Введение к работе
Актуальность темы. Данная работа посвящена решению проблем в области производства деталей оптического приборостроения и деталей микро -и оптоэлектроники, а именно:
высокоэффективной прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов;
резки стекла для дисплейных панелей на модули;
резки стекла в процессе выработки;
резки изделий из стекла по криволинейному контуру;
резки широкого класса анизотропных материалов, включая резку приборных пластин на кристаллы;
получения изделий из стекла с заданной формой края с повышенными прочностными и эксплуатационными параметрами.
Актуальность работы связана с массовостью выпуска различных типов приборов и изделий оптического приборостроения, микро- и оптоэлектроники, ужесточением требований к их технико-экономическим и эксплуатационным параметрам и несовершенством существующих традиционных технологий их изготовления. Существующие традиционные технологии базируются на устаревших операциях резки с помощью алмазных дисков, твердосплавных или алмазных резцов, алмазных или лазерных скрайбирующих систем. В ряде случаев эти технологии достигли пределов своих возможностей, как с точки зрения повышения качества и точности обработки, так и с точки зрения себестоимости выпускаемой продукции.
Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки принципиально новых высокоэффективных технологических процессов прецизионного и безотходного разделения широкого класса многофункциональных материалов, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике, а также необходимостью разработки и выпуска соответствующего оборудования для реализации этих новых технологий.
Разработанный в 80-ых годах профессором В. С. Кондратенко метод лазерного управляемого термораскалывания получил в последнее время широкое признание и распространение для прецизионной безотходной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов. К числу преимуществ этого метода следует отнести в первую очередь следующие:
высокая чистота процесса резки, связанная с безотходностью разделения материала методом лазерного управляемого термораскалывания;
высокая механическая прочность изделия после лазерного управляемого термораскалывания;
отсутствие механических нагрузок в зоне резки, исключающее деформацию и разрушение тонких крупногабаритных дисплейных панелей в процессе резки;
высокая скорость резки различных материалов, достигающая 1000 мм/сек и более;
высокая точность резки, составляющая 5-10 мкм на длине 500 мм;
возможность сквозной резки в одном технологическом цикле. Именно благодаря перечисленным преимуществам был сделан выбор
метода лазерного управляемого термораскалывания, как наиболее эффективного метода для резки плоских дисплейных панелей. Особое внимание было обращено на тот факт, что данный метод разделения материалов является безотходным, и таким образом может быть использован в особо чистых помещениях.
Однако для широкого использования метода лазерного управляемого термораскалывания при резке различных хрупких неметаллических материалов, в том числе анизотропных, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике, необходимо провести целый комплекс теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили бы учесть особенности физико-механических свойств материалов и интегрировать новый технологический процесс резки и новое технологическое оборудование в существующий сложный технологический процесс изготовления современных высокотехнологичных приборов и изделий.
Целью работы является разработка новых высокоэффективных технологических процессов изготовления деталей для приборостроения, изделий микро - и оптоэлектроники, разработка и внедрение специализированного и автоматизированного оборудования и программ управления технологическими процессами.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать тенденцию развития современного рынка различных оптоэлектронных приборов, выявить основные недостатки существующих технологий и оборудования для разделения материалов и наметить пути их преодоления;
провести теоретические исследования математической модели процесса ЛУТ для изотропных и анизотропных материалов, в том числе, по криволинейному контуру, а также экспериментально проверить правильность расчета температурных полей и полей термоупругих напряжений;
определить влияние основных характеристик используемых материалов, и в первую очередь, их оптических и теплофизических характеристик на параметры технологических процессов прецизионной резки методом ЛУТ;
разработать общую концепцию и требования к конструкции оборудования для резки подложек из хрупких неметаллических материалов методом ЛУТ;
разработать алгоритмы и создать программное обеспечение для управления технологическим оборудованием для резки пластин методом ЛУТ;
разработать и внедрить серию специализированного технологического оборудования для резки широкого класса материалов, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике, для чего необходимо:
- произвести статистическую оценку качества получаемых
изделий и приборов;
- произвести оценку эксплуатационных параметров лазерного
разделения;
- разработать эксплуатационную документацию;
исследовать качество и надежность получаемых приборов из опытных партий;
установить связь между технологическими параметрами обработки и функционально-стоимостными характеристиками приборов.
Научная новизна работы состоит в том, что в данной работе впервые осуществлен комплексный подход в создании новых высокоэффективных технологий и оборудования для лазерной обработки деталей приборостроения, микро - и оптоэлектроники.
