Разработка технологического процесса лазерного параллельного термораскалывания хрупких материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Сорокин, Антон Владимирович

• Сорокин, Антон Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сорокин, Антон Владимирович

Введение

1. Анализ существующих технологий изготовления тонких пластин

2. Математическая модель процесса лазерного параллельного термораскалывания

3. Исследование процесса лазерного параллельного термораскалывания стекла

3.1 Оборудование и материалы, применяемые для экспериментов

3.2 Зарождение параллельной трещины.

3.3 Влияние режимов резки на параметры параллельной трещины.

3.4 Управление профилем параллельной трещины.

3.5 Резка несколькими пучками излучения.

3.6 Выход параллельной трещины на край материала.

3.7 Описание технологии резки с помощью ЛПТ.

3.8 Выводы по главе 3.

4. Исследование процесса лазерного параллельного термораскалывания анизотропных материалов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологического процесса лазерного параллельного термораскалывания хрупких материалов»

Актуальность темы. Работа посвящена решению актуальной проблемы изготовления тонких приборных пластин из стекла, сапфира, монокристаллического кварца, кремния и арсенида галлия в производстве изделий микро - и оптоэлектроники.

Существующие традиционные технологии получения тонких пластин основаны на механической резке с помощью алмазно-абразивного инструмента. Они включают следующие основные технологические операции: алмазная, штрипсовая или проволочная резка, шлифование, полирование и утонение. Традиционные технологии имеют следующие основные недостатки:

- большой расход исходного материала, связанный с большой шириной реза, соизмеримой с толщиной пластины;

- низкая производительность процесса алмазно-абразивной резки исходной заготовки на пластины и последующего шлифования и полирования;

- большая глубина нарушенного слоя, для удаления которого требуется длительное шлифование и полирование поверхности пластины.

Эти недостатки не могут быть устранены совершенствованием существующих технологий, которые в ряде случаев исчерпали свои возможности. Устранение недостатков возможно только за счет разработки принципиально нового процесса разделения материала.

Известна и успешно используется технология резки стекла и кристаллов, основанная на создании в материале трещины вдоль направления резки с помощью лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ). Существует также метод лазерной резки, при котором трещина идет параллельно поверхности материала, получивший название лазерного параллельного термораскалывания (ЛПТ). Возможность практического осуществления лазерного па3 раллельного термораскалывания была показана ещё в 80-е годы профессором B.C. Кондратенко [1]. Однако, технологические исследования до недавнего времени не проводились.

Таким образом, актуальность данной работы определяется практической необходимостью разработки нового технологического процесса разделения исходных заготовок на тонкие пластины с использованием метода ЛПТ.

Целью работы является разработка на основе предложенного метода ЛПТ нового высокоэффективного промышленного технологического процесса разделения исходных заготовок из хрупких неметаллических материалов, используемых в микро - и оптоэлектронике, на тонкие пластины.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: разработка математической модели процесса; разработка процесса ЛПТ стекла; разработка процесса ЛПТ монокристаллического кварца.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработана технология изготовления тонких приборных пластин из стекла, кристаллического кварца методом лазерного параллельного термораскалывания. В диссертационной работе исследованы и проанализированы недостатки существующих технологий изготовления тонких приборных пластин из стекла, сапфира, монокристаллического кварца, кремния и арсенида галлия в производстве изделий микро — и оптоэлектроники.

Разработана математическая модель, описывающая термические напряжения в материале, возникающие при проведении процесса лазерного параллельного термораскалывания. Экспериментально установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛПТ — скоростью резки, мощностью, плотностью мощности пучка излучения лазера и параметрами получаемой параллельной трещины - её глубины и ширины, а также профиля.

Получены и обоснованы основные механизмы, определяющие технологиче4 ский диапазон параметров ЛПТ — зависимость минимальной и максимальной скорости резки для данного типа и данной толщины материала от мощности и плотности мощности пучка излучения лазера.

Исследовано влияние режимов резки (скорость, мощность, плотность мощности, распределение мощности по сечению пучка излучения лазера) на качество и форму получаемой поверхности (профиль параллельной трещины) для силикатного стекла.

Практическая значимость. Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач, остро стоящих в области изготовления изделий микро - оптоэлектроники. Практическая ценность данной работы подтверждена актами внедрения результатов работы.

