автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка новых технологий и оборудования на основе метода лазерного управляемого термораскалывания для обработки деталей приборостроения, микро - и оптоэлектроники

На правах рукописи

004600450

ГИНДИН Павел Дмитриевич

/И'

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ, МИКРО - И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.11.14-Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 АПР 2010

Москва-2010 г.

004600450

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор КОНДРАТЕНКО Владимир Степанович.

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физ. - мат. наук, профессор БАГДАСАРОВ Хачек Саакович

доктор технических наук, профессор ГРУЗИНЕНКО Валерий Борисович

доктор физ. - мат. наук, профессор МАТВЕЕВ Юрий Александрович

Ведущая организация:

ОАО «Оптрон» (г. Москва)

Защита состоится 19 мая 2010 года в зале Советов на заседании диссертационного Совета Д212.119.01 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107846 г. Москва, ул. Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Отзывы и замечания в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 107846 г. Москва, ул. Стромынка, 20. Ученый Совет

Автореферат разослан 21 января 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.В. Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Данная работа посвящена решению проблем в области производства деталей оптического приборостроения и деталей микро -и оптоэлектроники, а именно:

- высокоэффективной прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов;

- резки стекла для дисплейных панелей на модули;

- резки стекла в процессе выработки;

- резки изделий из стекла по криволинейному контуру;

- резки широкого класса анизотропных материалов, включая резку приборных пластин на кристаллы;

- получения изделий из стекла с заданной формой края с повышенными прочностными и эксплуатационными параметрами.

Актуальность работы связана с массовостью выпуска различных типов приборов и изделий оптического приборостроения, микро- и оптоэлектроники, ужесточением требований к их технико-экономическим и эксплуатационным параметрам и несовершенством существующих традиционных технологий их изготовления. Существующие традиционные технологии базируются на устаревших операциях резки с помощью алмазных дисков, твердосплавных или алмазных резцов, алмазных или лазерных скрайбирующих систем. В ряде случаев эти технологии достигли пределов своих возможностей, как с точки зрения повышения качества и точности обработки, так и с точки зрения себестоимости выпускаемой продукции.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки принципиально новых высокоэффективных технологических процессов прецизионного и безотходного разделения широкого класса многофункциональных материалов, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике, а также необходимостью разработки и выпуска соответствующего оборудования для реализации этих новых технологий.

Разработанный в 80-ых годах профессором В. С. Кондратенко метод лазерного управляемого термораскалывания получил в последнее время широкое признание и распространение для прецизионной безотходной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов. К числу преимуществ этого метода следует отнести в первую очередь следующие:

- высокая чистота процесса резки, связанная с безотходностъю разделения материала методом лазерного управляемого термораскалывания;

- высокая механическая прочность изделия после лазерного управляемого терм ораскал ыв ания;

- отсутствие механических нагрузок в зоне резки, исключающее деформацию и разрушение тонких крупногабаритных дисплейных панелей в процессе резки;

- высокая скорость резки различных материалов, достигающая 1000 мм/сек и более;

- высокая точность резки, составляющая 5-10 мкм на длине 500 мм;

- возможность сквозной резки в одном технологическом цикле.

Именно благодаря перечисленным преимуществам был сделан выбор

метода лазерного управляемого термораскалывания, как наиболее эффективного метода для резки плоских дисплейных панелей. Особое внимание было обращено на тот факт, что данный метод разделения материалов является безотходным, и таким образом может быть использован в особо чистых помещениях.

Однако для широкого использования метода лазерного управляемого термораскалывания при резке различных хрупких неметаллических материалов, в том числе анизотропных, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике, необходимо провести целый комплекс теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили бы учесть особенности физико-механических свойств материалов и интегрировать новый технологический процесс резки и новое технологическое оборудование в существующий сложный технологический процесс изготовления современных высокотехнологичных приборов и изделий.

