Содержание к диссертации
Введение
Раздел I Лазерная резка кварцевого стекла 8
1. Ведение 8
1.1. Лазерная и газолазерная резка стекла 12
1.2. Лазерное скрайбирование 17
1.3. Лазерное сквозное термораскалывание 27
1.4 Лазерное управляемое термораскалывание (ЛУТ) 33
2. Математическая модель ЛУТ кварцевого стекла 36
2.1. Задача термоупругости ЛУТ пластины 45
2.2 Термоупругие напряжения в процессе лазерного управляемого термораскалывания (3D задача) 55
2.3 . Модель лазерной обработки кромки пластины 60
3. Разработка технологии ЛУТ кварцевого стекла 74
3.1. Процесс лазерного управляемого термораскалывания кварцевого стекла с подачей хладагента 75
3.2. Исследование режима лазерного управляемого термораскалывания кварцевого стекла без подачи хладагента 79
3.3. Универсальная установка для лазерной резки методом ЛУТ 81
3.4. Измерение термонапряжений в процессе ЛУТ поляризационно-оптическим методом 86
Раздел II Лазерная сварка кварцевого стекла.
1. Ведение 95
1.1. Сварка в режиме поверхностного нагрева 99
1.2. Лазерная сварка кварцевого стекла в режиме глубокого проплавлення 105
1.3. Особенности лазерной сварки стекла 106
1.4. Гидродинамические процессы при глубоком проплавлений 114
2. Математическая модель процесса лазерной сварки в режиме глубокого проплавлення 116
3. Исследование и определение оптимальных технологических режимов лазерной сварки кварцевого стекла с глубоким проплавлением 123
3.1. Зависимость глубины проникновения канала сварки от скорости перемещения 125
3.2. Зависимость глубины проникновения канала сварки от положения фокуса лазерного луча 126
4. Разработка основных принципов конструирования установок лазерной сварки 136
Заключение 147
Список литературы
- Лазерное скрайбирование
- . Модель лазерной обработки кромки пластины
- Универсальная установка для лазерной резки методом ЛУТ
- Особенности лазерной сварки стекла
Лазерное скрайбирование
Лазерная резка стекла путем возгонки, и испарения материала по линии реза отличается простотой, особенно при раскрое кварцевого стекла, что и привлекло внимание специалистов к этому способу [6-12]. Простота резки кварцевого стекла заключается, во-первых, в том, что в отличие от остальных силикатных стекол, из-за низкого коэффициента линейного термического расширения процесс резки можно осуществлять без предварительного нагрева. Во-вторых, поскольку температура плавления кварцевого стекла близка к температуре возгонки двуокиси кремния [8], то в зоне воздействия лазерного излучения практически не образуется жидкая ванна, а происходит небольшое оплавление краев среза. Резку кварцевого стекла обычно осуществляют при мощности ССЬ-лазеров более 100 Вт. Например, при мощности лазерного излучения 200 Вт максимальная скорость резки кварцевого стекла толщиной 3,5 мм составляет 25 мм/мин [7]. Большая удельная энергия возгонки кварцевого стекла определяет высокую энергоемкость данного процесса. Кроме того, после лазерной резки требуется, как правило, проводить отжиг изделия с целью снятия остаточных термических напряжений.
Скорость резки стекла можно увеличить, используя поддув струи воздуха в зону воздействия лазерного излучения [10,11]. Струя воздуха обеспечивает выдувание расплавленного стекла из зоны резки, что предотвращает затекание образующейся в стекле щели. Авторам [10] удалось достичь скорости резки кварцевого стекла толщиной 4 мм равной 1,4 м/мин при мощности лазерного излучения 400 Вт. Энергоемкость газолазерной резки в 10 раз меньше, чем лазерной резки без поддува воздуха, но вдвое выше газолазерной резки с использованием активного газа, і Например, увеличивается скорость резки при подаче в зону воздействия лазерного пучка через сопло водородосодержащей смеси следующего состава [13]: а) аргон — 8%, водород - 92%; б) азот - 75%, водород - 25%. При использовании указанных газовых смесей скорость резки может быть выше 1,75 м/мин. Кроме высокой скорости резки достигается высокое качество реза — ровная, гладкая поверхность, не содержащая трещин.
