Sebbene i laser ultraveloci esistano da decenni, le applicazioni industriali sono cresciute rapidamente negli ultimi due decenni. Nel 2019, il valore di mercato dell'ultravelocemateriale laserla lavorazione è stata di circa 460 milioni di dollari, con un tasso di crescita annuo composto del 13%. Le aree di applicazione in cui i laser ultraveloci sono stati utilizzati con successo per la lavorazione di materiali industriali includono la fabbricazione e la riparazione di fotomaschere nell'industria dei semiconduttori, nonché la spezzettatura del silicio, il taglio/incisione del vetro e la rimozione della pellicola ITO (ossido di indio-stagno) nell'elettronica di consumo come telefoni cellulari e tablet , testurizzazione di pistoni per l'industria automobilistica, produzione di stent coronarici e produzione di dispositivi microfluidici per l'industria medica.
01 Produzione e riparazione di fotomaschere nell'industria dei semiconduttori
I laser ultraveloci sono stati utilizzati in una delle prime applicazioni industriali nella lavorazione dei materiali. IBM ha segnalato l'applicazione dell'ablazione laser a femtosecondi nella produzione di fotomaschere negli anni '90. Rispetto all'ablazione laser a nanosecondi, che può produrre schizzi di metallo e danni al vetro, le maschere laser a femtosecondi non mostrano schizzi di metallo, danni al vetro, ecc. I vantaggi. Questo metodo viene utilizzato per produrre circuiti integrati (IC). La produzione di un chip IC può richiedere fino a 30 maschere e costare più di 100.000 dollari. L'elaborazione laser a femtosecondi può elaborare linee e punti inferiori a 150 nm.
Figura 1. Fabbricazione e riparazione di fotomaschere
Figura 2. Risultati di ottimizzazione di diversi modelli di maschera per la litografia ultravioletta estrema
02 Taglio del silicio nell'industria dei semiconduttori
La cubettatura dei wafer di silicio è un processo di produzione standard nell'industria dei semiconduttori e viene generalmente eseguita utilizzando la cubettatura meccanica. Queste ruote da taglio spesso sviluppano microfessure e sono difficili da tagliare wafer sottili (ad esempio, spessore < 150 μm). Il taglio laser dei wafer di silicio è utilizzato da molti anni nell'industria dei semiconduttori, soprattutto per i wafer sottili (100-200μm), e viene effettuato in più fasi: scanalatura laser, seguita dalla separazione meccanica o taglio invisibile (ovvero raggio laser infrarosso all'interno la tracciatura del silicio) seguita dalla separazione meccanica del nastro. Il laser a impulsi a nanosecondi può elaborare 15 wafer all'ora, mentre il laser a picosecondi può elaborare 23 wafer all'ora, con una qualità superiore.
03 Taglio/incisione del vetro nell'industria dell'elettronica di consumo
I touch screen e gli occhiali protettivi per telefoni cellulari e laptop stanno diventando sempre più sottili e alcune forme geometriche sono curve. Ciò rende più difficile il taglio meccanico tradizionale. I laser tipici producono in genere una scarsa qualità di taglio, soprattutto quando questi display in vetro sono impilati 3-4 strati e il vetro protettivo superiore spesso 700 μm è temperato, che può rompersi con sollecitazioni localizzate. È stato dimostrato che i laser ultraveloci sono in grado di tagliare questi occhiali con una migliore resistenza del bordo. Per il taglio di pannelli piani di grandi dimensioni, il laser a femtosecondi può essere focalizzato sulla superficie posteriore della lastra di vetro, graffiando l'interno del vetro senza danneggiare la superficie anteriore. Il vetro può poi essere rotto utilizzando mezzi meccanici o termici lungo il disegno inciso.
Figura 3. Taglio a forma speciale di vetro laser ultraveloce a picosecondi
04 Strutture dei pistoni nell'industria automobilistica
I motori delle auto leggere sono realizzati in leghe di alluminio, che non sono resistenti all'usura come la ghisa. Gli studi hanno scoperto che l'elaborazione laser a femtosecondi delle strutture dei pistoni delle automobili può ridurre l'attrito fino al 25% perché detriti e olio possono essere immagazzinati in modo efficace.
Figura 4. Elaborazione laser a femtosecondi dei pistoni dei motori automobilistici per migliorare le prestazioni del motore
05 Produzione di stent coronarici nel settore medico
Milioni di stent coronarici vengono impiantati nelle arterie coronarie del corpo per aprire un canale affinché il sangue possa fluire nei vasi altrimenti coagulati, salvando milioni di vite ogni anno. Gli stent coronarici sono tipicamente realizzati in rete metallica (p. es., acciaio inossidabile, lega a memoria di forma di nichel-titanio o, più recentemente, lega di cobalto-cromo) con una larghezza del puntone di circa 100 μm. Rispetto al taglio laser a impulso lungo, i vantaggi dell’utilizzo dei laser ultraveloci per tagliare gli attacchi sono l’elevata qualità di taglio, una migliore finitura superficiale e meno detriti, il che riduce i costi di post-elaborazione.
06 Produzione di dispositivi microfluidici per l'industria medica
I dispositivi microfluidici sono comunemente utilizzati nel settore medico per test e diagnosi di malattie. Questi sono generalmente prodotti mediante microstampaggio a iniezione di singole parti e quindi incollati mediante incollaggio o saldatura. La fabbricazione laser ultraveloce di dispositivi microfluidici ha il vantaggio di produrre microcanali 3D all'interno di materiali trasparenti come il vetro senza la necessità di connessioni. Un metodo è la fabbricazione laser ultraveloce all’interno di un vetro sfuso seguita da un’incisione chimica a umido, mentre un altro è l’ablazione laser a femtosecondi all’interno di vetro o plastica in acqua distillata per rimuovere i detriti. Un altro approccio consiste nel realizzare dei canali nella superficie del vetro e sigillarli con una copertura in vetro tramite saldatura laser a femtosecondi.
