Aunque los láseres ultrarrápidos existen desde hace décadas, las aplicaciones industriales han crecido rápidamente en las últimas dos décadas. En 2019, el valor de mercado de los ultrarrápidosmaterial láserprocesamiento fue de aproximadamente 460 millones de dólares EE.UU., con una tasa de crecimiento anual compuesta del 13%. Las áreas de aplicación donde los láseres ultrarrápidos se han utilizado con éxito para procesar materiales industriales incluyen la fabricación y reparación de fotomáscaras en la industria de semiconductores, así como el corte en cubitos de silicio, el corte/grabado de vidrio y la eliminación de películas de ITO (óxido de indio y estaño) en productos electrónicos de consumo como teléfonos móviles y tabletas. , texturizado de pistones para la industria automotriz, fabricación de stent coronarios y fabricación de dispositivos de microfluidos para la industria médica.
01 Fabricación y reparación de fotomáscaras en la industria de semiconductores.
Los láseres ultrarrápidos se utilizaron en una de las primeras aplicaciones industriales en el procesamiento de materiales. IBM informó sobre la aplicación de la ablación con láser de femtosegundo en la producción de fotomáscaras en la década de 1990. En comparación con la ablación con láser de nanosegundos, que puede producir salpicaduras de metal y daños en el vidrio, las máscaras con láser de femtosegundos no muestran salpicaduras de metal, ni daños en el vidrio, etc. Las ventajas. Este método se utiliza para producir circuitos integrados (CI). Producir un chip IC puede requerir hasta 30 máscaras y costar más de 100.000 dólares. El procesamiento con láser de femtosegundo puede procesar líneas y puntos por debajo de 150 nm.
Figura 1. Fabricación y reparación de fotomáscaras.
Figura 2. Resultados de optimización de diferentes patrones de máscara para litografía ultravioleta extrema
02 Corte de silicio en la industria de semiconductores
El corte en cubitos de obleas de silicio es un proceso de fabricación estándar en la industria de los semiconductores y normalmente se realiza mediante corte mecánico. Estas ruedas de corte a menudo desarrollan microgrietas y son difíciles de cortar obleas delgadas (por ejemplo, espesor < 150 μm). El corte por láser de obleas de silicio se ha utilizado en la industria de los semiconductores durante muchos años, especialmente para obleas delgadas (100-200 μm), y se lleva a cabo en múltiples pasos: ranurado por láser, seguido de separación mecánica o corte sigiloso (es decir, haz de láser infrarrojo en el interior). el trazado de silicona) seguido de una separación mecánica con cinta. El láser de pulso de nanosegundos puede procesar 15 obleas por hora y el láser de picosegundos puede procesar 23 obleas por hora, con mayor calidad.
03 Corte/trazado de vidrio en la industria electrónica de consumibles
Las pantallas táctiles y las gafas protectoras de teléfonos móviles y portátiles son cada vez más delgadas y algunas formas geométricas se curvan. Esto dificulta el corte mecánico tradicional. Los láseres típicos suelen producir una calidad de corte deficiente, especialmente cuando estas pantallas de vidrio se apilan en 3 o 4 capas y el vidrio protector superior de 700 μm de espesor está templado, lo que puede romperse con una tensión localizada. Se ha demostrado que los láseres ultrarrápidos pueden cortar estos vidrios con mayor resistencia en los bordes. Para cortar paneles planos grandes, el láser de femtosegundo se puede enfocar en la superficie posterior de la lámina de vidrio, rayando el interior del vidrio sin dañar la superficie frontal. Luego, el vidrio se puede romper utilizando medios mecánicos o térmicos a lo largo del patrón ranurado.
Figura 3. Corte de forma especial de vidrio con láser ultrarrápido de picosegundos
04 Texturas de pistones en la industria del automóvil
Los motores de los automóviles ligeros están hechos de aleaciones de aluminio, que no son tan resistentes al desgaste como el hierro fundido. Los estudios han descubierto que el procesamiento con láser de femtosegundo de las texturas de los pistones de los automóviles puede reducir la fricción hasta en un 25% porque los desechos y el aceite se pueden almacenar de manera efectiva.
Figura 4. Procesamiento con láser de femtosegundo de pistones de motores de automóviles para mejorar el rendimiento del motor
05 Fabricación de stent coronario en la industria médica
Se implantan millones de stents coronarios en las arterias coronarias del cuerpo para abrir un canal para que la sangre fluya hacia vasos que de otro modo estarían coagulados, salvando millones de vidas cada año. Los stents coronarios normalmente están hechos de malla de alambre metálico (p. ej., acero inoxidable, aleación de níquel-titanio con memoria de forma o, más recientemente, aleación de cobalto-cromo) con una anchura de puntal de aproximadamente 100 µm. En comparación con el corte por láser de pulso largo, las ventajas de utilizar láseres ultrarrápidos para cortar brackets son una alta calidad de corte, un mejor acabado superficial y menos residuos, lo que reduce los costos de posprocesamiento.