В диссертационной работе предложена математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания различных изотропных и анизотропных материалов, позволяющая производить расчеты температурных полей и полей термических напряжений и раскрыть феноменологический механизм зарождения и развития трещины в хрупком материале.
Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛУТ различных типов хрупких неметаллических материалов, используемых в производстве изделий приборостроения, микро- и оптоэлектроники, позволившая оптимизировать режимы процесса лазерного разделения.
Обоснован выбор оптимальной модовой структуры лазерного излучения для процесса лазерного управляемого термораскалывания.
Проанализирован характер изменения температурных полей и полей
напряжений в различных направлениях по отношению к
кристаллографической ориентации монокристаллической пластины.
Впервые исследовано влияние анизотропии теплофизических и механических свойств различных монокристаллических материалов на параметры технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания.
Разработана методика учета и компенсации анизотропии свойств обрабатываемого монокристалла за счет активного изменения технологических параметров резки в течение всего технологического цикла.
Получены новые научные данные, позволившие разработать технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания таких анизотропных материалов, как сапфир, кварц, кремний, арсенид галлия, карбид кремния и ряда других полупроводниковых материалов.
Разработана общая концепция построения специализированного технологического оборудования для прецизионной резки широкого класса многофункциональных материалов, включая резку приборных пластин на базе анизотропных материалов на кристаллы. Разработаны и обоснованы критерии и требования к основным функциональным узлам и механизмам
технологического оборудования, в том числе, к источнику лазерного излучения, оптической фокусирующей системе и механизму подачи хладагента.
Разработан общий алгоритм программы и комплекс программно аппаратных средств управления данным оборудованием.
Практическая ценность. Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач, остро стоящих в ряде областей промышленности и техники. Практическая ценность данной работы подтверждена актами внедрения результатов работы на отечественных и зарубежных предприятиях.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные технологические процессы и специализированное лазерное технологическое оборудование для лазерной обработки оптических деталей нашли практическое применение в ряде компаний.
Разработанный технологический процесс и специализированное технологическое оборудование для лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей нашли практическое применение и внедрены в ряде компаний, в том числе:
ОАО «Московский завод «Сапфир»;
ОАО «НИИ «Волга» (г. Саратов);
РПКБ (г. Раменское Московской области);
компания " Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH" (Германия);
в компании "Esseltech Co., Ltd." (Южная Корея) при разработке и изготовлении лазерного технологического оборудования для резки плоских дисплейных панелей методом лазерного управляемого термораскалывания.
Разработанный процесс лазерного управляемого термораскалывания таких анизотропных материалов, как сапфир, кварц, а также ряда полупроводниковых материалов нашел практическое применение и внедрен на ряде российских предприятий и зарубежных компаний, в том числе:
резка сапфировых пластин на кристаллы для полевых транзисторов
на основе структур GaN/AlGaN/Al203 в ФГУП «НПП «Пульсар» (г.
Москва);
резка сапфировых подложек в ОАО «Московский завод «Сапфир»
(г. Москва);
резка сапфировых подложек на чипы для СИД в компании "Корвет-
Лайтс" (г. Москва);
резка сапфировых пластин на кристаллы для СВЧ-транзисторов и
СИД в ИСВЧПЭ РАН (г. Москва)
резка сапфира на чипы для СИД в ЗАО «Протон» (г. Орел);
резка подложек из сапфира на чипы в Агентстве технологических
исследований «ЮниСаф» (г. Зеленоград);
резка монокристаллического кварца, кремния и сапфировых
подложек на чипы для светоизлучающих диодов (СИД) в фирме "
Grander Technology Ltd. " (Китай);
резка сапфира, кварца, кремния карбида кремния и арсенида галлия
в компании "Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH" (Германия).
Разработан и внедрен в производство в ОАО «Саратовский институт стекла» (г. Саратов) технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания флоат-стекла в процессе его выработки;
На основании проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен в производство ряд новых высокоэффективных технологических процессов прецизионной резки стекла и керамики, а также приборных пластин на основе монокристаллического кварца, сапфира, кремния, германия, арсенида галлия, танталата лития, ниобата лития, карбида кремния.
