CC BY
11
УДК 621.373.826: 621.389
Р.Б. Хайралапов, Д.А. Бессонов, И.А. Попов, М.А. Прохоров, Т.Н. Соколова, Е.Л. Сурменко
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ ФРЕЗЕРОВКИ МИКРООСТРИЙНЫХ СТРУКТУР ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Аннотация. Описана разработка высокопроизводительной технологии формирования автоэлектронных эмиттеров произвольной формы с высоким аспектным отношением на подложках из стеклоуглерода марки СУ-2000, на основе комплекса технологических процессов с применением короткого и ультракороткого импульсного лазерного излучения.
Ключевые слова: лазер, длительность импульса, резка, фрезеровка
R.B. Khayralapov, M.A. Prokhorov, D.A. Bessonov, I.A. Popov, T.N. Sokolova, E.L. Surmenko
TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF LASER MILLING OF MICRO-EDGE STRUCTURES IN ELECTRO-VACUUM DEVICES
Abstract. The development of a high-performance technology for the formation of autoelec-tronic emitters of arbitrary shape with a high aspect ratio on substrates made of glass carbon of the SU-2000 brand, based on a complex of technological processes using short and ultrashort pulsed laser radiation, is described.
Keywords: laser, pulse duration, cutting, milling
ВВЕДЕНИЕ
Процесс воздействия на материал лазерным излучением, результатом которого является удаление (массовынос) вещества с поверхности или из объема твердого тела, в технической и физической литературе принято называть термином абляция. В зависимости от характера температурного состояния обрабатываемой среды различают два режима лазерной абляции: тепловой - термическое испарение (жесткая абляция) и нетепловой - холодная абляция (мягкая абляция).
Лазерная абляция носит пороговый по дозе облучения Ф характер, то есть заметное удаление вещества осуществляется лишь при условии Ф > Фп. Типичная плотность энергии 88
2
порога абляции находится в промежутке между 0,1 и 10 Дж/см , в зависимости от материала для неорганических диэлектриков он составляет от 0,5 до 2 Дж/см , для органических материалов от 0,1 до 1 Дж/см [1].
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ ФРЕЗЕРОВКИ
Для исследования процесса формирования структур на пластинках стеклоуглерода СУ-2000 применялась установка на базе лазера на АИГ с диодной накачкой с длительностью импульса 70 нс, частотой следования до 50 кГц и установка на базе лазера на АИГ с диодной накачкой и синхронизацией мод с длительностью импульса 7 пс, работающего в пакетном режиме с частотой следования в пакете 50 МГц и частотой следования пакетов до 100 кГц. Фокусировка излучения осуществлялась сканатором фирмы Яау1аБе.
Основной мотивацией для использования коротких наносекундных и ультракоротких пикосекундных лазерных импульсов при формировании микроразмерных эмитирующих игольчатых и лезвийных структур является снижение негативного теплового воздействия на материал.
При воздействии наносекундного лазерного импульса с плотностью энергии выше порога абляции взаимодействие происходит относительно длительное время, достаточное для передачи тепла кристаллической решетке, ее нагрева, быстрого плавления и испарения. При этом часть материала превращается в плазменный факел, расширяющийся в течение нескольких пикосекунд. Часть энергии, поглощенной плазменным факелом, передается на твердую или расплавленную поверхность формирующегося отверстия, продолжая способствовать удалению материала из отверстия. Расплавленный материал в виде капель выносится из зоны «тепловой» абляции под действием градиента давления вызванного расширением плазменного факела [2].
Глубина распространения тепла внутрь материала не превышает величины V4кт, где т - длительность импульса, а к - температуропроводность материала. Анализ результатов исследований поведения лазерного факела [3], возникающего при воздействии наносе-кундного импульса на поверхность образца из стеклоуглерода СУ-2000, выявил одновременное присутствие двух физических процессов удаления материала. А именно: нагрев вещества за счет лазерного воздействия до температуры его разрушения, сопровождающийся появлением парогазового облачка, содержащего твердые частицы и частицы каплевидной формы, и прямой переход вещества в парогазовое состояние без раздробления на более мелкие части. При этом вынос вещества из зоны воздействия продолжается и после окончания импульса лазерного излучения. Промежуток времени, в течение которого происходит вынос вещества из зоны обработки, при наносекундном воздействии лазерного излучения находился экспериментально путем регистрации времени свечения плазменного факела [3].
В качестве примера на рис. 1 приведена фотография формы лазерного факела при воздействии на поверхность образца из стеклоуглерода СУ-2000 импульса лазерного излучения наносекундной длительности, полученная с помощью видеокамеры VAA-135 производства фирмы EVS.
