автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Исследование и разработка технологического процесса лазерной полировки стекломатериалов в приборостроении и электронной технике

ь Ä У ' }

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

Болыиепаев Олег Юрьевич ^

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ ПОЛИРОВКИ СТЕКЛОМАТЕРИАЛОВ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ И ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ.

Специальность 05.27.06. Технология полупроводников и материалов электронной техники Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

проф., д.т.н. Крючков М.А. проф., к.т.н. Катомин H.H.

J1. Вход, Jßj/H j

1 :L i

мизт

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание. 2

Введение. 4

Глава 1 Состояние вопроса и постановка задачи. 8

1.1. Обзор методов обработки стекломатериалов концентриро- 8 ванными потоками энергии.

1.2. Классификация стекломатериалов и анализ их основных 14 физико-механических характеристик.

1.3. Анализ деталей приборов и предъявляемых к ним требова- 17 ний в промышленности.

1.4. Постановка задачи исследований. 23

Глава 2 Разработка и исследование математической модели взаимо- 25 действия лазерного излучения со стекломатериалами.

2.1. Определение температурного поля в процессе взаимодейст- 26 вия излучения со стекломатериалами.

2.2. Определение силового поля в процессе взаимодействия из- 47 лучения со стекломатериалами.

2.3. Исследование процессов межфазного взаимодействия на 56 границе раздела.

Выводы. 71

Глава 3 Определение режимов и управление качеством процесса ла- 73 зерной полировки.

3.1. Термолазерная обработка. 73

3.2. Разработка экспериментальной установки. 88

3.3. Анализ технологических факторов и определение режимов 98 обработки.

Выводы 108

Глава 4 Экспериментальные исследования процесса лазерной обра- 110 ботки стекломатериалов.

4.1. Экспериментальные исследования процесса лазерной поли- 110 ровки стекломатериалов.

4.1.1. Экспериментальные исследования процесса лазерной поли- 110 ровки шлифованных поверхностей стекломатериалов.

4.1.2. Экспериментальные исследования процесса лазерной поли- 129 ровки прецизионных поверхностей стеклоизделий.

4.1.3. Исследование влияния лазерной полировки на микротвер- 133 дость и химическую устойчивость стекломатериалов.

4.2. Экспериментальные исследования процесса лазерной поли- 138 ровки фасонных поверхностей стеклоизделий прецизионно-

4.2.1

4.2.2

Глава 5

го приборостроения.

Экспериментальные исследования процессов лазерного 138

формирования элементов рельефа и повышения вакуумп-лотности волоконно - оптических элементов. Экспериментальные исследования процессов лазерного 148

формирования элементов рельефа и повышения вакуумп-лотности стеклоизделий типа "входное окно". Выводы. 155

Разработка технологических процессов и перспективы раз- 157 вития лазерного метода полировки стекломатериалов.

Выводы. 167

Общие выводы. 168

Литература. 172

Приложение. 177

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время стекломатериалы, из-за их уникальных физико -механических свойств, нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. В приборостроении и радиоэлектронике существует гамма стеклоизделий со сложной конфигурацией, к которым предъявляются жесткие требования по качеству, точности формы и микрогеометрии поверхности: оптоэлектронные элементы, электромеханические резонаторы, подложки микросхем, силовые элементы лазерной оптики, компоненты электронно - оптических преобразователей, изделия волоконной оптики и др. Процесс изготовления данных стеклоизделий, построенный на использовании механической обработки со значительным объемом ручного труда, дорогостоящими приспособлениями и абразивов, характеризуется рядом технологических проблем. Особые трудности возникают в тех случаях, когда необходимо осуществить переход от матовой, шлифованной к прозрачной, полированной поверхности, доводку прецизионных поверхностей (до 13, 14 класса), формирование и корректировку элементов рельефа небольших размеров (радиусы 0,5 - 1 мм., фаски 0,3 - 0,5 мм), повысить вакуумные свойства поверхности.

Таким образом, в промышленности сложилась ситуация, когда применение традиционной технологии либо не позволяет достичь необходимого качества обработки, либо становится экономически нецелесообразным. В связи с этим, актуальным становится внедрение новых методов обработки (огневого, электроннолучевого, плазменного, ионнолучевого, лазерного методов), основанных на воздействии на стекломатериал высококонцентрированных потоков энергии и позволяющих при использовании совместно с традиционными способами, решать необходимые задачи.

Сравнительный анализ существующих высокоэнергетических методов показывает, что для решения перечисленных технологических задач применение лазерного метода является предпочтительным.

Существует значительное количество работ в отечественной и зарубежной литературе, посвященных лазерной обработке стекломатериалов. Однако, большинство из них рассматривает вопросы разделения, сварки, напыления, формирования отверстий. Основополагающими работами в этой области являются работы Мачулки А.Г., Григорьянца А.Г., исследовавших вопросы скрайбирования, термораскалывания и сварки стекломатериалов. Незначительное количество работ, посвященных полировке и формообразованию поверхности, свидетельствует о недостаточном изучении данного направления и его актуальности.

