ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
(См. 2 - 3-ю стр. цветной вкладки)
Сообщение о появлении в начале 60-х годов первых лазеров вызвало буквально сенсацию во всем мире. Хотя в те годы это были только лабораторные приборы, лазерам сулили грандиозные перспективы. «Гиперболоид инженера Гарина», «Миллион телепередач по лучу лазера», «Две половины человечества смогут разговаривать по телефону с помощью всего одного луча лазера», «Ярче тысячи солнц» - такими кричащими заголовками со страниц газет и журналов сообщалось о будущем лазеров. Это, пожалуй, тот редкий случай, когда действительность оправдала многие ожидания.
Лазерами стали заниматься сотни, тысячи научно-исследовательских лабораторий во всех промышленно развитых странах мира, и, конечно, основной упор был сделан на использование этого выдающегося открытия для практических целей.
Прошло немногим более десяти лет -, и лазеры прочно вошли в арсенал современных технических средств, завоевав передовые рубежи.
В предыдущем номере журнала «Наука, и жизнь» обширная семья лазеров была систематизирована по длинам волн, и мощностям излучения в импульсном, и непрерывном режимах генерации (снимок вверху). Обилие различных типов лазеров определяет широту сферы их применения. Трудно даже перечислить все области, где лазеры не только с успехом могут заменить старые технические средства, но, и создать принципиально новые возможности.
Самым первым испытанием, в котором лазеры в полной мере проявили свои выдающиеся способности, была технология обработки материалов, а вслед за этим, как снежный ком, стали расти профессии лазера. Рассказ о них, и начнем с технологических применений лазеров.
Физической основой этой профессии лазера является монохроматичность лазерного излучения.
Луч любого источника лучистой энергии, будь то спичка, лампа накаливания, Солнце, - это электромагнитные волны различной длины (немонохроматический луч), образующие непрерывный спектр частот (или длин волн) от ультрафиолетовой до инфракрасной области. Вся энергия такого луча в определенной пропорции распределена между волнами различной длины (частоты).
При фокусировке немонохроматического луча с помощью различных оптических систем принципиально невозможно создать точечный фокус, фигурально выражаясь, сконцентрировать энергию луча на острие «иглы», так, как каждая электромагнитная волна будет иметь свой фокус, соответствующий ее длине (явление хроматической аберрации). Следовательно, энергия немонохроматического луча сосредоточится не в точке, а в некоторой области (острие «иглы» в нашем примере будет тупым) (см. рис. на цветной вкладке).
Лазерный (монохроматический) луч - это электромагнитные волны только одной длины, и поэтому такой луч фокусируется в объеме, стремящемся к точке (точность фокусировки - дифракционный предел - зависит лишь от качества фокусирующей системы, и длины волны). Вот почему плотность мощности лазерного излучения в фокусе может достигать колоссальных значений - миллиардов киловатт на квадратный сантиметр (см. тот же рис.). Правда, время существования такой плотности мощности в фокусе импульсного лазерного луча ничтожно - 10-9 сек., но концентрации энергии, даже в 10 тысяч раз меньшей, вполне достаточно, чтобы за такое время вызвать испарение любого вещества, тем более, что лазерные импульсы могут следовать друг за другом через каждую сотую долю секунды. Существующие типы лазеров обладают, конечно, различными энергетическими характеристиками (см. «Наука, и жизнь» № 8, стр. 31 - 32), поэтому луч одних может нагреть, а других расплавить или испарить вещество. На диаграмме цветной вкладки представлены характеристики лазеров, определяющие различные виды их технологических применений желтый квадрат - прошивание отверстий, синий - размерная обработка деталей, и узлов приборов микроэлектроники, зеленый - сварка. Красные столбики характеризуют мощность лазеров непрерывного излучения с длиной волны 10,6 микрометра, необходимую для операций резания стекла (розовый), керамики (светло-красный), металла (темно-красный).
Прошивание отверстий. Почти невозможно назвать современные промышленные изделия, над которыми бы не потрудилось механическое, ультразвуковое или электроэрозионное «сверло»
Лазеры не только пополнили этот арсенал, но, и поставили рекорды в некоторых видах технологии, связанных с получением микроотверстий.