На ней наблюдается трехслойность факела. Видны разветвляющиеся следы движения светящихся частиц удаляемого материала с увеличением угла наклона треков их разлета от
89
30° до 45° относительно первоначального направления, причем скорость разлета вторичных частиц меньше начальной скорости истечения материала примерно в 1,5-2 раза. Одновременно с этим явлением наблюдается процесс прямого перехода вещества в парогазовое состояние без раздробления на более мелкие части, при этом заметного изменения скорости истечения вещества не наблюдается.
Рис. 1. Форма лазерного факела при наносекундной длительности импульса
Для импульса излучения с длиной волны 1064 нм, энергией 120 мДж и длительностью 10 нс, действующего на поверхность пластины из монолитного стеклоуглерода марки СУ-2000, измеренное время выноса вещества из зоны воздействия излучения радиусом г0 = 10 мкм превысило длительность импульса в 500 раз и составило 5 мкс (рис. 2). Это определило предельную частоту следования наносекундных импульсов - 200 кГц.
А мв
300200100- И -1 35
100200300400500- --1 -1
В мв
150
100
-50
100
150
-200
-250
-16,00-14,00-12,00 -10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00
--, Т мкс
I —*■—В I
Рис. 2. Типичная осциллограмма длительности свечения плазменного факела при воздействии лазерного импульса длительностью 70 нс
Средняя скорость истечения материала определялась расчетным путем исходя из размера удаляемого объема, для приведенного выше примера она равна 1000 м/с. Таким образом, при использовании наносекундных лазеров в технологиях микрообработки в режимах «абляции выпариванием» полностью избежать появления побочных тепловых эффектов не удается, однако позволяет значительно снизить их негативное влияние.
При использовании импульсного лазерного воздействия пикосекундной длительности с интенсивностью излучения, превышающей порог холодной абляции, негативные термические последствия практически удается исключить. Вследствие этого микрообработка с применением импульсного пикосекундного лазерного излучения фактически не сопровождается никакими температурными побочными эффектами, обусловленными непосредственным переходом энергии излучения в тепловую энергию. При этом высокое качество лазерного луча с М >1,5, где М - соотношение теоретического диаметра сфокусированного одномодового (чистого) гауссова пучка и фактического диаметра, дает возможность сфокусировать излучение в пятно радиусом от 5 до 50 мкм. Это позволяет вести прецизионную микрообработку конструктивных элементов вакуумной электроники соответствующих размеров.
При наиболее распространенном на практике диаметре фокусировки рабочей области в 25 мкм для превышения порога абляции в 1 Дж/см2 требуется энергия импульса приблизительно в 10 мДж. За один импульс в области фокуса снимается от 20 до 100 нанометров материала.
Наибольшая эффективность достигается при обработке твердых материалов с размерами зоны лазерного воздействия до 50 мкм. Существенным недостатком, ограничивающим применение пикосекундных лазеров в промышленном производстве, является вторичный нагрев детали за счет теплопередачи от факела. Это требует комбинирования ф о-кусировки излучения сканатором и перемещения детали в поле фокусировки с помощью координатного стола.
Импульсное лазерное воздействие наносекундной и пикосекундной длительностей с успехом может быть использовано в технологических целях при создании конструктивной базы различных изделий электронной техники, в том числе для формирования микроразмерных игольчатых и лезвийных эмитирующих структур автоэмиссионных катодов [4]. Вместе с тем при разработке технологических процессов микрообработки с применением короткого и ультракороткого импульсного лазерного излучения наряду с отмеченными выше позитивными факторами нельзя не учитывать и возможные негативные последствия, которые могут иметь место при таких воздействиях на хрупкие материалы.
Удаление вещества с поверхности материала под действием ультракороткого или короткого импульса в процессе холодной лазерной абляции или абляции выпариванием в столь короткие промежутки времени со столь высокой скоростью его истечения порождает импульсную реактивную силу, создающую в зоне воздействия излучения область высокого импульсного давления. Под ее влиянием в обрабатываемом материале возникает сложный термодинамический процесс, сопровождаемый появлением в его объеме нестационарных полей напряжений и деформаций, способных в некоторых случаях вызвать микро, а при некоторых режимах - и макроразрушение хрупких материалов за пределами зоны обработки [4].