Целью работы является разработка новых высокоэффективных технологических процессов изготовления деталей для приборостроения, изделий микро - и оптоэлектроники, разработка и внедрение специализированного и автоматизированного оборудования и программ управления технологическими процессами.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать тенденцию развития современного рынка различных оптоэлектронных приборов, выявить основные недостатки существующих технологий и оборудования для разделения материалов и наметить пути их преодоления;

- провести теоретические исследования математической модели процесса ЛУТ для изотропных и анизотропных материалов, в том числе, по криволинейному контуру, а также экспериментально проверить правильность расчета температурных полей и полей термоупругих напряжений;

- определить влияние основных характеристик используемых материалов, и в первую очередь, их оптических и теплофизических характеристик на параметры технологических процессов прецизионной резки методом ЛУТ;

- разработать общую концепцию и требования к конструкции оборудования для резки подложек из хрупких неметаллических материалов методом ЛУТ;

- разработать алгоритмы и создать программное обеспечение для управления технологическим оборудованием для резки пластин методом ЛУТ;

- разработать и внедрить серию специализированного технологического оборудования для резки широкого класса материалов, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике, для чего необходимо:

- произвести статистическую оценку качества получаемых

изделий и приборов;

- произвести оценку эксплуатационных параметров лазерного разделения;

- разработать эксплуатационную документацию;

- исследовать качество и надежность получаемых приборов из опытных партий;

- установить связь между технологическими параметрами обработки и функционально-стоимостными характеристиками приборов.

Научная новизна работы состоит в том, что в данной работе впервые осуществлен комплексный подход в создании новых высокоэффективных технологий и оборудования для лазерной обработки деталей приборостроения, микро - и оптоэлектроники.

В диссертационной работе предложена математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания различных изотропных и анизотропных материалов, позволяющая производить расчеты температурных полей и полей термических напряжений и раскрыть феноменологический механизм зарождения и развития трещины в хрупком материале.

Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛУТ различных типов хрупких неметаллических материалов, используемых в производстве изделий приборостроения, микро- и оптоэлектроники, позволившая оптимизировать режимы процесса лазерного разделения.

Обоснован выбор оптимальной модовой структуры лазерного излучения для процесса лазерного управляемого термораскалывания.

Проанализирован характер изменения температурных полей и полей напряжений в различных направлениях по отношению к

кристаллографической ориентации монокристаллической пластины.

Впервые исследовано влияние анизотропии теплофизических и механических свойств различных монокристаллических материалов на параметры технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания.

Разработана методика учета и компенсации анизотропии свойств обрабатываемого монокристалла за счет активного изменения технологических параметров резки в течение всего технологического цикла.

Получены новые научные данные, позволившие разработать технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания таких анизотропных материалов, как сапфир, кварц, кремний, арсенид галлия, карбид кремния и ряда других полупроводниковых материалов.

Разработана общая концепция построения специализированного технологического оборудования для прецизионной резки широкого класса многофункциональных материалов, включая резку приборных пластин на базе анизотропных материалов на кристаллы. Разработаны и обоснованы критерии и требования к основным функциональным узлам и механизмам

технологического оборудования, в том числе, к источнику лазерного излучения, оптической фокусирующей системе и механизму подачи хладагента.

Разработан общий алгоритм программы и комплекс программно аппаратных средств управления данным оборудованием.

Практическая ценность. Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач, остро стоящих в ряде областей промышленности и техники. Практическая ценность данной работы подтверждена актами внедрения результатов работы на отечественных и зарубежных предприятиях.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные технологические процессы и специализированное лазерное технологическое оборудование для лазерной обработки оптических деталей нашли практическое применение в ряде компаний.

Разработанный технологический процесс и специализированное технологическое оборудование для лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей нашли практическое применение и внедрены в ряде компаний, в том числе:

ОАО «Московский завод «Сапфир»; ОАО «НИИ «Волга» (г. Саратов); РПКБ (г. Раменское Московской области); компания " Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH" (Германия); в компании "Esseltech Co., Ltd." (Южная Корея) при разработке и изготовлении лазерного технологического оборудования для резки плоских дисплейных панелей методом лазерного управляемого термораскалывания.

Разработанный процесс лазерного управляемого термораскалывания таких анизотропных материалов, как сапфир, кварц, а также ряда полупроводниковых материалов нашел практическое применение и внедрен на ряде российских предприятий и зарубежных компаний, в том числе:

резка сапфировых пластин на кристаллы для полевых транзисторов на основе структур GaN/AlGaN/Al203 в ФГУП «НПП «Пульсар» (г. Москва);

резка сапфировых подложек в ОАО «Московский завод «Сапфир» (г. Москва);

резка сапфировых подложек на чипы для СИД в компании "Корвет-Лайтс" (г. Москва);

резка сапфировых пластин на кристаллы для СВЧ-транзисторов и СИД в ИСВЧПЭ РАН (г. Москва)

резка сапфира на чипы для СИД в ЗАО «Протон» (г. Орел); резка подложек из сапфира на чипы в Агентстве технологических исследований «ЮниСаф» (г. Зеленоград);

резка монокристаллического кварца, кремния и сапфировых подложек на чипы для светоизлучающих диодов (СИД) в фирме " Grander Technology Ltd." (Китай);

резка сапфира, кварца, кремния карбида кремния и арсенида галлия в компании "Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH" (Германия).