Испаряя вещество, лазерный луч создает малую зону температурного влияния (десятые доли мм) - ничтожный нагрев соседних областей, так, как время, за которое он это делает, только тысячные доли секунды, а площадь его воздействия может иметь диаметр от тысячных до десятых долей миллиметра.
Если же такой лазерный импульс будет воздействовать на вещество неоднократно, то за несколько секунд получится отверстие, глубина которого по современным техническим возможностям лазеров может в сотни раз превысить диаметр.
Прошивание отверстий в алмазах при изготовлении фильер было первым технологическим применением лазеров. Для этого был использован импульсный рубиновый лазер. Время обработки одного алмаза сократилось с двух дней до двух минут! Сегодня лазер позволяет заменить малопроизводительный труд по механической обработке алмазов, и рубинов (для часовой промышленности), ускорив этот процесс в десятки раз.
Отверстия, прошиваемые лазерным лучом, могут быть значительно тоньше человеческого волоса, направлены под любым углом к поверхности обрабатываемой детали или сделаны в местах, недоступных механическому способу обработки; при этом луч не загрязнит, и не повредит образец.
Получение микроотверстий необходимо при производстве различных деталей, балансировке гироскопов самолетов, обработке сложных лопастей турбин, и т. д.
На желтом квадрате цветной вкладки помещены фотография отечественной лазерной установки «Квант-9» для черновой обработки алмазных фильер, и рисунки только некоторых изделий, характеризующие возможности лазерной обработки.
«Квант-9», и другие установки, работающие на операциях прошивания микроотверстий, экономят сотни тысяч рублей, облегчают труд, существенно расширяют возможности процесса.
Размерная обработка в микроэлектронной промышленности. Микроэлектроника - последнее слово техники, но создание сложнейших приборов, рассмотреть которые порой можно только под лупой, поставило перед человеком целый ряд сложнейших, и трудоемких технологических задач.
Процессы подгонки резисторов, и обработки интегральных схем требовали не только долгих часов, но, и кропотливого, ювелирного труда. На помощь пришел опять лазер.
Для указанных операций требуется, как, и в случае прошивания отверстий, такая же плотность мощности в фокусе лазерного импульса, но время его действия уже значительно меньше, и поэтому синий прямоугольник на диаграмме цветной вкладки по шкале времени действия сдвинут влево.
Являясь абсолютно стерильным инструментом, лазерный луч в технологических операциях по подгонке резисторов, и обработке интегральных схем испаряет миллионные доли грамма вещества, не загрязняя деталей, производит обработку непосредственно в вакууме, беспрепятственно проходя через прозрачные среды (стекло, кварц, пластик). Лучу лазера доступна даже обработка электрических цепей, находящихся под напряжением.
Преимущества лазерной технологии перед механической обработкой дополняются возможностью создания систем автоматизации, и контроля с помощью ЭВМ, что ведет к резкому снижению брака, увеличению точности обработки, повышению рентабельности процесса.
Приведем пример при подгонке толстопленочных, и тонкопленочных резисторов (путем испарения микроколичеств их веществ с помощью лазера без повреждения подложки) их сопротивление может быть подогнано с точностью от 0,01 до 0,1%, старый способ обработки обеспечивал только 5 - 20% точности.
По зарубежным данным, при поточном производстве резисторов одна механическая установка могла обработать 2,4 миллиона резисторов в год. Лазерной установке под силу 28,8 миллиона резисторов. С не меньшим успехом применяются лазерные установки в различных операциях обработки интегральных схем, повышая скорость обработки в сотни раз, расширяя круг возможных операций. Некоторые сравнительные данные по использованию лазера в микроэлектронном производстве приведены на синем квадрате цветной вкладки.
В СССР разработана установка для обработки деталей приборов микроэлектроники «ТИЛУ-1», дающая сотни тысяч рублей экономии в год.
