RU2582849C1 - Method for laser punching through-hole in non-metal plate - Google Patents
Method for laser punching through-hole in non-metal plate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2582849C1 RU2582849C1 RU2014146914/02A RU2014146914A RU2582849C1 RU 2582849 C1 RU2582849 C1 RU 2582849C1 RU 2014146914/02 A RU2014146914/02 A RU 2014146914/02A RU 2014146914 A RU2014146914 A RU 2014146914A RU 2582849 C1 RU2582849 C1 RU 2582849C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- laser
- laser radiation
- wavelength
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/362—Laser etching
- B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного пробития отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The invention relates to the field of technological processes and can be used for laser penetration of holes in plates of semiconductor, ceramic and glassy materials.
Известен способ обработки неметаллических материалов [1], в котором обработка пластин осуществляется путем облучения поверхности импульсом лазерного излучения. Временная форма импульса описывается определенным соотношением в зависимости от плотности потока энергии лазерного излучения, констант b1 и b2, характеризующих фронт и спад лазерного импульса, от длительности лазерного импульса, текущего времени от начала воздействия, плотности энергии и максимального значения плотности потока лазерного излучения в импульсе. Эффект достигается тем, что формируют лазерный импульс, временная форма которого описывается соотношениемA known method of processing non-metallic materials [1], in which the processing of the plates is carried out by irradiating the surface with a laser pulse. The temporal shape of the pulse is described by a certain ratio, depending on the density of the laser radiation energy flux, the constants b 1 and b 2 characterizing the front and decay of the laser pulse, the duration of the laser pulse, the current time from the onset of exposure, the energy density and the maximum value of the laser radiation flux in momentum. The effect is achieved by forming a laser pulse, the temporary shape of which is described by the relation
где q(t) - плотность потока энергии лазерного излучения, Вт/м2;where q (t) is the energy density of the laser radiation, W / m 2 ;
τ - длительность импульса лазерного излучения, с;τ is the laser pulse duration, s;
b1 и b2 - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;b 1 and b 2 - constants characterizing the front and the decline of the laser pulse;
t - текущее время от начала воздействия, с.t is the current time from the onset of exposure, s.
Указанный способ позволяет минимизировать термоупругие напряжения в поглощающем слое материала пластины, но он не позволяет осуществлять скрайбирование пластин из неметаллических материалов и осуществлять пробитие сквозных отверстий в них при минимальных энергетических затратах.The specified method allows to minimize thermoelastic stresses in the absorbing layer of the plate material, but it does not allow scribing of plates of non-metallic materials and penetration of through holes in them with minimal energy costs.
Известен способ лазерной обработки [2], в частности, используемый для создания отверстий в пластинах, в котором плотность энергии, необходимая для испарения слоя материала толщиной x, равнаA known method of laser processing [2], in particular, used to create holes in the plates, in which the energy density required for the evaporation of a layer of material of thickness x is equal to
где W - плотность энергии лазерного излучения;where W is the energy density of the laser radiation;
x - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;x is the coordinate measured from the surface into the interior of the material;
ρ - плотность материала;ρ is the density of the material;
Lu - скрытая теплота испарения единицы массы материала.L u - latent heat of evaporation of a unit mass of material.
Уравнение (1) характеризует стационарный процесс испарения материала под действием лазерного излучения при его поглощении в очень тонком поверхностном слое материала (много меньше толщины испаренного слоя). Уравнение (1) нельзя использовать, когда поглощение лазерного излучения происходит в объеме материала, например в слое материала толщиной в несколько миллиметров. Equation (1) characterizes the stationary process of material evaporation under the action of laser radiation when it is absorbed in a very thin surface layer of the material (much less than the thickness of the evaporated layer). Equation (1) cannot be used when the absorption of laser radiation occurs in the volume of the material, for example, in a layer of material several millimeters thick.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения оптимального значения плотности энергии лазерного излучения при обработке материалов, обладающих объемным поглощением излучения с длиной волны, на которой происходит обработка материала.The disadvantage of this method is the inability to determine the optimal value of the energy density of the laser radiation when processing materials having volumetric absorption of radiation with a wavelength at which the material is processed.
Известен также способ лазерной обработки неметаллических материалов [3], заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в импульсе, определяемой по соотношениюThere is also known a method of laser processing of non-metallic materials [3], which consists in irradiating their surface with laser pulses with energy density per pulse, determined by the ratio
где е - основание натурального логарифма (е≈2,7183);where e is the base of the natural logarithm (e≈2.7183);
Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м3;Q - specific sublimation energy of the material, J / m 3 ;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, м-1;χ is the absorption coefficient of the plate material at a wavelength of laser radiation, m -1 ;
R - коэффициент отражения материала.R is the reflection coefficient of the material.