Разработан и внедрен в производство в ОАО «Саратовский институт стекла» (г. Саратов) технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания флоат-стекла в процессе его выработки;

На основании проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен в производство ряд новых высокоэффективных технологических процессов прецизионной резки стекла и керамики, а также приборных пластин на основе монокристаллического кварца, сапфира, кремния, германия, арсенида галлия, танталата лития, ниобата лития, карбида кремния.

На основании полученных в диссертационных исследованиях результатов создана серия нового технологического оборудования для резки широкого класса многофункциональных материалов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: XIII Международной научной конференции «Лазеры-2002» (г. Сочи - 2002); V Международной конференции «Прикладная оптика-2002» (г. Санкт-Петербург - 2002); V Международной конференции по полупроводникам (г. Нара, Япония - 2003); на XIV Международной научной конференции «Лазеры-2003» (г. Сочи - 2003); Международном семинаре "SEMI Expo CIS 2003" (г. Москва - 2003); XIII Международной конференции "Finetech Japan" (г. Токио - 2003); Международной конференции-выставке "Laser-2003" (г. Мюнхен - 2003); Международной конференции "JENOPTIK Laser Forum" (г. Йена - 2003); XVIII Международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г. Москва - 2004); 3-ей всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия», МГУ (г. Москва - 2004); XVIII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации (г. Алушта - 2004); VII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Сочи - 2004); Международной юбилейной научно-технической конференции «Наука о резании материалов в современных условиях» (г. Тула - 2005); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности» (Тунис - 2005); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности» (Египет - 2006); Международном техническом симпозиуме SEMI Expo CIS (г. Москва - 2006); за рубежом на семинарах и научных конференциях немецкой компании "Jenoptik AT" (Jena - 2004, 2005), тайваньской компании "Foxconn Technology Group" (Shenzhen - 2006, 2007); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (Турция - 2007); Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Тунис - 2008); Международной научно-технической конференции «Фотоника-2008» (Новосибирск - 2008); Международной

научно-технической конференции «Стеклопрогресс-ХХ1» (Саратов- 2008); Международной научно-технической конференции «Пьезо - 2008» (г. Москва); Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Египет - 2009); а также на семинарах и научных конференциях Московского государственного университета приборостроения и информатики, ОАО «Московский завод «Сапфир», Института СВЧ - полупроводниковой электроники РАН, ФГУП НПП «Пульсар», НИИ технического стекла (г. Москва).

Результаты диссертационной работы демонстрировались на Международных выставках «Высокие технологии XXI века - 2004», «Высокие технологии XXI века - 2005», «Высокие технологии XXI века - 2006», «Высокие технологии XXI века - 2008» и удостоены дипломов и 2 золотых медалей, на Международном салоне «Архимед - 2006» удостоены серебряной медали, на Международном салоне «Архимед - 2008» - золотой медали.

За комплекс работ в 2005 году в составе авторского коллектива присуждена Премия Правительства РФ в области науки и техники.

На защиту выносятся следующие положения:

комплекс высокоэффективных технологий и оборудования для лазерной обработки деталей оптического приборостроения, микро - и оптоэлектроники методом лазерного управляемого термораскалывания;

новый технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей;

результаты теоретического исследования процесса лазерного управляемого термораскапывания различных типов стекла, используемых в производстве дисплейных панелей; расчеты температурных полей и термоупругих напряжений;

результаты исследований прочности изделий из стекла при различных способах обработки кромок изделий;

оптимизированные технологические режимы лазерного управляемого термораскалывания различных типов стекла, включая оптимизацию модовой структуры лазерного излучения;

основные принципы конструирования лазерного

специализированного оборудования для резки дисплейных панелей;

серия специализированного технологического оборудования для резки дисплейных панелей различных типов и размеров;

