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 láseres ultrarrápidosmaterial láserEl volumen de procesamiento fue de aproximadamente 460 millones de dólares estadounidenses, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 13 %. Las áreas de aplicación donde se han utilizado con éxito láseres ultrarrápidos para procesar materiales industriales incluyen la fabricación y reparación de fotomáscaras en la industria de semiconductores, así como el corte de silicio, el corte/grabado de vidrio y la eliminación de películas de óxido de indio y estaño (ITO) en electrónica de consumo como teléfonos móviles y tabletas, la texturización de pistones para la industria automotriz, la fabricación de stents coronarios y la fabricación de dispositivos microfluídicos 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 láser de femtosegundos en la producción de fotomáscaras en la década de 1990. En comparación con la ablación láser de nanosegundos, que puede producir salpicaduras de metal y daños en el vidrio, las máscaras láser de femtosegundos no presentan salpicaduras de metal ni daños en el vidrio, entre otras ventajas. Este método se utiliza para producir circuitos integrados (CI). La producción de un chip CI puede requerir hasta 30 máscaras y costar más de 100 000 dólares. El procesamiento láser de femtosegundos permite procesar líneas y puntos de menos 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 de obleas de silicio es un proceso de fabricación estándar en la industria de semiconductores y se realiza normalmente mediante corte mecánico. Estas ruedas de corte suelen desarrollar microfisuras y dificultan el corte de obleas delgadas (por ejemplo, con un espesor inferior a 150 μm). El corte láser de obleas de silicio se utiliza en la industria de semiconductores desde hace muchos años, especialmente para obleas delgadas (100-200 μm), y se lleva a cabo en varias etapas: ranurado láser, seguido de separación mecánica o corte sigiloso (es decir, haz láser infrarrojo dentro del silicio) y, finalmente, separación mecánica con cinta. El láser de pulsos de nanosegundos puede procesar 15 obleas por hora, y el láser de picosegundos puede procesar 23 obleas por hora, con mayor calidad.
03 Corte/marcado de vidrio en la industria de la electrónica de consumo
Las pantallas táctiles y los cristales protectores para teléfonos móviles y portátiles son cada vez más delgados y presentan formas geométricas curvas. Esto dificulta el corte mecánico tradicional. Los láseres convencionales suelen producir cortes de baja calidad, especialmente cuando estas pantallas de vidrio están compuestas por 3 o 4 capas y la capa superior de cristal protector de 700 μm de espesor es templada, lo que puede provocar roturas por tensión localizada. Se ha demostrado que los láseres ultrarrápidos permiten cortar estos vidrios con mayor resistencia en los bordes. Para el corte de paneles planos de gran tamaño, el láser de femtosegundos se puede enfocar en la superficie posterior de la lámina de vidrio, rayando el interior sin dañar la superficie frontal. Posteriormente, el vidrio se puede romper mediante métodos mecánicos o térmicos siguiendo el patrón marcado.
Figura 3. Corte de vidrio con forma especial mediante láser ultrarrápido de picosegundos
04 Texturas de pistones en la industria automotriz
Los motores de automóviles ligeros están fabricados con aleaciones de aluminio, que no son tan resistentes al desgaste como el hierro fundido. Diversos estudios han demostrado que el procesamiento de la textura de los pistones de los automóviles mediante láser de femtosegundos puede reducir la fricción hasta en un 25 %, ya que permite almacenar eficazmente los residuos y el aceite.
Figura 4. Procesamiento con láser de femtosegundos de pistones de motores de automóviles para mejorar el rendimiento del motor.
05 Fabricación de stents coronarios en la industria médica
Millones de stents coronarios se implantan en las arterias coronarias para abrir un canal que permita el flujo sanguíneo hacia vasos que de otro modo estarían obstruidos, salvando millones de vidas cada año. Los stents coronarios suelen estar hechos de una malla metálica (por ejemplo, acero inoxidable, aleación de níquel-titanio con memoria de forma o, más recientemente, aleación de cobalto-cromo) con un ancho de puntal de aproximadamente 100 μm. En comparación con el corte por láser de pulso largo, las ventajas de usar láseres ultrarrápidos para cortar soportes 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 microfluídicos se utilizan comúnmente en la industria médica para el diagnóstico y la detección de enfermedades. Suelen fabricarse mediante moldeo por microinyección de piezas individuales, que luego se unen mediante adhesivo o soldadura. La fabricación de dispositivos microfluídicos mediante láser ultrarrápido ofrece la ventaja de producir microcanales 3D en materiales transparentes como el vidrio, sin necesidad de conexiones. Un método consiste en la fabricación con láser ultrarrápido en el interior de un bloque de vidrio, seguida de un grabado químico húmedo; otro método es la ablación con láser de femtosegundos en vidrio o plástico, utilizando agua destilada para eliminar los residuos. Otra alternativa es mecanizar canales en la superficie del vidrio y sellarlos con una cubierta de vidrio mediante soldadura láser de femtosegundos.