06 Fabricación de dispositivos microfluídicos para la industria médica.
Los dispositivos de microfluidos se utilizan comúnmente en la industria médica para pruebas y diagnóstico de enfermedades. Por lo general, se fabrican mediante moldeo por microinyección de piezas individuales y luego se unen mediante pegado o soldadura. La fabricación con láser ultrarrápido de dispositivos de microfluidos tiene la ventaja de producir microcanales 3D dentro de materiales transparentes como el vidrio sin necesidad de conexiones. Un método es la fabricación con láser ultrarrápido dentro de un vidrio a granel seguido de un grabado químico húmedo, y otro es la ablación con láser de femtosegundo dentro de vidrio o plástico en agua destilada para eliminar los desechos. Otro enfoque consiste en mecanizar canales en la superficie del vidrio y sellarlos con una cubierta de vidrio mediante soldadura con láser de femtosegundo.
Figura 6. Grabado selectivo inducido por láser de femtosegundo para preparar canales de microfluidos dentro de materiales de vidrio
07 Microperforación de la boquilla del inyector
El mecanizado de microagujeros con láser de femtosegundo ha reemplazado a la microerosión en muchas empresas del mercado de inyectores de alta presión debido a una mayor flexibilidad para cambiar los perfiles de los orificios de flujo y tiempos de mecanizado más cortos. La capacidad de controlar automáticamente la posición de enfoque y la inclinación del haz a través de un cabezal de escaneo de precesión ha llevado al diseño de perfiles de apertura (por ejemplo, barril, destello, convergencia, divergencia) que pueden promover la atomización o penetración en la cámara de combustión. El tiempo de perforación depende del volumen de ablación, con un espesor de broca de 0,2 a 0,5 mm y un diámetro de orificio de 0,12 a 0,25 mm, lo que hace que esta técnica sea diez veces más rápida que la microerosión. La microperforación se realiza en tres etapas, incluido el desbaste y el acabado de los orificios piloto pasantes. El argón se utiliza como gas auxiliar para proteger el pozo de la oxidación y proteger el plasma final durante las etapas iniciales.
Figura 7. Procesamiento de alta precisión con láser de femtosegundo del orificio cónico invertido para inyector de motor diésel
08 Texturizado láser ultrarrápido
En los últimos años, con el fin de mejorar la precisión del mecanizado, reducir el daño material y aumentar la eficiencia del procesamiento, el campo del micromecanizado se ha convertido gradualmente en un foco de atención para los investigadores. El láser ultrarrápido tiene varias ventajas de procesamiento, como bajo daño y alta precisión, lo que se ha convertido en el foco de promoción del desarrollo de la tecnología de procesamiento. Al mismo tiempo, los láseres ultrarrápidos pueden actuar sobre una variedad de materiales, y el daño de los materiales por procesamiento con láser también es una importante dirección de investigación. El láser ultrarrápido se utiliza para la ablación de materiales. Cuando la densidad de energía del láser es superior al umbral de ablación del material, la superficie del material sometido a ablación mostrará una micronanoestructura con ciertas características. Las investigaciones muestran que esta estructura superficial especial es un fenómeno común que ocurre cuando se procesan materiales con láser. La preparación de micronanoestructuras superficiales puede mejorar las propiedades del propio material y también permitir el desarrollo de nuevos materiales. Esto hace que la preparación de micronanoestructuras de superficie mediante láser ultrarrápido sea un método técnico con importante importancia para el desarrollo. Actualmente, para materiales metálicos, la investigación sobre el texturizado de superficies con láser ultrarrápido puede mejorar las propiedades de humectación de la superficie del metal, mejorar las propiedades de fricción y desgaste de la superficie, mejorar la adhesión del recubrimiento y la proliferación y adhesión direccional de las células.
Figura 8. Propiedades superhidrófobas de la superficie de silicio preparada con láser
Como tecnología de procesamiento de vanguardia, el procesamiento láser ultrarrápido tiene las características de una pequeña zona afectada por el calor, un proceso no lineal de interacción con materiales y un procesamiento de alta resolución más allá del límite de difracción. Puede realizar micronanoprocesamiento de alta calidad y alta precisión de diversos materiales. y fabricación de micronanoestructuras tridimensionales. Lograr la fabricación por láser de materiales especiales, estructuras complejas y dispositivos especiales abre nuevas vías para la micronanofabricación. En la actualidad, el láser de femtosegundo se ha utilizado ampliamente en muchos campos científicos de vanguardia: el láser de femtosegundo se puede utilizar para preparar diversos dispositivos ópticos, como conjuntos de microlentes, ojos compuestos biónicos, guías de ondas ópticas y metasuperficies; utilizando su alta precisión, alta resolución y capacidades de procesamiento tridimensional, el láser de femtosegundo puede preparar o integrar chips de microfluidos y optofluidos, como componentes de microcalentadores y canales de microfluidos tridimensionales; Además, el láser de femtosegundo también puede preparar diferentes tipos de micronanoestructuras de superficie para lograr funciones antirreflectantes, antirreflectantes, superhidrófobas, antihielo y otras; No solo eso, el láser de femtosegundo también se ha aplicado en el campo de la biomedicina, mostrando un rendimiento sobresaliente en campos como microstents biológicos, sustratos de cultivo celular e imágenes microscópicas biológicas. Amplias perspectivas de aplicación. En la actualidad, los campos de aplicación del procesamiento con láser de femtosegundo se están ampliando año tras año. Además de las aplicaciones de microóptica, microfluídica, micronanoestructuras multifuncionales y ingeniería biomédica mencionadas anteriormente, también desempeña un papel muy importante en algunos campos emergentes, como la preparación de metasuperficies. , micronanofabricación y almacenamiento de información óptica multidimensional, etc.
Hora de publicación: 17 de abril de 2024