В настоящее время, применение лазерного метода для задач, связанных с полировкой и формообразованием рельефа стеклоизделий, ограничивается из-за повышения уровня внутренних напряжений в процессе взаимодействия излучения со стекломатериалами и растрескивания поверхностного слоя, что является недопустимым для прецизионных стекло-изделий приборостроения. Проводимые в течение ряда лет исследования позволили решить возникшую проблему с помощью разработки нового технологического процесса - термолазерной обработки.

Целью настоящей работы является разработка и исследование процесса лазерной полировки стекломатериалов, а также разработка технологии и оборудования для ее реализации.

В соответствии с этим для достижения поставленной цели был поставлен комплекс задач, связанный с:

- определением основных физических закономерностей процесса лазерной обработки;

- разработкой математической модели процесса взаимодействия излучения со стекломатериалами, применительно к технологическим задачам промышленности и позволяющей прогнозировать результат обработки в зависимости от основных факторов процесса;

- разработкой методики для стабилизации напряженного состояния стекломатериалов при взаимодействии с излучением;

- разработкой методики управления качеством процесса и определением оптимальных технологических режимов обработки для стекломате-риалов различного химического состава;

- разработкой экспериментального оборудования для решения существующих технологических задач;

- проведением экспериментальных исследований с целью возможного решения существующих технологических задач на базе ряда стеклоизде-лий приборостроения.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с применением классической теории теплопроводности, тепломассоперено-са, математического моделирования и численных методов расчета.

В экспериментальных исследованиях использованы специальные методы оценки шероховатости поверхности, микротвердости, химической устойчивости, напряженного состояния, вакуумплотности, а также фотосъемки и микроскопического анализа.

Научная новизна работы заключается в разработке математической модели процесса взаимодействия лазерного излучения со стекломатериа-лами, позволяющей прогнозировать результат обработки в зависимости от режима воздействия излучения и определять оптимальные режимы обработки применительно к поставленным технологическим задачам; разработке методики для стабилизации и минимизации напряженного состояния материала.

Практическая ценность состоит в разработке универсального метода для поверхностной обработки стекломатериалов различного химического состава; определении степени влияния конструктивно-технологических факторов процесса (плотности мощности излучения и скорости сканирования) на шероховатость и свойства поверхности стекломатериалов; обосновании возможности применения лазерного метода для обработки оптико - волоконных материалов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения" (Москва, 1995, 1997 гг.) и на молодежной научной конференции "Гагаринские чтения" (Москва 1995, 1998 гг.).

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Обзор методов обработки стекломатериалов концентрированными

потоками энергии

В настоящее время развитие приборостроительной, радиоэлектронной и др. отраслей промышленности связано с применением различного рода материалов на базе стекла, керамики, германия, кремния и природных кристаллов. Такие виды изделий как оптоэлектронные элементы, электромеханические резонаторы, подложки микросхем, силовые элементы лазерной оптики, компоненты электронно - оптических преобразователей, как правило, изготавливаются традиционными методами механической обработки с использованием алмазного инструмента, притирочных паст и т.д. Однако, в ряде случаев применение традиционной технологии для достижения необходимых характеристик изделия, связанных с точностью формы и качеством поверхности представляет определенные трудности, вызванные либо неспособностью выполнить задачу, либо необоснованным повышением экономических затрат на производство.

По этим причинам актуальным становится внедрение новых методов обработки, основанных на воздействии на стекломатериал высококонцентрированных потоков энергии и позволяющих при использовании совместно с традиционными способами, решать целый ряд технологических задач. Такие способы обработки характеризуются приведенными ниже основными технологическими особенностями, отличающими их от традиционных технологий, которые основаны на преимущественно силовом (контактном) воздействии инструмента на заготовку [41, 45]: осуществлением обработки стекломатериалов практически с любыми физико-механическими свойствами без непосредственного механического контакта обрабатывающей поверхности инструмента с обрабатываемой поверхно-

стью заготовки; возможностями изменения шероховатости, формы, размеров и свойств обрабатываемых поверхностей заготовок; механизацией и автоматизацией основных технологических и вспомогательных переходов;

Обычно, к числу концентрированных потоков энергии относят электроны, ионы, плазму, сфокусированное излучение импульсных и непрерывных лазеров с различными длинами волн и ряд других [4, 6]. Существующие в настоящее время методы обработки стекломатериалов с использованием концентрированных потоков энергии можно разделить на группы: огневой метод, электроннолучевой метод, плазменный метод, ионно-лучевой метод, лазерный метод.

Огневой метод.

