パッケージ領域が効果的に削減されます。 。
一方、近年の携帯電話、デジタルカメラ、ラップトップなどの携帯用電子製品の開発により、プリント基板（PCB）は多層化、多機能化が進み、多機能化が進んでいます。本体として高密度相互接続技術。層間の電気的接続と外部デバイスの固定を効果的に保証するために、ビアは多層PCBの重要な部分になっています。現在、掘削コストは通常、PCB製造コストの 30％-40％を占めています。高速で高密度のPCB設計では、設計者は常にビアが小さいほど良いことを望んでおり、ボード上の配線スペースが増えるだけではありません。また、ビアが小さいほど高速回路に適しています。従来の機械的穴あけの最小サイズはわずか 100 μmであり、要件を明らかに満たすことができません。代わりに、新しいレーザーマイクロスルーホール加工法が採用されています。現在、CO 2 レーザーを使用することにより、直径 30-40μmの小さな穴または直径約 10 μmの小さな穴を得ることが可能です業界で。
レーザー微細加工技術は、機器製造、自動車、航空精密製造、およびインクジェット部品の加工などのさまざまな微細加工産業で、切断、穴あけ、彫刻、スクライブ、熱浸透、溶接などに使用できます。サイズが 20 ミクロンを超えるインクジェットプリンタ。マイクロプレス、研磨などのレーザー表面処理技術を使用して、さまざまなマイクロ光学素子を処理したり、多孔質ガラスにレーザーを充填したりして、ガラスセラミックのアモルファス化により構造を変更し、その後、外部機械力を調整する、そして軟化段階では、マイクロ光学素子はプラズマ支援マイクロ成形によって処理されます。
一般的なレーザー微細加工技術
レーザーマイクロマシニング技術には、非接触の選択的マシニング、小さな熱影響領域、高精度と繰り返し率、部品サイズと形状の高いマシニング柔軟性など、多くの利点があります。実際、レーザーマイクロマシニングテクノロジーの最大の特徴はGG quot;ダイレクトライティングGG quot;で、これによりプロセスが簡略化され、マイクロマシンのラピッドプロトタイピングが実現します。また、この方法は腐食などの環境汚染の問題がないため、GG quot;グリーン製造GG quot;と呼ぶことができます。マイクロマシニングで使用されるレーザーマイクロマシニングテクノロジーには2つのタイプがあります。
1）レーザー直接描画マイクロマシニング、レーザーリガなどの材料除去マイクロマシニング技術。
2）レーザーマイクロステレオリソグラフィー、レーザー支援蒸着、レーザー選択的焼結などの材料積層マイクロマシニング技術。
その他のレーザー微細加工技術
パルスレーザーエッチングは、レーザー技術の新しい研究分野です。これは、短波長周波数2倍レーザーまたはピコ秒、フェムト秒レーザーを高精度CNC工作機械と組み合わせて使用して、さまざまな材料をエッチングおよび処理します。これらの材料の表面に形成された微細構造の品質は、材料が短いパルスでエッチングされ、その後除去されたときにはるかに高くなります。 2001では、ドイツのハイデルベルク計測器は3倍の周波数（波長{{3}}。7 nm）を使用して、最小 5 mm、最小加工可能フィーチャーサイズは 10 mm、精度は 1 mmです。図 5は、WC / Coにエッチングされたパルスレーザーの3次元形状を示しています。レーザー焦点の直径は 5 mmであり、XとYのフィードイン方向は{{5 }} mm。{{1 3}}。3 mmはレイヤーごとに削除され、平均表面粗さは0。16 mmです。レーザーマイクロカッティングは、原則としてレーザーエッチングと同じです。また、光源として周波数倍化レーザーまたはフェムト秒レーザーを使用して、ビームを正確に集束させ、エネルギーの入力を正確に制御します。熱影響が少なく、微細除去加工を行っています。
3.微細加工技術における超短パルスレーザーの最新の開発
CO 2 レーザーとYAGレーザーは、連続した長パルスレーザーです。それらは主に高エネルギー密度を形成することに焦点が当てられており、局所領域で高温を発生させて材料をアブレーションすることができます。それらは基本的に熱処理の分野にあり、処理精度は限られています。エキシマレーザーは、材料の光化学と相互作用するためにその短波長（UV）に依存しており、その特徴的なスケールはマイクロメートルのオーダーに達する可能性があります。ただし、エキシマレーザーで必要なガスは腐食性があり、制御が困難です。さらに、高強度UVレーザーは処理システムの光学要素を損傷しやすいため、その用途は限られています。レーザーフィールドのさらなる研究により、レーザーパルスの時間領域幅は、ナノ秒（10-9秒）からピコ秒（10-12秒）からフェムト秒（10-l 5へとますます短く圧縮されています。 s）。