новый технологический процесс лазерной резки стекла по криволинейному контуру;

математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания стекла по криволинейному контуру;

технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания группы анизотропных материалов;

результаты теоретического исследования лазерного управляемого термораскалывания анизотропных материалов: сапфир, кварц, кремний, арсенид галлия и другие полупроводниковые материалы;

расчеты температурных полей и термоупругих напряжений в зависимости от ориентации кристаллической решетки монокристалла;

разработка и обоснование критериев и требований к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования, в том числе, к оптической фокусирующей системе и механизму подачи хладагента;

разработка концепции и конструкции универсальной технологической установки для резки приборных пластин из различных материалов, содержащей два лазера с различной длиной волны излучения и две оптические фокусирующие системы;

оптимизированные технологические режимы лазерного управляемого термораскалывания различных приборных пластин.

серия специализированного технологического оборудования для лазерной прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике.

Публикации. Основные научные результаты отражены в 71 публикациях, в том числе, в 5 монографиях и учебных пособиях, в 3 описаниях к патентам РФ на изобретения, в 19 статьях в научно-технических журналах и в 44 опубликованных докладах Международных и Российских конференций.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Во всех совместных публикациях автором сформулированы постановка задачи и метод ее решения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, содержит фотографии, графики и таблицы.

Во введении показана актуальность выбранной темы исследований по разработке и внедрению в производство комплекса новых высокоэффективных технологических процессов лазерной обработки деталей оптического приборостроения, микро - и оптоэлектроники методом лазерного управляемого термораскалывания и созданию серии специализированного технологического оборудования, для реализации указанных технологий.

Обоснован выбор метода лазерного управляемого термораскалывания, как наиболее эффективного метода прецизионной резки широкого класса многофункциональных хрупких неметаллических материалов. Сформулирована цель, указана научная новизна и практическая ценность работ. Приведены основные научные и практические положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу традиционных технологий и оборудования для резки различных хрупких неметаллических материалов, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике.

Проведен анализ традиционных технологий механической резки стекла в производстве дисплейных панелей, а также механического и лазерного скрайбирования приборных пластин на кристаллы, на основании которого выявлены следующие недостатки традиционных технологий:

низкое качество резки за счет наличия нарушенного слоя вдоль линии надреза и разлома;

низкая механическая прочность стеклянных дисплейных панелей после механической резки;

наличие двух стадий разделения - надреза и последующего механического разламывания;

дополнительный брак на операции разламывания; значительные - до 30% потери материала разрезаемых пластин за счет ширины пропила;

разрушительное воздействие процесса разделения на функциональные и эксплуатационные параметры получаемых приборов;

невозможность проведения операций резки в помещениях высокой вакуумной гигиены за счет образования стеклянных частиц при механической резке;

высокая себестоимость получаемых изделий, связанная с наличием двух отдельных операций, выполняемых на различном оборудовании при разделений крупногабаритных панелей на отдельные модули - надреза с помощью режущего ролика и последующего механического разламывания;

мощное энергетическое воздействие импульсного лазерного излучения при скрайбировании зачастую приводит к разрушению структур кристаллов.

В результате анализа выявленных недостатков сформулирован новый подход для решения поставленной цели, разработана методология проведения экспериментальных и теоретических исследований.

Вторая глава данной диссертационной работы посвящена исследованию и разработке математической модели процесса лазерного управляемого термораскалывания тонких изотропных и анизотропных пластин с низкой и высокой теплопроводностью на примерах стекла, керамики, сапфира, кремния и арсенида галлия.

Проведен расчет термоупругих напряжений, возникающих в процессе лазерного управляемого термораскалывания.

Для расчета распределения температурных полей в изотропном материале при его поверхностном нагреве лазерным пучком эллиптической формы и с различным распределением энергии в пучке было использовано следующее выражение:

т(у V - Л- Р 1{4ат+А2)-у2 /(40Г + Й2)}

я"2рс{ [(4аг + /(2Х4ог + й2)ьг]"

ехр (

4 ах

\ г л

- /г (жа т )"2 еф " ---у- + к(ат)"2 ехр (к: + И2ат} ) 12(яг) )

йт

где р, с, Л - плотность, удельная теплоемкость и коэффициент

Л

теплопроводности материала соответственно; а = — - температуропроводность

ср

материала; А - коэффициент теплоотдачи с поверхности; А и В - большая и

малая полуоси эллиптического пучка; Р =ц ж А В - мощность лазерного излучения.