При такой плотности энергии воздействующего лазерного излучения происходит сублимация поглощающего слоя материала толщиной 1/χ, причем максимальный удельный (на единицу вложенной энергии) унос массы материала составит величинуAt such an energy density of the acting laser radiation, the absorption layer of the
Для сквозного пробития отверстия в пластине необходимо, чтобы толщина пластины составляет величину 1/χ. Эти условия обеспечивают оптимальный режим обработки при одностороннем воздействии лазерного излучения на неметаллические материалы, обладающие объемным поглощением лазерного излучения. Этот способ выбран в качестве прототипа. For through penetration of holes in the plate, it is necessary that the thickness of the plate is 1 / χ. These conditions provide the optimal processing mode for unilateral exposure to laser radiation on non-metallic materials with volumetric absorption of laser radiation. This method is selected as a prototype.
Недостатком способа является то, что он не позволяет проводить пробитие сквозных отверстий в неметаллических пластинах, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, при минимальных энергетических затратах.The disadvantage of this method is that it does not allow the penetration of through holes in non-metallic plates with volumetric absorption of laser radiation, with minimal energy costs.
Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат при лазерном пробитии сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, например полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The technical result of the invention is to reduce energy costs when laser penetrating through holes in plates of non-metallic materials having volumetric absorption of laser radiation, such as semiconductor, ceramic and glassy materials.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности лазерным излучением, выбирают длину волны импульсного лазера из условия:The technical result is achieved by the fact that in the method of laser processing of non-metallic plates, which consists in irradiating their surface with laser radiation, the wavelength of the pulsed laser is selected from the condition:
где χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения; h - толщина пластины,where χ is the absorption coefficient of the plate material at a wavelength of laser radiation; h is the thickness of the plate,
исходный лазерный пучок делят на два пучка и одновременно соосно воздействуют на обе поверхности пластины с плотностью энергии, определяемой по соотношению:the initial laser beam is divided into two beams and simultaneously coaxially act on both surfaces of the plate with an energy density determined by the ratio:
где W2 - плотность энергии на каждой поверхности пластины.where W 2 is the energy density on each surface of the plate.
е - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;
Q - удельная энергия сублимации материала;Q is the specific energy of sublimation of the material;
R - коэффициент отражения материала.R is the reflection coefficient of the material.
Поверхности пластины предварительно полируют.The surface of the plate is pre-polished.
На фиг. 1 представлена схема лазерной установки для реализации предложенного способа обработки. In FIG. 1 shows a diagram of a laser installation for implementing the proposed processing method.
Установка содержит импульсный лазер (1), телескопический преобразователь диаметра пучка, состоящий из собирающей линзы (2) и рассеивающей линзы (3), диэлектрическое зеркало (4) с коэффициентом отражения 0,5 на длине волны лазера, осуществляющее разделение на два пучка равной плотности энергии исходного лазерного пучка, и двух диэлектрических зеркал (5, 6) с коэффициентом отражения ~0,99, направляющих лазерное излучение на обе поверхности обрабатываемой пластины (7). При помощи телескопического преобразователя исходный лазерный пучок преобразуется в пучок требуемого диаметра с минимально возможной расходимостью.The installation contains a pulsed laser (1), a telescopic beam diameter transducer, consisting of a collecting lens (2) and a scattering lens (3), a dielectric mirror (4) with a reflection coefficient of 0.5 at a laser wavelength, which is divided into two beams of equal density energy of the original laser beam, and two dielectric mirrors (5, 6) with a reflection coefficient of ~ 0.99, directing laser radiation to both surfaces of the processed plate (7). Using a telescopic converter, the original laser beam is converted into a beam of the desired diameter with the smallest possible divergence.
Если If
где а - коэффициент температуропроводности материала пластины;where a is the coefficient of thermal diffusivity of the plate material;
Rп - радиус пучка лазерного излучения после рассеивающей линзы,R p the radius of the laser beam after the scattering lens,
то можно рассматривать задачу об испарении материала в одномерной постановке и пренебречь переносом энергии в материале за счет теплопроводности за время действия лазерного импульса.then we can consider the problem of the evaporation of the material in a one-dimensional formulation and neglect the energy transfer in the material due to thermal conductivity during the duration of the laser pulse.
Удельное энерговыделение по толщине пластины при двухстороннем облучении ее лазерным излучением будет иметь видThe specific energy release over the thickness of the plate during two-sided irradiation with its laser radiation will have the form
где x - координата, отсчитываемая от поверхности вглубь пластины (0≤x≤h);where x is the coordinate measured from the surface into the plate (0≤x≤h);
h - толщина пластины.h is the thickness of the plate.