フェムト秒パルスレーザーには、次の2つの特徴があります：（1）パルス持続時間が短い。フェムト秒パルスの持続時間は数フェムト秒と短く、光は0。{{2}}μmでのみ伝搬します。これは、ほとんどの細胞の直径よりも短い1 FSです。 （2）ピーク電力が非常に高い。フェムト秒レーザーは、パルスエネルギーを数フェムト秒から数百フェムト秒に集中させるため、ピークパワーが非常に高くなります。たとえば、LμJのエネルギーが数フェムト秒に集中しており、1 0μmのスポットに収束する場合、その光パワー密度は1 0 1 8w / cm 2、およびその電界強度は2×1 0 1 2 v / mに変換できます。これは 4 回です水素原子のクーロン場強度（5 ×1 0 1 1 v / M）の場合、原子から電子を直接分離することができます。
レーザーと透明材料の相互作用メカニズムから、パルス幅は連続レーザーから数十ピコ秒であり、損傷メカニズムはアバランシェ電離プロセスであり、初期電子密度に依存しますが、材料の初期電子密度は不純物の不均一な分布。したがって、損傷しきい値は大きく変化します。長パルスレーザーの損傷しきい値は、 50％の損傷確率を持つレーザーエネルギーフロー密度として定義されます。つまり、長パルスレーザーの損傷しきい値は統計値です。超短パルスレーザーの電界強度は非常に高いです。束縛された電子は同時にn個の光子を吸収し、束縛されたレベルから自由レベルに直接遷移することができます。超短パルスレーザーによる損傷もなだれ電離プロセスですが、その電子は多光子電離プロセスによって生成され、材料の初期電子密度に依存しなくなります。したがって、損傷しきい値は正確な値です。パルスレーザーの損傷閾値は、パルス幅の減少とともに減少します。ピコ秒レベルでは減少率が遅くなり、フェムト秒レベルではほとんど変化しません。
さらに、超短パルスレーザーの損傷しきい値は非常に正確であるため、レーザーエネルギーは損傷しきい値と正確に等しいかわずかに高くなるように制御され、損傷しきい値より高い部分のみがアブレーションを生成し、サブミクロン処理は以下のようになります。回折限界を実行できます。フェムト秒レーザーは、超高光度を生成し、正確で低い損傷しきい値を持ち、熱影響領域が非常に小さく、ほとんどすべての種類の材料を正確に処理できます。また、加工精度が非常に高く、サブミクロンサイズまで正確に加工できます。
レーザーマイクロマシニングには、高い生産効率、低コスト、安定した信頼性の高い加工品質、優れた経済的、社会的メリットという利点があります。フェムト秒レーザーは、短いパルス持続時間、高いピークパワーという独自の利点を備えた従来のレーザー加工方法を打ち破り、超微細材料、非熱的損傷、および 3 D空間加工と加工の新しい分野を生み出しています。 。フェムト秒レーザー加工技術の応用には、マイクロエレクトロニクス、フォトニック結晶デバイス、高速情報伝送速度（1 tbit / s）の光ファイバー通信デバイス、マイクロマシニング、新しい3次元光メモリー、マイクロ医療デバイス製造、細胞生物工学が含まれます。技術など。レーザーマイクロマシニングテクノロジーは、2 1世紀にそのかけがえのない利点を備えたハイテクになると予測できます。
結論シオン
工業化の時代に、世界のすべての国が大規模な機械を生産することを誇りに思っています。情報技術の時代では、すべての先進工業国がマイクロ材料の研究とますます小型機械の製造に取り組んでいます。ナノテクノロジーの時代には、国防、航空宇宙、医学、バイオエンジニアリングの開発に適応するために、マイクロ加工は今日の製造業界で最も活発な研究方向です1つは、マイクロメカニカルテクノロジーの開発レベルが国の総合力を測る基準。レーザー微細加工技術は、微細加工技術においてますますユニークな利点を示しており、幅広い開発の見通しを持っています。中国は、将来のハイテク分野での地位を占めるために、独立した知的財産権を持つレーザー微細加工技術を開発する必要があります。