На основании полученных в диссертационных исследованиях результатов создана серия нового технологического оборудования для резки широкого класса многофункциональных материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: XIII Международной научной конференции «Лазеры-2002» (г. Сочи - 2002); V Международной конференции «Прикладная оптика-2002» (г. Санкт-Петербург - 2002); V Международной конференции по полупроводникам (г. Нара, Япония - 2003); на XIV Международной научной конференции «Лазеры-2003» (г. Сочи - 2003); Международном семинаре "SEMI Expo CIS 2003" (г. Москва - 2003); XIII Международной конференции "Finetech Japan" (г. Токио - 2003); Международной конференции-выставке "Laser-2003" (г. Мюнхен - 2003); Международной конференции "JENOPTIK Laser Forum" (г. Иена - 2003); XVIII Международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г. Москва - 2004); 3-ей всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия», МГУ (г. Москва - 2004); XVIII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации (г. Алушта - 2004); VII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Сочи - 2004); Международной юбилейной научно-технической конференции «Наука о резании материалов в современных условиях» (г. Тула - 2005); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности» (Тунис - 2005); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности» (Египет - 2006); Международном техническом симпозиуме SEMI Expo CIS (г. Москва - 2006); за рубежом на семинарах и научных конференциях немецкой компании "Jenoptik AT" (Jena - 2004, 2005), тайваньской компании "Foxconn Technology Group" (Shenzhen - 2006, 2007); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Турция - 2007); Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Тунис - 2008); Международной научно-технической конференции «Фотоника-2008» (Новосибирск - 2008); Международной
научно-технической конференции «Стеклопрогресс-ХХІ» (Саратов- 2008); Международной научно-технической конференции «Пьезо - 2008» (г. Москва); Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Египет - 2009); а также на семинарах и научных конференциях Московского государственного университета приборостроения и информатики, ОАО «Московский завод «Сапфир», Института СВЧ - полупроводниковой электроники РАН, ФГУП НИИ «Пульсар», НИИ технического стекла (г. Москва).
Результаты диссертационной работы демонстрировались на Международных выставках «Высокие технологии XXI века - 2004», «Высокие технологии XXI века - 2005», «Высокие технологии XXI века - 2006», «Высокие технологии XXI века - 2008» и удостоены дипломов и 2 золотых медалей, на Международном салоне «Архимед - 2006» удостоены серебряной медали, на Международном салоне «Архимед - 2008» - золотой медали.
За комплекс работ в 2005 году в составе авторского коллектива присуждена Премия Правительства РФ в области науки и техники.
На защиту выносятся следующие положения:
комплекс высокоэффективных технологий и оборудования для лазерной обработки деталей оптического приборостроения, микро - и оптоэлектроники методом лазерного управляемого термораскалывания;
новый технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей;
результаты теоретического исследования процесса лазерного управляемого термораскалывания различных типов стекла, используемых в производстве дисплейных панелей; расчеты температурных полей и термоупругих напряжений;
результаты исследований прочности изделий из стекла при различных способах обработки кромок изделий;
оптимизированные технологические режимы лазерного управляемого термораскалывания различных типов стекла, включая оптимизацию модовой структуры лазерного излучения;
основные принципы конструирования лазерного
специализированного оборудования для резки дисплейных панелей;
серия специализированного технологического оборудования для резки дисплейных панелей различных типов и размеров;
новый технологический процесс лазерной резки стекла по криволинейному контуру;
математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания стекла по криволинейному контуру;
технологический процесс лазерного управляемого
термораскалывания группы анизотропных материалов;
результаты теоретического исследования лазерного управляемого термораскалывания анизотропных материалов: сапфир, кварц, кремний, арсенид галлия и другие полупроводниковые материалы;
расчеты температурных полей и термоупругих напряжений в зависимости от ориентации кристаллической решетки монокристалла;
разработка и обоснование критериев и требований к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования, в том числе, к оптической фокусирующей системе и механизму подачи хладагента;
разработка концепции и конструкции универсальной технологической установки для резки приборных пластин из различных материалов, содержащей два лазера с различной длиной волны излучения и две оптические фокусирующие системы;
оптимизированные технологические режимы лазерного управляемого термораскалывания различных приборных пластин.
серия специализированного технологического оборудования для лазерной прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике.
Публикации. Основные научные результаты отражены в 71 публикациях, в том числе, в 5 монографиях и учебных пособиях, в 3 описаниях к патентам РФ на изобретения, в 19 статьях в научно-технических журналах и в 44 опубликованных докладах Международных и Российских конференций.
Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Во всех совместных публикациях автором сформулированы постановка задачи и метод ее решения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, содержит фотографии, графики и таблицы.