Для пробития сквозного отверстия в пластине необходимо, чтобы минимальное удельное энерговыделение, имеющее место при χh=0,5, было не менее удельной энергии сублимации материала пластины Q. To break through the through hole in the plate, it is necessary that the minimum specific energy release occurring at χh = 0.5 be no less than the specific sublimation energy of the plate material Q.
Из (6) имеем From (6) we have
Из (7) получимFrom (7) we obtain
Масса (на единицу площади) испарившегося материала составитThe mass (per unit area) of the evaporated material will be
Удельная масса (на единицу вложенной энергии) испарившегося материала составитThe specific gravity (per unit of energy input) of the evaporated material will be
Из (10) получимFrom (10) we obtain
Исследования на экстремум уравнения (10) показывает, что mУД имеет максимум при χh=2, причем в точке максимума является постоянной для конкретного типа материала величиной и составляетResearch on the extremum of equation (10) shows that m UD has a maximum at χh = 2, and at the maximum point it is constant for a specific type of material and is
что в два раза выше, чем в прототипе.which is two times higher than in the prototype.
На фиг. 2 показана зависимость
Видно, что для диапазона значенийIt can be seen that for the range of values
величина
Так как длины волн технологических лазеров имеют определенные значения, а толщины пластин могут быть произвольными, трудно обеспечить оптимальный режим обработки при χh=2. Рациональным режимом пробития сквозных отверстий в пластинах является воздействие импульса лазерного излучения на пластину с длиной волны, обеспечивающей выполнение условия (12), при этом плотность энергии на каждой поверхности пластины рассчитывают по соотношению (8). Таким образом, достигается положительный эффект при лазерном пробитии сквозных отверстий в неметаллических пластинах, обладающих объемным поглощением на длине волны лазерного излучения.Since the wavelengths of technological lasers have certain values, and the plate thicknesses can be arbitrary, it is difficult to ensure the optimal processing mode for χh = 2. The rational mode of penetration of through holes in the plates is the action of a laser pulse on the plate with a wavelength that ensures the fulfillment of condition (12), while the energy density on each surface of the plate is calculated by the relation (8). Thus, a positive effect is achieved during laser penetration of through holes in non-metallic plates with volumetric absorption at a wavelength of laser radiation.
Для предотвращения рассеяния лазерного излучения требуется предварительная полировки поверхностей пластины.Prevention of laser radiation scattering requires preliminary polishing of the plate surfaces.
ЛитератураLiterature
1. Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф. Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. Патент RU 2211753 С2. Опубл. 10.09.2003. Бюл. №25.1. Atamanyuk V.M., Kovalenko A.F. Levun I.V., Fedichev A.V. A method of processing non-metallic materials. Patent RU 2211753 C2. Publ. 09/10/2003. Bull. Number 25.
2. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 4. Лазерная обработка неметаллических материалов: Учебное пособие для ВУЗов / А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов. Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высшая школа 1998. - 191 с. ISBN 5-06-001453-3.2. Laser equipment and technology. In 7 kn.
3. Сахаров М.В., Коваленко А.Ф., Воробьев А.А., Конюхов М.В., Астраускас Й.И., Никитин И.В., Запонов А.Э., Удинцев Р.Д., Чупятов А.С. Способ обработки неметаллических материалов. Патент RU 2486628. Опубл. 27.06.2013. Бюл. №18.3. Sakharov M.V., Kovalenko A.F., Vorobyov A.A., Konyukhov M.V., Astrauskas Y.I., Nikitin I.V., Zaponov A.E., Udintsev R.D., Chupyatov A.S. A method of processing non-metallic materials. Patent RU 2486628. Publ. 06/27/2013. Bull. Number 18.