Для описания воздействия короткого и ультракороткого импульсного лазерного излучения с высокой плотностью энергии на обрабатываемые материалы с точки зрения выбора технологических режимов, обеспечивающих их целостность в процессе обработки, использована математическая модель [5]. В результате расчетов в среде МаШсаё 15.0, была выявлена зависимость напряжений, возникающих внутри пластины монолитного стеклоуглерода СУ-2000, от частотного режима обработки. При подстановке ряда значений частот с шагом 50 Гц в интервале от 5 кГц до 10,5 кГц был подобран наиболее оптимальный режим обработки игольчатых структур, применение которого в производстве позволило создать эмиттеры с высоким аспектным отношением - отношение высоты острий к радиусу кривизны вершины составляло 460.
В ходе экспериментов по обработке стеклоуглерода марки СУ-2000 были выявлены границы режимов обработки по частотным характеристикам излучения, в которых процент брака получаемых эмиттеров с высоким аспектным отношением был ниже, чем в других пределах диапазона. Интервал значений составил 5 кГц-10,5 кГц и соответствовал расчетному. Технология и методы, применявшиеся и отработанные в ходе изготовления опытного образца автоэмиссионного катода, послужили прототипом при разработке технологического процесса изготовления катодных матриц с групповым размещением острий с высоким аспект-ным соотношением, а эта технология, в свою очередь, позволила приступить к созданию автоэмиттеров кольцевого лезвийного и кольцевого гребенчатого типов.
Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Лазерные и оптические технологии» (Поволжский филиал), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», мероприятие 5.2. Развитие сети центров коллективного пользования научным оборудованием, ГК № 02.552.11.7021.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрен процесс взаимодействия лазерного излучения наносекундного и пикосе-кундного диапазона со стеклоуглеродом марки СУ 2000. Определена предельная частота следования наносекундных импульсов - 200 кГц. Определена предельная частота следования пакетов импульсов пикосекундного излучения - 10,5 кГц, при частоте внутри пакета 50 мГц. Определено, что при лазерной фрезеровке пикосекундным лазерным излучением происходит нагрев зоны фокусировки плазменным факелом. Для минимизации влияния факела предложено комбинировать фокусировку сканатором и перемещение детали с помощью координатного стола.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анисимов С.И., Лукъянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции // УФН. - 2002. - Т. 172. - № 3. - С. 301-333.
2. Чеботаревский Ю.В. Построение расчетной модели для исследования напряженного состояния хрупких неметаллических материалов при локальном нагреве с учетом появления пластических деформаций // Механика деформируемых сред: межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во СГУ, 1985. - Вып. № 9. - С. 49-54.
92
3. Ultrafast Laser Processing of Glass - Carbon for its Application in Fild - Emission Cathodes / Sokolova T.N., Popov I.A., Chebotarevsky Y.V., Surmenko E.L. and at. All // Fundamentals of Laser Assisted Micro - and Nanotechnologies: International Symposium. - St. Petersburg, 2013. - P. 64.
4. Способ изготовления автоэмиссионного катода: пат. 2526240 РФ: МПК H01J 1/30, H01J 9/02 / Бессонов Д.А., Попов И.А., Соколова Т.Н.; № 2013101115/07; заявл. 09.01.2013; опубл. 20.08.2014 Бюл. № 23.
5. Бессонов Д.А., Соколова Т.Н., Чеботаревский Ю.В. Исследование особенностей применения короткого и ультракороткого импульсного лазерного излучения для прецизионной микрообработки материалов. Обзор и анализ // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2015. - № 4. - С. 69-76.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Хайралапов Рустам Бисенбаевич -
магистрант кафедры «Сварка и металлургия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А
Бессонов Дмитрий Александрович -
кандидат технических наук, инженер 1 категории УИЛЛТТ Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Попов Иван Андреевич -
кандидат технических наук, электроник УИЛЛТТ Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Прохоров Михаил Викторович -
магистрант кафедры «Сварка и металлургия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Rustam B. Khayralapov -
Master student, Department of Welding and Metallurgy, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Dmitriy A. Bessonov -
PhD (Engineering), Engineer,
Yuri Gagarin State Technical University
of Saratov
Ivan A. Popov -
PhD (Engineering), Electronics Engineer, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Mikhail V. Prokhorov -
Master student, Department of Welding and Metallurgy, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Соколова Татьяна Николаевна -
кандидат технических наук, доцент каф «Сварка и металлургия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Tatyana N. Sokolova -
>bi PhD, (Engineering), Associate Professor, Department of Welding and Metallurgy, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Сурменко Елена Львовна -
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Сварка и металлургия» Саратовского государственного техничес университета имени Гагарина Ю.А.
Elena L. Surmenko -
PhD (Engineering), Associate Professor Department of Welding and Metallurgy, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 02.10.20, принята к опубликованию 25.11.20