Таким образом, газолазерная резка кварцевого стекла нашла практическое применение в стекольном производстве благодаря простоте, высокой производительности и качеству резки, несмотря на большие энергозатраты, составляющие 45 кДж/г [11]. Значительно сложнее осуществить лазерную или газолазерную резку обычных силикатных стекол. Для предотвращения растрескивания стекла за счет остаточных напряжений
Резка кремния на промышленной установке LCS 300 Самая большая проблема обычного метода лазерной резки заключается в том, что при резке подложки на чипы разрушается их структура. Даже маленький дефект выступает, как точка зарождения трещин и ведет к катастрофическому разрушению структуры.
Данный метод резки подходит для любого материала, который поглощает излучение с длиной волны 1,064 мкм, например, кремний иv арсенид галлия. Также лазер работает с керамическими материалами, оксидом алюминия, нитридом кремния и карбидом кремния.
Описанный способ резки с помощью световодной струи не применим для стекла, сапфира и кварца из-за низкой абсорбции излучения видимого диапазона.
Энергетически более выгодным по сравнению с лазерной и газолазерной резкой является лазерное скрайбирование [12-15], которое заключается в нанесении на поверхности стекла узкой, канавки или ряда близко расположенных отверстий [12] путем возгонки и испарения материала.
Для эффективного испарения стекла, не вызывающего большого расплавления поверхности, необходимо обеспечить плотность мощности лазерного излучения в зоне обработки не менее 10 Вт/м" [16]. В противном случае вдоль линии реза образуется сеть поперечных микротрещин, снижающих механическую прочность кромки стеклоизделия. Лазерное скрайбирование можно осуществлять при высоких скоростях на низких уровнях мощности лазерного излучения. Например, с помощью С02 лазерного излучения мощностью 25 Вт успешно проведено скрайбирование пластины из стекла толщиной 5...6 мм со скоростью 3,5 м/мин [14].
. Модель лазерной обработки кромки пластины
Максимальное значение теплоотдачи зависит как от хладагента, так и от материала охлаждаемой поверхности. ат = 1.6 105 [Вт/(м2 К)] -приведено в [28] для кипения воды вокруг тонкой проволочки, погруженной в воду. Следует отметить, что это значение может быть увеличено в 2 ... 3 раза [30], за счет удаления паровой плёнки, например, охлаждение вапатрона. В нем чтобы предотвратить переход пузырькового режима в плёночный, наружную поверхность анода снабжают коническими выступами (зубцами), препятствующими возникновению такой плёнки, а следовательно, перегреву анода. В ЛУТ для предотвращения перехода пузырькового режима кипения в плёночный режим паровая пленка сдувается подаваемой воздушно - водяной струёй.
Численными методами можно оценить действие охлаждения, если в (1) брать температуру, как известную функцию координат и времени, например, взяв ее из предыдущего шага решения. Действие охлаждения сводится к выравниванию температуры поверхности в зоне эффективного охлаждения до уровня температуры кипения воды.
Распределения температуры, полученное решением задачи (11) методом конечных разностей по явной схеме с подстройкой коэффициента теплоотдачи по температуре с предыдущего шага расчета, будет иметь вид, представленный на Рис 21. В этом случае в распределении температуры образуется ступенька с резким спадом в месте фронта кипения хладагента[33-34].
Распределение температуры при нагреве лазерным эллиптическим пучком и охлаждении с помощью хладагента. Расчеты проводились для реального режима ЛУТ при вытяжке флоат-стекла толщиной 4 мм со скоростью 100 мм/сек: размер пучка - 40 х 1,6 мм , мощность лазерного излучения - 60 Вт, начальная температура стекла 70С.