Результаты проведенных исследований показали, что лазерное параллельное термораскалывание позволяет значительно увеличить производительность процесса изготовления тонких приборных пластин, сократить потери материала, резко улучшить экологическую чистоту процесса.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанный технологический процесс и специализированное технологическое оборудование прошли промышленные испытания и нашли практическое применение на ряде предприятий:

- на ОАО «Московский завод «Сапфир» технология ЛПТ используется для изготовления единичных образцов оптических деталей;

- технология ЛПТ внедрена в проблемной лаборатории МГУПИ и ОАО «МЗ «Сапфир» при изготовлении установок, используемых в учебном процессе кафедры ПР-6 МГУПИ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности» (Тунис, 2005), «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Египет, 2007), «Новые материалы и технологии в г авиационной и ракетно-космической технике» (г. Королев, 2008), «Иннова5 ционные технологии в науке, технике и образовании» (Египет, 2009), а также на научных семинарах МГУПИ и ОАО «Московский завод «Сапфир».

Результаты диссертационной работы демонстрировались на международных выставках «Высокие технологии XXI века - 2008», «Высокие технологии XXI века - 2010», V международный форум «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2009», VI международный форум «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2010», X Московский международный салон инноваций и инвестиций (2010) и были награждены дипломами и медалями выставок.

На защиту выносятся следующие положения:

-разработанный технологический процесс изготовления тонких приборных пластин из различных хрупких неметаллических материалов методом лазерного параллельного термораскалывания;

- математическая модель ЛПТ;

-результаты исследований влияния основных параметров лазерного параллельного термораскалывания (скорости резки, мощности, плотности мощности излучения лазера на поверхности материала) на толщину отрезаемой этим методом пластины и качество её поверхности;

- результаты анализа и исследований особенностей процесса лазерного параллельного термораскалывания анизотропных материалов на примере кристаллического кварца;

-технологические режимы лазерного параллельного термораскалывания силикатного стекла и кристаллического кварца;

- разработка и обоснование критериев и требований к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования для лазерного параллельного термораскалывания.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Сорокин, Антон Владимирович

Основные результаты и выводы: разработана математическая модель процесса лазерного параллельного термораскалывания, описывающая термические напряжения в материале, возникающие под действием движущегося пучка излучения лазера;

- экспериментально определены условия для осуществления процесса ЛПТ стекла и кристаллического кварца — необходимая скорость резки от 10 до 100 л мм/с, мощность от 10 до 200 Вт и плотность мощности (2,5 - 9 Вт/мм ); разработан способ управления профилем параллельной трещины путем изменения распределения мощности в пучке излучения лазера; экспериментально оптимизированы технологические режимы (скорость резки, мощность, плотность мощности, распределение мощности по сечению пучка излучения лазера, способ зарождения параллельной трещины) лазерного параллельного термораскалывания силикатного стекла и кристаллического кварца, обеспечивающие минимальную неплоскостность (до 5 мкм) и минимальную шероховатость (не хуже Кг 0,05) пластин, получаемых методом ЛПТ; проанализированы и исследованы особенности процесса лазерного параллельного термораскалывания анизотропных материалов на примере кристаллического кварца. Разработаны меры, необходимые для устранения влияния анизотропии материала на качество получаемой пластины; разработаны и обоснованы критерии и требования к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования для лазерного параллельного термораскалывания.

- обеспечено увеличение более чем на порядок производительности процесса изготовления тонких приборных пластин по сравнению с традиционными технологиями алмазно-абразивной резки (скорость резки 10 мм/с против 0,8 мм/с).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сорокин, Антон Владимирович, 2011 год

1. Кондратенко B.C., Шершнев Е.Б. Получение стеклянных пластин заданной толщины методом лазерного управляемого термораскалывания // Специальная электроника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. — 1985. — Вып. 1(11).-С. 12.

2. Победря Б.Е. -Численные методы в теории упругости и пластичности, М., МГУ, 1995

3. Коваленко ДД. -Основы термоупругости, Киев, Наукова думка, 1970

4. Новацкий В. -Теория упругости, М, Мир, 1975

5. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц Теория упругости, т. VII, М., Наука, 1987

6. I.N.Sneddon, M.Lowengrub -Crack problems in the classical theory of the elasticity, N.Y., John Wiley&Sons, Inc, 1969

7. Кондратенко B.C., Борисовский B.E., Гиндин П.Д., Сорокин A.B., Наумов А. С. Устройство контроля трещины в процессе лазерного управляемого термораскалывания стекла. Приборы, №6 (60), 2005. Москва. — с. 9 — 10.

8. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Колесник В.Д., Сорокин A.B., Черных СЛ., Наумов A.C. Установка для лазерной резки приборных пластин. Приборы, №4 (70), 2006. Москва. с. 38 - 43.

9. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Борисовский В.Е., Колесник В.Д., Сорокин A.B., Российские высокие технологии в производстве приборов микро и оп-тоэлектроники. «Интеграл», №6. 2008. Москва. - с. 8-9.

10. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Колесник В.Д., Сорокин А.В. Установка для лазерной резки полупроводниковых пластин РТ-350. Труды МНТК «Инновационные технологии в науке, технике и образовании», 14-21 ноября 2009 г., Египет, М.: МГУПИ. 2009. с.6

11. Ю.Кондратенко B.C., Сорокин А.В. Оптимизация режимов лазерного параллельного термораскалывания стекла. Труды МНТК «Инновационные технологии в науке, технике и образовании», 14-21 ноября 2009 г., Египет, М.: МГУПИ. 2009. с.

12. А. С. 708686 СССР, МКИ4 С03 В 33/02. Способ резки стекла / Е. К. Белоусов, В. С. Кондратенко, В. В. Чуйко (СССР). 1977.

13. Патент РФ №2024441, МКИ5 СОЗ В 33/02. Способ резки хрупких материалов / В. С. Кондратенко. 1991.23 .Lerner Е. J. Laser tackles tough cuts lice diamonds. Laser Focus World, July 1999.

14. Kondratenko V., Gindin P., JeongJ.-Y, Lee S.-J. Laser Cutting System for FPD1. Г

15. Glass //13 FPD Manufacturing Technology Expo& Conference «Finetech Japan», July 2-4, 2003, Tokyo, Japan.

16. Патент РФ №2224648, МКИ5 СОЗ В 33/02. Способ резки хрупких неметаллических материалов / В. С. Кондратенко, П. Д. Гиндин. — 2002.

17. Бочкин О.И., Брук В.А., Никифорова-Денисова С.Н. Механическая обработка полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1983. 112с.

18. Обработка полупроводниковых материалов. В.И. Карбань, И. Кой, В.В. Рогов и др.: под. ред. Новикова Н.В., Бертольди В. Киев: Наукова думка, 1982. 256с.31 .Резка неметаллических материалов алмазными кругами, Г.В.Шуваев, В.К.

19. Сорокин, Ю.Н. Зимицкий, «Машиностроение», Москва, 1989.

20. Park J., Sercel P. "High-speed UV laser scribing boosts blue LED industry,"

21. Compound Semiconductor, December 2002, Volume 8, Number33 .Mingwei Li, Andrew Held "Meeting industry needs with laser micromachining,"

22. Solid State Technology, October 2003.

23. Conversations with Jeff Sercel, president, JPSA Inc., Hollis, NH, a laser integrator that provides turnkey laser workstations to the semiconductor industry and contract laser-manufacturing services.

24. Bernold Richerzhagen "Chip singulation process with a-water jet-guided laser," Solid State Technology, April 2001.

25. B. Richerzhagen, "Development of, a System for Transmission of Laser Energy," thesis work, EPFL, Switzerland, 1994.

26. B. Richerzhagen, G. Delacretaz, R.P. Salathe, "Complete Model to Simulate the Thermal Defocusing of a Laser Beam Focused in Water," Optical Engineering, 1996.

27. Lumley R. M. Controlled separation of brittlo materials used a laser. J. Of the Amer. Cer. Soc., 1969. -V. 48, № 9. P. 850.

28. Сшшгава M. Лазерная обработка материалов // Кикай-но кэнкю. 1972. — Т. 23, № 12.-С. 1.

29. Pat. 1254120 (Brit.) Methods of dividing substrates / C.E.Graham, R.M.Lumley, D.J.Oberholser. Filed 1967.41 .Taming the mighty laser. Machine and tool blue book, 1968. - № 8. - P. 104112

30. Pat. 1324903 (Brit.) Methods and apparatus for parting substrates / R.M.Lumley. Filed 1970 in USA.

31. A5.Higuchi Т., Miyazama Т., Joshida H. Application of laser to drilling and cutting. Mitsubishi Denki, 1971, - V. 45, № 10. - P. 1298.

