Прецизионный лазерный раскрой керамических материалов

Из-за хрупкости керамических материалов работа с ними требует особой осторожности. Поэтому некоторые лазерные технологии для резки металла не могут применяться для керамики, особенно той, которая используется в производстве электроники. В настоящее время наиболее актуальными для керамических материалов являются следующие способы прецизионного раскроя.
Испарительная (сублимационная) технология. Такая лазерная резка применяется в микротехнологиях, когда термическое воздействие на подложку должно быть минимальным. При этом лазер не расплавляет материал, а испаряет его, после чего пары под давлением выбрасываются из рабочей зоны. Для сублимационной технологии достаточно использовать технологический газ под давлением 1 - 3 бар. Среди главных особенностей данного способа раскроя керамики можно назвать следующие:

• испарение требует большей энергии, чем плавление. Поэтому для сублимационной резки используются лазерные установки высокой мощности;
• обработка (раскрой) керамических материалов проводится на пониженной скорости;
• лазер работает в импульсном режиме. Продолжительность одного импульса исчисляется нано-, пико- или фемтосекундами;
• линия реза, полученная при такой технологии, представляет собой ряд крохотных отверстий, плотно примыкающих друг к другу;
• испарительная технология лазерной резки чаще используется для неметаллических материалов, не имеющих фазы расплава;
• излучение лазера имеет очень короткую длину волны – 1 мкм и меньше.

Технология скрайбирования. Она часто используется для разделения тонких керамических пластин и является более точной и качественной альтернативой алмазному методу. Скрайбирование применяется в микроэлектронике для обработки ситалла, керамики, сапфира, поликора и осуществляется в режиме несквозной резки. По сравнению с газовой и газолазерной обработкой такая технология является более выгодной энергетически.
Преимущества. Лазерное скрайбирование обеспечивает высокую точность обработки хрупкой керамики без образования сколов и микротрещин. К дополнительным преимуществам такой технологии по сравнению с альтернативным алмазным методом относятся:

• высокая прецизионность обработки;
• получение ровных краев реза;
• отсутствие конусности кромок и остаточных напряжений;
• высокая производительность (100–200 мм/сек);
• возможность нанесения глубоких рисок без приложения механических усилий.

Особенности. Скрайбирование заключается в нанесении на поверхность материала узкой канавки или отверстий, расположенных близко друг к другу в один ряд. Они наносятся на рабочую поверхность полупроводниковой пластины с готовыми интегральными схемами (ИС), чтобы затем разделить их на отдельные кристаллы. В этом случае линии раздела размещают взаимно перпендикулярно по межсхемным дорожкам. Риски создают испарением узкой полосы керамики при перемещении по ее поверхности сфокусированного лазерного луча высокой мощности. Ширина образующихся канавок составляет 25–40 мкм, глубина – до 50–100 мкм, благодаря чему они являются концентратором механических напряжений и позволяют легко разделить пластину на отдельные кристаллы. Режущим инструментом является лазер, работающий в импульсном режиме.
Технология управляемого лазерного термораскалывания (УЛТ). Данный метод считается наиболее эффективным для разделения хрупких неметаллов: кварца, сапфира, карбида кремния, керамики, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов.
Принцип УЛТ. Сущность технологии термораскалывания заключается в следующем:

• лазерный луч осуществляет нагрев материала по линии реза;
• в поверхностных слоях нагретой зоны возникает напряжение сжатия;
• линия реза резко охлаждается хладагентом;
• перепад температур ведет к образованию микротрещин;
• формируется ровная линия реза с гладкими краями.

Особенности применения. Управляемое лазерное термораскалывание позволяет разрезать керамику толщиной до 30 мм с помощью лазера мощностью не более 0,2 кВт. Такой метод является безотходным и может применяться на чистых производствах, например, при нарезании кремниевых пластин на электронные чипы.
Преимущества УЛТ. К основным преимуществам технологии управляемого лазерного термораскалывания относятся следующие:

• высокая скорость резки (до 1000–2000 мм/сек);
• чистота процесса за счет нулевой ширины реза;
• края кромки закругленные, а не острые;
• низкая энергоемкость за счет малой мощности лазера.

Элементы, вырезанные по технологии УЛТ, в пять раз прочнее, чем те, в производстве которых использовались механические способы резки.
Другие технологии термораскалывания. Для повышения качества раскроя керамики и других хрупких неметаллов были разработаны дополнительные методы прецизионной лазерной обработки. К ним, помимо УЛТ, относятся следующие:

• параллельное термораскалывание. При такой технологии резка осуществляется путем воздействия на керамический материал эллиптического лазерного пучка. При этом луч лазера ориентирован малой осью вдоль направления перемещения образца и приводит к терморасслоению последнего;
• асимметричное термораскалывание. При этом лазерный пучок эллиптического сечения ориентирован под углом к направлению перемещения образца. В результате нагрева поверхности керамики образуется наклонная трещина с закругленными кромками.

Преимущества методов асимметричного и параллельного термораскалывания те же, что и в технологии УЛТ: высокая производительность, нулевая ширина реза, полное отсутствие отходов, пятикратная прочность по сравнению с деталями, полученными механическим путем.