Claims (2)
1,2<χh<3,1,
где χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения; h - толщина пластины, при этом исходный пучок лазерного излучения разделяют на два пучка и одновременно соосно воздействуют на обе поверхности пластины с равной плотностью энергии, определяемой по соотношению:
где е - основание натурального логарифма;
Q - удельная энергия сублимации материала;
R - коэффициент отражения материала.1. The method of laser punching a through hole in a non-metallic plate, including processing the surface of the plate using a pulsed laser, characterized in that the plate is affected by a laser pulse with a wavelength that ensures the following conditions:
1,2 <χh <3,1,
where χ is the absorption coefficient of the plate material at a wavelength of laser radiation; h is the thickness of the plate, while the initial laser beam is divided into two beams and simultaneously coaxially act on both surfaces of the plate with an equal energy density, determined by the ratio:
where e is the base of the natural logarithm;
Q is the specific energy of sublimation of the material;
R is the reflection coefficient of the material.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014146914/02A RU2582849C1 (en) | 2014-11-24 | 2014-11-24 | Method for laser punching through-hole in non-metal plate |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014146914/02A RU2582849C1 (en) | 2014-11-24 | 2014-11-24 | Method for laser punching through-hole in non-metal plate |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2582849C1 true RU2582849C1 (en) | 2016-04-27 |
Family
ID=55794715
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014146914/02A RU2582849C1 (en) | 2014-11-24 | 2014-11-24 | Method for laser punching through-hole in non-metal plate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2582849C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2647387C2 (en) * | 2016-06-24 | 2018-03-15 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of laser drilling of through holes in non-metallic plate |
RU2688036C1 (en) * | 2018-10-25 | 2019-05-17 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Method of laser piercing through hole in non-metal plate |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002001559A (en) * | 2000-06-16 | 2002-01-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Laser drilling method and its apparatus |
RU2192341C2 (en) * | 2000-07-03 | 2002-11-10 | Басиев Тасолтан Тазретович | Method for piercing precision holes by means of laser irradiation |
JP2003290956A (en) * | 2002-01-31 | 2003-10-14 | Kyocera Corp | Method for boring to ceramic substrate and mask for printing |
RU2393072C2 (en) * | 2004-10-25 | 2010-06-27 | Снекма | Adapter to produce holes or to treat by laser beam |
RU2397852C2 (en) * | 2006-01-24 | 2010-08-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Hole fabrication method |
RU2486628C1 (en) * | 2011-12-14 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Method of processing nonmetallic materials |
-
2014
- 2014-11-24 RU RU2014146914/02A patent/RU2582849C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002001559A (en) * | 2000-06-16 | 2002-01-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Laser drilling method and its apparatus |
RU2192341C2 (en) * | 2000-07-03 | 2002-11-10 | Басиев Тасолтан Тазретович | Method for piercing precision holes by means of laser irradiation |
JP2003290956A (en) * | 2002-01-31 | 2003-10-14 | Kyocera Corp | Method for boring to ceramic substrate and mask for printing |
RU2393072C2 (en) * | 2004-10-25 | 2010-06-27 | Снекма | Adapter to produce holes or to treat by laser beam |
RU2397852C2 (en) * | 2006-01-24 | 2010-08-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Hole fabrication method |
RU2486628C1 (en) * | 2011-12-14 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Method of processing nonmetallic materials |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2647387C2 (en) * | 2016-06-24 | 2018-03-15 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of laser drilling of through holes in non-metallic plate |
RU2688036C1 (en) * | 2018-10-25 | 2019-05-17 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Method of laser piercing through hole in non-metal plate |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Berthe et al. | Shock waves from a water-confined laser-generated plasma | |
RU2566138C2 (en) | Laser processing of non-metallic materials | |
RU2018102523A (en) | METHOD AND DEVICE FOR REDUCING PHOTOELECTRON OUTPUT AND / OR SECONDARY ELECTRON OUTPUT | |
Berthe et al. | Experimental study of the transmission of breakdown plasma generated during laser shock processing | |
Potemkin et al. | Laser control of filament-induced shock wave in water | |
RU2573181C1 (en) | Laser processing of non-metallic plates | |
RU2582849C1 (en) | Method for laser punching through-hole in non-metal plate | |
RU2486628C1 (en) | Method of processing nonmetallic materials | |
Zou et al. | Application of thermal stress model to paint removal by Q-switched Nd: YAG laser | |
RU2633860C1 (en) | Method of laser annealing of non-metallic materials | |
RU2692004C1 (en) | Method for laser annealing of nonmetallic materials | |
Singleton et al. | Comparison of theoretical models of laser ablation of polyimide with experimental results | |
Miyamoto et al. | Characterization of plasma in microwelding of glass using ultrashort laser pulse at high pulse repetition rates | |
RU2647387C2 (en) | Method of laser drilling of through holes in non-metallic plate | |
RU2688036C1 (en) | Method of laser piercing through hole in non-metal plate | |
Osipov et al. | Effect of pulses from a high-power ytterbium fiber laser on a material with a nonuniform refractive index. I. Irradiation of yttrium oxide targets | |
Abdul Razab et al. | Estimation of threshold fluence, absorption coefficient and thermal loading of car coated substrate in laser paint removal | |
RU2574222C1 (en) | Laser treatment method for non-metal plates | |
Stafe et al. | Pulsed laser ablated craters on aluminum in gaseous and aqueous environments | |
Semerok et al. | Microablation of pure metals: laser plasma and crater investigations | |
RU2624989C1 (en) | Method of laser processing of non-metallic plates | |
RU2646177C1 (en) | Method of laser processing of nonmetallic materials | |
RU2574327C1 (en) | Method for laser treatment of non-metallic materials | |
RU2763362C1 (en) | Method for laser annealing of non-metallic materials | |
RU2695440C1 (en) | Method of laser processing of non-metallic materials |