Общий прогрев пластины из стекла расширяет диапазон скоростей надежного продвижения трещины и увеличивает глубину трещины. Для стеклянной пластины толщиной th = 2,8 мм диапазон надёжного резания методом ЛУТ при температуре пластины Т = 23 С составил 50 ... 130 мм/сек, а прогрев этой пластины до 68 С расширил диапазон скоростей резания до 30 ... 180 мм/сек, при этом максимальная глубина трещины возрастает с 400 мкм до 700 мкм. В этом эксперименте мощность лазера Р — 50,3 Вт и размер эллиптического пятна 2а х 2Ь = 30 х 0,9 мм . Результаты измерений приведены на Рис. 22 .
Зависимость глубины микротрещины h от скорости термораскалывания при различной температуре Т стеклянной пластины: 1- Т - 23 С; 2 - Т = 42 С; 3- Т = 58 С; 4- Т = 68 С Продвижение трещины в пластине хрупкого материала происходит при охлаждении поверхности воздушно - водяным потоком, направленным сразу за прогревом лазерным излучением. При этом образуется резкий перепад температуры вблизи поверхности пластины.
При ЛУТ нагрев движущейся поверхности стекла осуществляется, лазерным излучением, а охлаждение воздушно-водяным потоком сразу после нагревающего излучения. Нагрев производится до температур вызывающих кипение воды. В месте кипения воды теплоотдача с поверхности стекла резко (на несколько порядков) возрастает. В этом месте происходит резкий спад температуры приповерхностного слоя стекла на 10 ... 30 С, то есть большой положительный градиент температуры. Этот градиент температуры приводит к растягивающим (положительным) напряжениям в теле. Вторая часть напряжений, определяемая превышением температуры тела его начального значения отрицательная и приводит к снижению возникающих растягивающих напряжений.
Эту вторую часть температурных напряжений можно уменьшить предварительным прогревом пластины стекла до температур —70 С (ниже температуры кипения воды 100 С на перепад температур охлаждением воздушно-водяным потоком стекла 30 С).
В соответствии с теоретическими расчетами и производственной целесообразностью место расположения установки лазерной резки бортов стекла выбрано в зоне температур порядка 70С. В качестве источников лазерного излучения были опробованы различные С02-лазеры отечественного производства: ИЛГН-802 («Корд») мощностью 100 Вт, ЛГ-25 и LCD - 50 мощностью 50 Вт.
Технология резки флоат-стекла в процессе выработки методом лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) внедрена в производство на флоат-линии ЭПКС-4000 Саратовского института стекла при обрезке бортов стекла [42, 43].
При рассмотрении термоупругого равновесия тонкой пластины, нагреваемой лазерным излучением и охлаждаемой вслед за пучком хладагентом, можно считать распределение температуры по толщине пластины однородным, а неоднородности зависят только от координат (х, у). В этом случае реализуется плоское напряженное состояние [40].
Для этого случая уравнения совместности запишутся: где ат - коэффициент термического расширения, Е — модуль Юнга, v - коэффициент Пуассона, 7у - тензор напряжений, Т(х,у, t) —распределение температуры в рассматриваемом материале, причем, для задачи упругости время t является параметром, а не переменной.
Особенность процесса лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) кварцевого стекла заключается в том, что при такой же теплопроводности, как и у других стекол, кварцевое стекло можно нагревать до температуры выше 1000С [2] и это не приводит к пластическим деформациям. Обычные натриевые и боросиликатные стекла можно нагревать не выше 500...600С. Для обеспечения достаточного нагрева поверхности стекла перед охлаждением в процессе ЛУТ и не перегреть стекло в центре источника нагрева приходится прибегать к различным техническим мерам, например, использовать не одномодовый лазер ТЕМ0о с гауссовым рампределением интенсивности излучения, а многомодовый режим работы лазерного источника или применять технологический лазер с асферическим резонатором [45-52], обеспечивающий равномерное освещения в пятне нагрева.