С помощью данного выражения были выполнены расчеты численным методом распределения температурных полей, возникающих в полубесконечном пространстве при его поверхностном нагреве лазерным излучением до подачи хладагента (Рис. 1.).

Рис. 1. Распределение температуры на поверхности стеклянной пластины, нагреваемой движущимся эллиптическим гауссовым пучком.

Сразу после появления метода ЛУТ последовали попытки его использования для вырезки из листового стекла изделий со сложным криволинейным контуром. Однако при переходе траектории перемещения лазерного пучка и хладагента от прямолинейной траектории к криволинейной траектории возникает ряд изменений в условиях процесса ЛУТ, которые необходимо учитывать для обеспечения надежности и качества процесса. С целью оптимизации режимов лазерного управляемого термораскалывания по криволинейному контуру необходимо рассмотреть отличия в условиях нагрева поверхности материала лазерным пучком на прямолинейном и криволинейном участках траектории с применением математической модели этих процессов.

Была рассмотрена следующая задача раскроя листового стекла: вырезание прямоугольника со скругленными углами.

Задача нагрева и последующего охлаждения пластины из стекла решалась численно, методом конечных разностей, а нелинейность охлаждения поверхности на фронте кипения воды учитывалась подстройкой температуры с предыдущего шага расчета.

Запишем уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия для характерных режимов ЛУТ:

ср сГОУг - АЛТ = (1-Яо ) к Р/(лАВ) ехр (-2((х-\*) 2/а2+у2/Ь2) ехр (-кг)

Т(х,у,2,0) = То; ШУ<Ьи = а(Т) (Т-Тж)

где с, р, К, Ло, к, Р, А, В, v - теплоемкость, плотность, теплопроводность, коэффициент отражения, коэффициент поглощения, мощность лазерного излучения, полуоси эллипса пятна нагрева и скорость перемещения

т

соответственно. Коэффициент теплоотдачи а(Т) определяется экспериментал ьн о.

На Рис. 2 приведены расчеты распределения температуры на поверхности стекла для конкретных технологических режимов: « Мощность лазерного излучения - 100 Вт.

• Размеры эллиптического пучка на стекле - 2А х 2В = 12 х 1,5 мм 2. » Скорость перемещения стекла - 350 мм/сек.

• Толщина стекла (К-Ыа-стекло) - 1,8 мм.

а) б)

Рис.2. Распределение температуры на поверхности стекла на прямолинейном (а) и криволинейном (б) участках резки.

Из приведенных расчетов следует, что при переходе от прямолинейного участка резки к криволинейному участку по окружности радиуса Я = 16 мм необходимо изменять параметры процесса ЛУТ (Рис. 26). Это связано с увеличением ширины зоны нагрева, а, следовательно, к уменьшению температуры нагрева стекла. В связи с тем, что вырезка изделия осуществляется в одном технологическом цикле, изменение размеров лазерного пучка и мощности лазерного излучения в процессе ЛУТ сложно и нецелесообразно. Поэтому при сохранении размеров лазерного пучка и мощности лазерного излучения необходимо при переходе на криволинейный участок снизить скорость перемещения. Для данного расчета скорость ЛУТ составила - 60 мм/сек.

Для расчета распределения температурных полей в анизотропном материале при его поверхностном нагреве лазерным пучком специальной формы и с заданным распределением энергии в пучке можно воспользоваться выражением:

я>гРс о ^(4огг+Л2)(4а,.г + В2)а.г

- Ь^и.т А

где р, с, А - плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности материала соответственно;

С/7

температуропроводность анизотропного материала; И - коэффициент теплоотдачи с поверхности; А и В - большая и малая полуоси эллиптического пучка; Р =(? л А В - мощность лазерного излучения.

Полученное решение позволило провести численные расчеты объемного распределения температурных полей, возникающих в анизотропном материале при его нагреве лазерным излучением до момента подачи хладагента (Рис.3).

а) б)

Рис. 3. Распределение температурных полей Т(х, г) (а) и Т(х,у,г) (б) до начала

подачи хладагента.

Важно также учесть охлаждение материала после нагрева лучом лазера. Это можно сделать введением коэффициента теплоотдачи, который резко возрастает на фронте кипения хладагента. Коэффициент теплоотдачи Ь при пузырьковом кипении возрастает с 30 (до кипения) до 3-105 [Вт/(м2К)] и затем столь же резко спадает при образовании парового слоя у поверхности при развитом кипении.