Figura 6. Incisione selettiva indotta da laser a femtosecondi per preparare canali microfluidici all'interno di materiali di vetro
07 Microforatura dell'ugello dell'iniettore
La lavorazione di microfori con laser a femtosecondi ha sostituito la micro-EDM in molte aziende nel mercato degli iniettori ad alta pressione grazie alla maggiore flessibilità nella modifica dei profili dei fori di flusso e ai tempi di lavorazione più brevi. La capacità di controllare automaticamente la posizione del fuoco e l'inclinazione del fascio attraverso una testa di scansione di precessione ha portato alla progettazione di profili di apertura (ad esempio, barile, svasatura, convergenza, divergenza) che possono favorire l'atomizzazione o la penetrazione nella camera di combustione. Il tempo di perforazione dipende dal volume di ablazione, con spessore della punta di 0,2 – 0,5 mm e diametro del foro di 0,12 – 0,25 mm, rendendo questa tecnica dieci volte più veloce della micro-EDM. La microforatura viene eseguita in tre fasi, inclusa la sgrossatura e la finitura dei fori pilota passanti. L'argon viene utilizzato come gas ausiliario per proteggere il pozzo dall'ossidazione e per schermare il plasma finale durante le fasi iniziali.
Figura 7. Elaborazione laser a femtosecondi ad alta precisione del foro conico invertito per l'iniettore del motore diesel
08 Texturizzazione laser ultraveloce
Negli ultimi anni, al fine di migliorare la precisione della lavorazione, ridurre i danni ai materiali e aumentare l'efficienza della lavorazione, il campo della microlavorazione è diventato gradualmente al centro dell'attenzione dei ricercatori. Il laser ultraveloce presenta vari vantaggi di lavorazione come danni ridotti e alta precisione, che è diventato il fulcro della promozione dello sviluppo della tecnologia di lavorazione. Allo stesso tempo, i laser ultraveloci possono agire su una varietà di materiali e anche i danni ai materiali derivanti dalla lavorazione laser rappresentano un’importante direzione di ricerca. Il laser ultraveloce viene utilizzato per l'ablazione dei materiali. Quando la densità di energia del laser è superiore alla soglia di ablazione del materiale, la superficie del materiale ablato mostrerà una micro-nanostruttura con determinate caratteristiche. La ricerca mostra che questa speciale struttura superficiale è un fenomeno comune che si verifica durante la lavorazione laser dei materiali. La preparazione di micro-nanostrutture superficiali può migliorare le proprietà del materiale stesso e consentire anche lo sviluppo di nuovi materiali. Ciò rende la preparazione di micro-nanostrutture superficiali mediante laser ultraveloce un metodo tecnico con un importante significato di sviluppo. Attualmente, per i materiali metallici, la ricerca sulla testurizzazione superficiale tramite laser ultraveloce può migliorare le proprietà di bagnatura della superficie metallica, migliorare l'attrito superficiale e le proprietà di usura, migliorare l'adesione del rivestimento e la proliferazione direzionale e l'adesione delle cellule.
Figura 8. Proprietà superidrofobiche della superficie di silicio preparata al laser
Essendo una tecnologia di elaborazione all'avanguardia, l'elaborazione laser ultraveloce ha le caratteristiche di una piccola zona influenzata dal calore, un processo non lineare di interazione con i materiali e un'elaborazione ad alta risoluzione oltre il limite di diffrazione. Può realizzare lavorazioni micro-nano di alta qualità e precisione di vari materiali. e fabbricazione di strutture tridimensionali micro-nano. Il raggiungimento della produzione laser di materiali speciali, strutture complesse e dispositivi speciali apre nuove strade per la produzione micro-nano. Attualmente, il laser a femtosecondi è stato ampiamente utilizzato in molti campi scientifici all'avanguardia: il laser a femtosecondi può essere utilizzato per preparare vari dispositivi ottici, come array di microlenti, occhi composti bionici, guide d'onda ottiche e metasuperfici; utilizzando la sua alta precisione, alta risoluzione e capacità di elaborazione tridimensionale, il laser a femtosecondi può preparare o integrare chip microfluidici e optofluidici come componenti di microriscaldatori e canali microfluidici tridimensionali; inoltre, il laser a femtosecondi può anche preparare diversi tipi di micro-nanostrutture superficiali per ottenere funzioni antiriflesso, antiriflesso, superidrofobiche, antigelo e altre; non solo, il laser a femtosecondi è stato applicato anche nel campo della biomedicina, mostrando prestazioni eccezionali in campi quali i micro-stent biologici, i substrati di colture cellulari e l'imaging microscopico biologico. Ampie prospettive applicative. Attualmente i campi di applicazione della lavorazione laser a femtosecondi si espandono di anno in anno. Oltre alle già citate microottica, microfluidica, micronanostrutture multifunzionali e applicazioni di ingegneria biomedica, svolge un ruolo enorme anche in alcuni campi emergenti, come la preparazione della metasuperficie. , produzione micro-nano e memorizzazione ottica multidimensionale delle informazioni, ecc.
Orario di pubblicazione: 17 aprile 2024