Распределение температуры (а) при нагреве пластины из кварцевого стекла лазерным пучком и охлаждении с помощью хладагента и термонапряжения ауу (б), соответствующие этому температурному распределению. I Это иллюстрируют результаты расчетов температурных полей при нагреве пластины кварцевого стекла [53]. На Рис.25 представлены распределение температуры (а) при нагреве пластины из кварцевого стекла лазерным пучком и охлаждении с помощью хладагента и термонапряжения оуу (б), соответствующие этому температурному распределению. Расчеты проводились для реального режима ЛУТ с подачей хладагента пластины кварцевого стекла толщиной 5 мм со скоростью 4,5 мм/сек: диаметр лазерного пучка 4 мм; мощность лазерного излучения - 50 Вт.
В данном случае реализуется обычный режим ЛУТ стеклянной пластины. Градиент температуры, возникающий на фронте кипения хладагента приводит к напряжениям растяжения, продвигающим трещину вдоль лини реза.
Универсальная установка для лазерной резки методом ЛУТ
Появившееся в последнее время огромное количество публикаций в научных, патентных и рекламных изданиях, касающихся метода лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов, свидетельствует о его признании и серьезных преимуществах перед традиционными технологиями. Широко используемый при прецизионном разделении стекла метод ЛУТ нашел также применение для1 резки приборных пластин из сапфира на кристаллы в производстве , светоизлучающих диодов [68,69]. В описанном оборудовании использован С02-лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм. Сапфир непрозрачен для этой длины волны, и в этом случае обеспечивается, поверхностный нагрев материала, что является обязательным условием для реализации метода ЛУТ. Однако при резке подложек из германия или арсенида галлия, широко используемых при изготовлении приборов микро- и оптоэлектроники, использовать излучение СОг-лазера нельзя из-за прозрачности этих материалов для данной длины волны излучения.
Была разработана методика создания и внедрения технологии и оборудования на основе метода ЛУТ для замены устаревших способов резки различных материалов. На основе данной методики было разработано и изготовлено оборудование и внедрены технологии резки стекла (в том числе и кварцевого), керамики, кремния и сапфира для решения конкретных производственных задач.
Основными этапами процесса разработки технологии и оборудования для резки различных материалов методом ЛУТ являются:
Внедрение оборудования и технологии в производство. При термораскалывании подложек из сапфира, кремния, арсенида галлия необходимо учитывать следующие особенности. Принципиальным отличием в процессе резки указанных анизотропных материалов методом лазерного управляемого термораскалывания по сравнению со стеклом является существенное отличие их теплофизических свойств, и в первую очередь, коэффициентов теплопроводности и линейного температурного расширения, что накладывает совершенно иные и очень жесткие ограничения на параметры лазерного пучка и технологические режимы процесса. Поскольку теплопроводность сапфира в 25 раз, у арсенида галлия в 55 раз, а у кремния в 150 раз выше по сравнению со стеклом, то для достижения необходимых градиентов температур следует увеличивать плотности мощности лазерного излучения на поверхности материала, а также относительные скорости перемещения! лазерного пучка и материала.
Были выполнены экспериментальные исследования влияния мощности лазерного излучения на скорость лазерного управляемого термораскалывания подложек из сапфира. , Также были выполнены экспериментальные исследования влияния мощности лазерного излучения на скорость лазерного управляемого термораскалывания подложек из кремния и арсенида галлия.
Все это накладывает жесткие ограничения на оптическую фокусирующую систему. Были разработаны две различные оптические фокусирующие системы.
Первая оптическая система была предназначена для фокусировки излучения на поверхности сапфировой подложки в зоне резки. В оптической системе применяются просветленные плосковыпуклые сферические и плосковыпуклые цилиндрические линзы из селенида цинка ZnSe.