Figura 6. Grabado selectivo inducido por láser de femtosegundos para preparar canales microfluídicos dentro de materiales de vidrio.
07 Microperforación de la boquilla del inyector
El mecanizado de microagujeros con láser de femtosegundos ha sustituido al micro-EDM en muchas empresas del mercado de inyectores de alta presión debido a su mayor flexibilidad para modificar los perfiles de los orificios de flujo y a la reducción de los tiempos de mecanizado. La capacidad de controlar automáticamente la posición de enfoque y la inclinación del haz mediante un cabezal de escaneo precesivo ha permitido diseñar perfiles de apertura (p. ej., barril, abocinado, convergencia, divergencia) que favorecen la atomización o la 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 el micro-EDM. La microperforación se realiza en tres etapas, que incluyen el desbaste y el acabado de los orificios piloto pasantes. Se utiliza argón como gas auxiliar para proteger el orificio de la oxidación y para proteger el plasma final durante las etapas iniciales.
Figura 7. Procesamiento de alta precisión mediante láser de femtosegundos de un 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 al 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 ofrece diversas ventajas de procesamiento, como un bajo daño y una alta precisión, lo que lo ha convertido en el eje central del desarrollo de la tecnología de procesamiento. Al mismo tiempo, los láseres ultrarrápidos pueden actuar sobre una variedad de materiales, y el procesamiento láser del daño al material es también una importante línea de investigación. El láser ultrarrápido se utiliza para la ablación de materiales. Cuando la densidad de energía del láser supera el umbral de ablación del material, la superficie del material ablacionado presenta una microestructura-nanoestructura con características específicas. Las investigaciones demuestran que esta estructura superficial especial es un fenómeno común que ocurre durante el procesamiento láser de materiales. La preparación de microestructuras-nanoestructuras superficiales puede mejorar las propiedades del material en sí y también posibilitar el desarrollo de nuevos materiales. Esto convierte la preparación de microestructuras-nanoestructuras superficiales mediante láser ultrarrápido en un método técnico de gran importancia para el desarrollo. Actualmente, en el caso de los materiales metálicos, la investigación sobre la texturización superficial con láser ultrarrápido puede mejorar las propiedades de humectación de la superficie metálica, mejorar la fricción superficial y las propiedades de desgaste, mejorar la adhesión del recubrimiento y la proliferación y adhesión direccional de las células.
Figura 8. Propiedades superhidrofóbicas de la superficie de silicio preparada con láser.
Como tecnología de procesamiento de vanguardia, el procesamiento láser ultrarrápido tiene las características de una zona afectada por el calor pequeña, un proceso no lineal de interacción con los materiales y un procesamiento de alta resolución más allá del límite de difracción. Puede lograr un procesamiento micro-nano de alta calidad y alta precisión de varios materiales y la fabricación de micro-nanoestructuras tridimensionales. Lograr la fabricación láser de materiales especiales, estructuras complejas y dispositivos especiales abre nuevas vías para la fabricación micro-nano. En la actualidad, el láser de femtosegundos se ha utilizado ampliamente en muchos campos científicos de vanguardia: el láser de femtosegundos se puede utilizar para preparar varios dispositivos ópticos, como matrices de microlentes, ojos compuestos biónicos, guías de onda ópticas y metasuperficies; utilizando su alta precisión, alta resolución y con capacidades de procesamiento tridimensional, el láser de femtosegundos puede preparar o integrar chips microfluídicos y optofluídicos como componentes de microcalentadores y canales microfluídicos tridimensionales; Además, el láser de femtosegundos también puede preparar diferentes tipos de micro-nanoestructuras superficiales para lograr funciones antirreflectantes, anti-reflectantes, superhidrofóbicas, antihielo y otras; no solo eso, el láser de femtosegundos también se ha aplicado en el campo de la biomedicina, mostrando un rendimiento excepcional en campos como micro-stents 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 femtosegundos se expanden año tras año. Además de las aplicaciones mencionadas anteriormente en microóptica, microfluídica, micro-nanoestructuras multifuncionales e ingeniería biomédica, también juega un papel importante en algunos campos emergentes, como la preparación de metasuperficies, la fabricación de micro-nano y el almacenamiento de información óptica multidimensional, etc.
Fecha de publicación: 17 de abril de 2024