Обработка данного вида нашла достаточно широкое применение в стекольной промышленности при сварочных процессах, разделении материала и некоторых процессах, связанных с безразмерной полировкой (огневая полировка) [41, 45]. Однако, использование огневого метода для решения задач, связанных с доводкой прецизионных поверхностей, формированием элементов рельефа, является нецелесообразным из-за невозможности размерной обработки и сравнительно небольшого диапазона регулирования плотности теплового потока.

Электроннолучевой метод.

Использование электронного луча как технологического инструмента для обработки стекломатериалов позволяет осуществлять нагрев, плавку, и испарение практически любых стеклообразных масс и соответственно может применяться для полировки, сварки, нанесения покрытий и др. операций [6, 9, 39]. Универсальность метода позволяет использовать одно и то же оборудование для различных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы. Применение электроннолучевого метода для полировки, формообразования фасонных поверхностей стеклоизделий ограничивается, вследствие необходимости

создания дорогостоящих систем сканирования, способных работать в условиях высокого вакуума.

Плазменный метод.

Применение в технологии обработки стекломатериалов плазма находит прежде всего в процессах, требующих высокотемпературного концентрированного нагрева: резка материалов, нанесение покрытий, сварочные процессы [6, 45]. Использование плазмы для полировки стекломатериалов, формирования элементов фасонных поверхностей не находит распространения из-за невозможности обработки каналов и внутренних полостей, трудностей подбора необходимого уровня потока энергии, а также невозможности размерной обработки.

Ионнолучевой метод.

На практике данный способ находит применение при легировании стекломатериалов, создании покрытий, финишной обработке [1, 6]. Применение ионного пучка в качестве инструмента для полировки и формообразования фасонных поверхностей стеклоизделий затрудняет необходимость использования сложных, дорогостоящих, способных работать в условиях высокого вакуума устройств для сканирования обрабатываемых поверхностей.

Лазерный метод.

В настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом внимание уделяется разработке новых процессов и оборудования, основанных на взаимодействии лазерного излучения с материалами. Проведенный анализ показывает, что значительное количество работ в отечественной и зарубежной литературе, посвящено применению лазерной технологии в области резки, сварки, отжига, напыления, очистки, изменения физико - механических свойств и модификации поверхностей стекломатериалов и др. [2, 19, 26, 33].

А.Г. [29], Суминова В.М. [42], исследовавших вопросы резки, сварки, формирования отверстий, модификации поверхностей с помощью лазерного пучка различных материалов.

В области обработки стекломатериалов следует отметить работу Ма-чулки А.Г. [32], исследовавшего вопросы скрайбирования, управляемого термораскалывания, сварки стекломатериалов. В работе приводится физическая картина процессов, теоретический анализ температурных полей, возникающих при взаимодействии излучения со стекломатериалами, разработана математическая модель, позволяющая определять оптимальные режимы воздействия излучения, приводящие к разделению стекол.

Существует значительное количество работ посвященных модификации поверхностных свойств стекломатериалов. В работе Мордайла [50] предлагается способ лазерной обработки стеклянных изделий для повышения механической прочности образцов. В работе Урбанека П. [52] показана возможность декорирования стекла путем воздействия излучения. В патенте [3] рассматривается способ обработки расплавленного стекла. Данный способ относится к разряду методов осветления стекла и позволяет удалять включения огнеупоров из расплава с помощью лазерного воздействия. В работе Онохова А.П. [36] показана возможность использования излучения СОг лазера для проведения качественной очистки поверхности стеклоизделий. Диссертация Цицилиано А.Д. [44] посвящена исследованию влияния лазерного воздействия на монокристаллический кремний. Разработан метод лазерной обработки, позволяющий восстанавливать структуру, нарушенного в процессе механической обработки, слоя материала.

В то же время существует лишь незначительное количество работ, которые затрагивают вопросы, связанные с финишной обработкой стекломатериалов, полировкой, формообразованием, а также размерной обработкой поверхностей. В данной области особый интерес вызывают работы Темпла [51], который предлагает использовать излучение СО2 лазера для

полировки поверхностей кварцевых изделий. Отмечается также, что с помощью лазерного воздействия повышается порог лазерного разрушения и "залечиваются" микротрещины поверхностного слоя стекломатериала. В сообщении [53] Михаэль Басс рассматривает процесс лазерной полировки оптических стекол. Показано влияние коэффициента термического расширения на процесс взаимодействия, приведены результаты полировки плавленого кварца и стекла "Зеродур". В работе Хайдеки С. [48] предлагается использовать лазерный метод для получения кварцевых микролинз, путем испарения поверхностного слоя материала. В отечественной литературе работа Дианова Е.М. [16] рассматривает способ лазерной полировки поверхности в процессе вытяжки кварцевых световодов. Достоинством метода является отсутствие загрязнения поверхности и возможность удаления поверхностных дефектов. В работе Вейко В.П. [13] пока