Вторая оптическая фокусирующая система была разработана для лазерного управляемого термораскалывания кремния и арсенида галлия с использованием полупроводникового лазера. Поскольку подложки из указанных выше полупроводниковых материалов обладают значительно более высокой даже по сравнению с сапфиром теплопроводностью, то и фокусировать излучение надо в пятно приблизительно тех же размеров, что и для резки сапфира. Сделать это затруднительно, поскольку излучение полупроводниковых лазеров имеет значительную расходимость, то есть существенно больше дифракционного предела, определяемого размерами пучка.
Схема объектива, обеспечивающего пятно на обрабатывемой пластине излучения полупроводникового лазера LIMO 250 размером 2а х 2Ъ 3х 0,3 мм. На Рис. 40 представлена схема объектива из четырех линз (плосковыпуклые цилиндрическая и сферическая линзы и два апланатических мениска из стекла ТФ-1) обеспечивает на обрабатываемой пластине пятно излучения полупроводникового лазера LIMO 250 размером 2а х 2b 3 х 0,3 мм. Рабочий отрезок объектива составляет 15 мм. Объектив рассчитан с использованием компьютерной программы OSLO.
Впервые была разработана, изготовлена и внедрена универсальная установка [66,67], обеспечивающая возможность резки различных хрупких материалов (рис. 41). В данной установке используются два лазера с различной длиной волны (С02-лазер ИЛГН-708 мощностью 50 Вт и полупроводниковый лазер мощностью 250 Вт) и два независимых оптических тракта.
Особенности лазерной сварки стекла
Из решения задачи теплопроводности можно определить, что необходимая мощность лазерного излучения, идущая на нагрев кварцевой пластины толщиной 10 мм для поддержания температуры стенки канала при температуре сублимации кварца Тс « 2000 С перемещающегося со скоростью 0,6 10"3 м/сек (40 мм/мин) составляет Р = 200 Вт. Если снизить скорость сварки (v = 20 мм/мин), то мощности лазерного луча достаточно Р 150 Вт. Увеличение скорости вдвое (до v = 80 мм/мин) потребует в этих условиях увеличения мощности лазера до Р = 310 Вт.
Определим мощность лазерного излучения необходимую для удаления кварца из канала сварки. При нагревании кварца до температуры « 2000 С кварц распадается по схеме: S102 - SiO+ У302 Затем в струе пара восстанавливается кварц в1 виде дыма и оседает на поверхность дорожкой белого порошка [3]. Энергия диссоциации молекулы кварца EdK, 3 eV, то есть удельная энергия сублимации оценивается в Hd « 4,5 10 6 Дж/кг. Удельная энергия испарения S1O2 равна Hv « 1,14 10 Дж/кг [4]. Таким образом, удельная энергия на удаление кварца из канала сварки оценивается вНТг « 5,64 10 6 Дж/кг.
Оценим мощность лазер излучения Ps, необходимого для испарения кварца из канала диаметром 2а = 0,4 мм в пластине толщиной h = 10 мм при скорости сварки v = 40 мм/ мин. Ps = 2ahvрНТг 34Вт Из приведенной формулы видно, что для увеличения скорости сварки кварцевого стекла с глубоким проплавлением необходимо пропорционально увеличивать мощность лазерного излучения для испарения кварца из канала.
Как показывают расчеты, основная часть мощности лазерного излучения ( 85%) идет на нагрев кварцевой пластины и лишь 15% на испарение материала из канала. Это обусловлено низкой скоростью процесса сварки, связанной с низкой теплопроводностью и высокой вязкостью кварцевого стекла в расплавленном состоянии. С другой стороны, это значение теплопроводности кварцевого стекла является достаточно высоким, чтобы обеспечить «растекание» тепла по объему материала. 3 кварцевого стекла с глубоким проплавлением.
