Введение к работе
За последние годы резко увеличились требования современной промышленности к качеству изделий производимых для микро- и оптоэлектроники. В связи с этим в мире широкое распространение получила технология лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) таких материалов как кремний, арсенид галлия, стекло, однако в Российской Федерации насчитываются единицы установок с технологией ЛУТ. Из них можно отметить установку резки тонкого стекла (0,1мм-0,55мм) для защитных стекол космических солнечных батарей в ОАО «Сатур», установку ЭПКС-4000 резки стекла на флоат линии в Саратовском институте стекла и промышленные установки РТ-350, РТ-500, о который пойдет речь ниже.
Метод ЛУТ был разработан профессором B.C. Кондратенко в 80-е годы, однако применялся только в единичном производстве изделий для оптоэлектроники. Стоит отметить, что весомый вклад в развитие технологии ЛУТ внесли научные работы_ Гиндина П.Д., Наумова А.С., Seak-Joon Lee.
Преимущества метода ЛУТ заключается в следующем:
нулевая ширина реза, по сравнению с лазерным скрайбированием;
высокая производительность процесса, в сравнении с алмазной резкой;
отсутствие глубины нарушенного слоя, которая существенно влияет на прочность изделий.
Настоящая работа посвящена автоматизации технологических процессов ЛУТ хрупких неметаллических материалов на промышленных установках РТ-350, РТ-500 и др.
Анализ предлагаемых на рынке готовых программных решений для лазерных установок показал, что эти решения являются дорогостоящими и еще не успели в полной мере охватить процесс ЛУТ и его особенности, как технологические, так и специфику оборудования, используемого на лазерных установках.
В связи с этим, для автоматизации технологического процесса лазерного раскроя хрупких не металлических материалов необходимо разработать, на базе существующих простых систем управления, новую высокоэффективную автоматизированную систему управления, а также программно-аппаратные модули необходимые для автоматизации технологического процесса на промышленных установках.
Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработать принципиально новое программное и аппаратное обеспечение для промышленных установок ЛУТ, позволяющее автоматизировать технологический процесс прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов, и в первую очередь, приборных структур на основе кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов, а также стекла для дисплейных панелей. Создание и внедрение автоматизированной системы управления установками ЛУТ и программно-аппаратных модулей будет способствовать увеличению функциональности установок, их быстродействие, КПД.
Целью работы является разработка и внедрение новой высокоэффективной системы управления технологическими процессами ЛУТ на промышленных установках РТ-350 и РТ-500, которая позволит автоматизировать процессы разделения кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей.
Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие основные задачи:
сформулировать требования к системе управления и оборудованию, необходимому для автоматизации технологических процессов ЛУТ;
произвести сравнительный анализ существующих систем управления лазерными установками;
спроектировать и разработать АСУ ТП в состав, которой входят программные модули необходимые для оборудования лазерной обработки изделий на промышленных установках, обеспечивающих высокую степень чистоты процесса, а также контроль микротрещины и автоматизацию ЛУТ;
внедрить АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках ЛУТ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
В разработке полнофункциональной АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок, которая позволяет производить раскрой хрупких неметаллических материалов по технологии ЛУТ с высокой производительностью, в отличие от существующих простых систем управления.
В разработке нового алгоритма для АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках, с учетом процедуры контроля наличия микротрещины, которая отслеживает полный цикл резки приборных пластин на чипы.
В разработке алгоритмов управления для аппаратных модулей, позволяющих автоматизировать процесс ЛУТ на промышленных установках. Для модулей: устройства нанесения первоначального дефекта (УНПД), видео и ПК контроля положения пластины, блока управления лазером.
В разработке схемы нового устройства контроля микротрещины для технологии ЛУТ, которое позволяет определить наличие микротрещины при каждом лазерном резе.
Практическая ценность.
Исследования и разработки по теме диссертации связаны с решением практических задачи автоматизации технологических процессов ЛУТ. Практическая ценность данной работы подтверждена актом внедрения результатов работы на отечественных предприятиях. Разработанная АСУ ТП используется для установок ЛУТ РТ-350 резки кремниевых приборных пластин на чипы, РТ-500 резки дисплейных панелей для приборов и средств отображения информации в кабине пилотов истребителей «Су» и «МиГ» и боевых вертолетов «Ка» в отечественной военной промышленности.
Реализация и внедрение результатов работы.
Разработанная автоматизированная система управления внедрена на российских и зарубежных предприятиях, в том числе:
на установке резки кремниевых пластин РТ-350 в ОАО «МЗ «Сапфир» г. Москва;
на установке резки стекла РТ-500 в ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» г. Раменское;
на установках резки стекла в «Foxconn Technology Group Ltd.» (Тайвань);
Апробация работы. Результаты диссертационной работы демонстрировались на международных выставках «Высокие технологии XXI века - 2008», «Высокие технологии XXI века - 2010», «Archimedes 2008», «MashMeh 2008», V международный форум «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2009», VI международный форум «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2010».
На защиту выносятся следующие положения:
Сформулированные требования к АСУ ТП и основным функциональным узлам технологического оборудования для ЛУТ.
Программное обеспечение LaserCut - АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок.
Алгоритмы АСУ ТП ЛУТ и входящих в состав программных модулей управления: устройством нанесения первоначального дефекта (УНПД), устройством видео контроля позиционирования, устройством управления блоками питания и охлаждения лазеров.
Оптимизированные технологические режимы ЛУТ кремниевых пластин и стекла на промышленных установках, полученные экспериментальным путём.
Программные модули: УНПД, в том числе для утонённых кремниевых пластин и тонкого стекла, модуль позиционирования приборной пластины, позволяющий производить резку структур с обратной стороны подложки, тем самым, обеспечивая высокую степень чистоты процесса ЛУТ.
Схема и алгоритм программно-аппаратного модуля контроля лазерного реза, которое позволяет определить наличие микротрещины для конкретного реза.
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 5 публикациях, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора.
Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит фотографии, схемы и таблицы в общем количестве 60шт.