Сварка, пайка. Если плотность мощности лазерного импульса находится в пределах 105 - 107 вт/см2, то такой импульс способен расплавить любой металл или тугоплавкий сплав. Время действия импульса определяется конкретными условиями процесса сварки, требующей несколько более длительного воздействия излучения для глубокого проплавления. Поэтому зеленый квадрат на диаграмме цветной вкладки по плотности мощности сдвинут вниз, а по времени вправо. Ко всем выше перечисленным преимуществам, и возможностям лазерной технологии в процессах сварки можно добавить способность лазерного луча сваривать самые различные композиции золото - кремний, германий - золото, никель - тантал, медь - алюминий, и т. д.
Процесс лазерной сварки не требует ни предварительной зачистки материалов, никакого-либо флюса, ни создания вакуума, ни специальной атмосферы.
Сварные соединения обладают почти стопроцентной прочностью, и могут иметь различные конфигурации. Использование лазерной сварки на поточных линиях стало реальностью благодаря усовершенствованию лазеров на рубине, и стекле, а также появлению лазеров на алюмоиттриевом гранате, и двуокиси углерода. Усовершенствование лазерных систем резко увеличило скорость сварки, и сократило эксплуатационные расходы. Так, например, скорость сварки с помощью лазера, по зарубежным данным, составляет от 2 до 5 см/сек, а стоимость процесса сократилась с нескольких тысяч до 1 доллара в час.
В настоящее время можно говорить об освоенности самых различных видов микросварки с помощью лазера.
Отечественной промышленностью разработаны лазерные сварочные установки «Квант-10», «СЛС-10», «СУ-1», «УЛ-2», применяемые в различных технологических операциях.
Резание. Резание по праву можно назвать одним из самых распространенных видов технологических операций. И здесь лазер оказался универсальными «ножницами», выполняя операции резания тканей, и пласти ка, стекла, керамики, и даже листового металла.
Процесс резания в подавляющем большинстве случаев непрерывен, поэтому предпочтительным оказалось применение лазеров непрерывного действия, обладающих большими энергиями излучения, и излучающих электромагнитные волны инфракрасного диапазона (А = 10,6 микрометра).
Резать лазер может по-разному.
Если пятно сфокусированного непрерывного лазерного излучения (пределы мощности указаны на диаграмме) перемещать по стеклу любого профиля, то в результате хорошего поглощения стеклом излучения на длине волны 10,6 мкм по линии перемещения образуется локальный перегрев, который при охлаждении (к примеру, струей воды) дает направленный раскол стеклянного изделия. На фотографии красного квадрата вкладки изображена отечественная лазерная установка по резанию стеклопрофилита.
Луч лазера может резать не только любое стекло, но керамические, и полупроводниковые пластины, листовой металл. При резании с помощью лазера кремниевых или германиевых пластин на отдельные элементы, необходимые полупроводниковой промышленности, применяется так называемый метод скрайбирования (от английского слова scribe - царапать).
Тепловое воздействие сфокусированного луча лазера непрерывного действия приводит к механическому повреждению верхней части пластины (внешне это выглядит царапиной).
В дальнейшем достаточно приложить незначительное механическое усилие, и пластины расколются по линиям этих царапин (аналогично резанию стекла алмазом).
Лазерный луч в сочетании с поддувом кислорода с успехом справляется с резанием листового металла стали, титана, циркония. Стальной лист толщиной 3 мм лазерный луч режет со скоростью 1 м/мин. Сегодня можно резать листы металла толщиной до 5 мм. Основное преимущество резания металла с помощью лазерной технологии, помимо скорости, - малая зона термического воздействия лист не коробится.
Появление газодинамических лазеров, обладающих мощностью излучения около ста киловатт в непрерывном режиме, открывает возможности применения лазерной технологии для резки, и сварки массивных металлических изделий.
При резании тканей лучом лазера края реза оплавляются, и не требуют обметывания при пошиве изделий, а это большая экономия времени. На некоторых предприятиях страны уже успешно действуют установки фигурного раскроя тканей.
Рассказанное далеко не исчерпывает всех технологических применений лазеров.
Инженеры Ю. ЛОХОВ. В. СИПЯГИН, Р. ШЕЛЕПИНА.