32. Пат. 2066955 Франция, МКИ C03 С 5/00. Способ расплавления шихты для производства стекла или стеклокерамики лучом лазера на СОг

33. Управляемое термораскалывание стекла с помощью лазерного излучения / Е.К.Белоусов, В. С.Кондратенко, Г.А.Мачулка, В.В. Чуйко // Электронная промышленность. 1978. - № 9. - С. 65.

34. Л А. Мачулка, «Лазерная обработка стекла», Москва, Советское радио, 1979, с.134

35. Солинов В.Ф., Кондратенко B.C., Брауде В.М. Раскрой листового силикатного стекла методом термораскалывания // Техника, экономика, информация. Сер. Техника. 1982. - Вып. 6-7. - С. 47.

36. Кондратенко B.C. и др. Анализ процесса сквозного лазерного термораскалывания листового стекла / Кондратенко B.C., Танасейчук А.С., Шершнев Е.Б. М.: Деп. ЦНИИ "Электроника". - Р 4776.51 .РедиД. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981. - С. 462.

37. Солинов В.Ф., Кондратенко B.C., Брауде В.М. Влияние хладагента на процесс лазерного управляемого термораскалывания стекла // Техника, экономика, информация. Сер. Технология производства. 1983. — Вып. 2. — С. 12.

38. Кондратенко B.C. Разработка и внедрение новых высокоэффективных методов прецизионной обработки изделий из стекла: Дис. докт. техн. наук. -Л., 1989.-491 с.

39. Справочник химика. Том 1 / Под ред. Б.П.Ннкульского. М.: Госхимиздат, 1963.-1072 с.

40. Кондратенко B.C., Танасейчук A.C., Шершнев Е.Б. Особенности процесса лазерного управляемого термораскалывания листового стекла по криволинейному контуру // Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и опто-электроника. 1986. - № 4(40). - С.46.

41. Международная патентная заявка PCT/RU94/00276, WO 96/20062. Способ резки неметаллических материалов и устройство для его осуществления/ В. С. Кондратенко. -1994.

42. Kondratenko V., Tchernykh S., Gindin Р., Lee S.-J., Kozhuchov L, Goncharov S. Laser Controlled Thermocracking Process Mathematical Model // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез.докл.Международной конф. 15-19 сентября 2003 г., Адлер.

43. Мачулка Г.А. Разрушающие напряжения в стекле при лазерном термораскалывании // Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектро-ника.- 1979.-№3.-С. 37.

44. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Матгиз, 1951.-С. 165.

45. Кондратенко B.C., Сердюков А.Н. Нагрев материалов движущимся лазерным источником // Тез. докл. Всесоюзн. сем. 1982 г. по лазерной технологии в приборостроении. — М., 1983. С. 83.

46. Кондратенко B.C., Сердюков А.Н. Расчет температурных полей при лазерном управляемом термораскалывании // Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1984. - Вып 5(31). - С. 62.

47. Термоупругие поля в твердых телах при его обработке лазерными пучками специальной формы / Б.В.Бокуть, В.С.Кондратенко, В.Н.Мышковец и др. Минск: Изд-во ИФ АН БССР, 1987. - 59 с.

48. Кондратенко B.C., Сердюков А.Н., Шалупаев C.B. Лазерный нагрев материалов при термораскалывании с учетом теплоотдачи // Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника.—1987,-№ 1(41).-С.7.

49. Стекло. Справочник / Под ред. Н.М.Павлушкина. М.: Стройиздат, 1973.- 487 с.

50. Уонд X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Пер. с англ./ Справочник.- М.: Атомиздат, 1979.- 216 с.

51. Каталог оптических материалов. — www.optotl.ru.6%.Мачулка Г.А. Разрушающие напряжения в стекле при лазерном термораскалывании // Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1979. - № 3. - С. 37.

52. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Матгиз, 1951.-С. 165.

53. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М.: Физмат-гиз, 1963.-252 с.

54. Боли Б., УэйнерДж. Теория температурных напряжений. — М.: Мир, 1964. -517 с.

55. Снеддон И. Преобразование Фурье. -М.: ИЛ, 1955. 667 с. 75.Термоупругость тел при переменных коэффициентах теплоотдачи / Я.С.Подстригач, Ю.М.Коляно, В.И.Громовик, В.Л.Лобзень. - Киев: Навукова думка, 1977. — 160 с.