Для исследований была выбрана кварцевая пластина толщиной h = 18 мм с прозрачным краем, удобным для наблюдения и измерений глубины проникновения канала сварки. Измерения проводились при скорости перемещения v = 0,17 10 " м/сек (10 мм/мин), угле наклона сварочного луча лазера к поверхности пластины а, =21.. Луч лазера фокусировался линзой из ZnSe с фокусным расстоянием F = 95 мм. Параметры подогревающего луча: мощность луча Р2 = 586 Вт, угол наклона а2 =12 гауссов луч лазера с углом наклона3 трансформируется аксиконом из ZnSe в кольцевой пучокDxd = 24 х 12 мм на поверхности пластины [92,93].
На Рис.56 приведена зависимость глубины проникновения канала сварки в кварц от мощности лазерного луча в случаях, когда подача питающего стерня отключена (кривая 1) и когда подается кварцевый стержень диаметром 1 мм в зону сварки со скоростью VRF = 40 мм/мин (кривые 2 и 3).
Минимальная мощность лазерного луча {Pi), при которой еще заметно проникновение светящегося канала вглубь кварца составляет « 20Вт, а на поверхности небольшая канавка вдоль движения луча. Если используется питающий кварцевый стержень диаметром 1 мм, то этой мощности едва хватает на плавление стержня. Повышая мощность луча Pj до 50 Вт, получается видимое проникновение светящегося канала в кварц, а на поверхности пластины не канавка, а небольшой наплыв из кварца. Далее повышая мощность луча, практически линейно возрастает и глубина проникновения канала.
Измерения проводились при двух значения положения фокуса сварочного луча лазера: над поверхностью пластины (Z; = +бмм, кривые 1 и 2) и под поверхностью (Z; = - 6мм, кривая 3). Влияние положения фокуса относительно поверхности будет обсуждаться ниже. Здесь следует отметить, что заглубление фокуса в кварц приводит к образованию узкого и нестационарного канала, что и отмечено большой погрешностью в определении глубины его проникновения (кривая 3).
Если подача питающего стержня отключена, то глубина проникновения канала возрастает примерно на 2 мм (кривые 1 и 2) и на поверхности пластины остается канавка глубиной 0,5 ...0,7 мм и шириной 2 ... 3 мм. Применение питающего стержня позволяет полностью устранить эту канавку.
Из Рис. 56 следует, что располагая мощностью сварочного лазера Pj = 240 Вт и подогревающего лазера Р2 = 586 Вт можно надежно сваривать детали из плавленого кварца толщиной до 14 мм. Линейный характер зависимости глубины проникновения канала от мощности луча позволяет оценить необходимую мощность лазера для сварки изделий толщиной «50мм. В этом случае потребуется мощность сварочного лазера «1000 Вт и такой же мощности подогревающий лазер.
Экспериментальная зависимость глубины проникновения канала сварки при мощности излучения сварочного лазера Р/ =236 Вт наклоненного на угол а = 20 и подогревающего лазера Р2 — 586 Вт от скорости перемещения [93] приведена на Рис. 57 для положения фокуса лазерного излучения относительно плоскости детали zf = +6; 0; -8 мм и вычисленная по формуле (3). Увеличение скорости сварки, очевидно, приводит к снижению глубины проникновения канала сварки при неизменных остальных параметрах. При расположении фокуса сварочного луча над поверхностью кварца (z = +6мм) увеличение скорости сварки практически линейно снижает глубину проникновения канала сварки (Рис. 57, кривая 1) в диапазоне скоростей до 40 мм/мин
Нелинейность в этом диапазоне скоростей проявляется при расположении фокуса луча на поверхности (z/ = 0) или заглубляя фокус в кварц (z/ = - 8 мм). В этих случаях меняется характер поведения канала, он становится тонким и нестационарным по длине, он как бы "дышит". На графике это отражается в большой погрешности определения глубины проникновения канала.