В месте фронта кипения в такой модели образуется резкий провал температуры. Если аппроксимировать рост коэффициента теплоотдачи экспоненциальной зависимостью, учитывающей протяженность фронта

кипения и(г) = кт ■ ехрГ- ^ ~ Т'" /^,2 ^, то распределения температуры,

полученное решением задачи методом конечных разностей будет иметь вид представленный на Рис.4.

|»

Рис. 4. Изменение распределения температуры Т(х, у, г) в момент подачи

хладагента.

В этом случае в распределении температуры образуется ступенька с резким спадом в месте фронта кипения хладагента.

Определить характер распределения температуры это только часть задачи термоупругости. Далее надо определить напряжения, возникающие при таком неравномерном нагреве материала.

Проведен расчет термоупругих напряжений, возникающих в процессе лазерного управляемого термораскалывания.

В расчете распределения температуры при поверхностном нагреве лазерным пучком эллиптической формы тонкой приборной пластины применен метод разделения переменных. Таким образом, задача теплопроводности сведена к одномерной в направлении толщины пластины и двумерной в плоскости пластины. Одномерная задача для поглощения излучения по закону Буггера решается аналитически и выражается рядом Фурье по Соз( кгп/Ь) - где г - текущая координата, Ь - толщина пластины, п -натуральное целое число. Для каждого значения п определена двумерная задача, которая решается численно, методом конечных разностей. Решение задачи проведено средствами МаШСас!.

Коэффициент теплоотдачи определяется экспериментально, в расчетах он

распределение температуры, представлено на рис. 5. В распределении температуры образуется резкий спад в месте фронта кипения хладагента.

При рассмотрении задачи термоупругости тонкой пластины, нагреваемой лазерным излучением и охлаждаемой вслед за пучком хладагентом, можно считать распределение температуры по толщине пластины однородным. В этом случае реализуется плоское напряженное состояние.

аппроксимирован зависимостью

Полученное

Рис. 5. Распределение температуры на поверхности кремниевой (а) и сапфировой (б) пластины в процессе термораскалывания.

Для двумерного случая (х, у) задачу термоупругости определяют уравнения совместности:

1 д2(сг + <т ) а£ аЕ дгТ п До- +--" , -Д7Ч--г = 0

* 1+у дх2 !-(/ \ + удх2

1 + у дхду 1 + 1'дхду

" 1 + у ду 1-1/ 1 + 1/ ду -уравнения равновесия

дх

Зст„, 3<т„„

—— ч--

дх ду

и граничные условия

где ат - коэффициент термического расширения, Е - модуль Юнга, v -коэффициент Пуассона, а,, — тензор напряжений, Т(х,уД) -распределение температуры в рассматриваемом материале, причем, для задачи термоупругости время является параметром, а не переменной.

Введем функцию напряжений Р(х,у) удовлетворяющую соотношениям: д2Р _ .

дхду" а*>"

Тогда уравнения равновесия удовлетворяются автоматически, а уравнения совместности сведутся к уравнению:

аЕ

\-у

VЛ<уа + 0 + Т = 0

1 - V

Частное решение этого уравнения, предложенное Гудиером, находится в виде: Р\х,г) = аг\т{х,г,т)<1т, используя уравнение теплопроводности с

о

поверхностными источниками нагрева и охлаждения

дТ

дI

а.г^2Т = 0

Тогда частное решение для компонент оуу тензора напряжения запишется

_ атЕат г д2Т(х,у,т)

ч-

-с/т

" 1-У ^ дх'

Общее решение для задачи термоупругости будет тождественно равно нулю, поскольку в отсутствие нагрева и охлаждения в свободно расположенной пластине напряжений нет.

Таким образом, нас интересует значение сгуу в зоне охлаждения после нагрева излучением пластины. Именно эти напряжения приводят к продвижению трещины вслед за лазерным излучением.

Определенное таким образом распределение напряжений суу приведено на рис. 6.

°ру.10' Па

4

. И!' Па

у мм 12

а) б)

Рис. 6. Распределение напряжения Суу на поверхности кремниевой (а) и сапфировой (б) пластины в процессе термораскалывания.

Приведенная математическая модель показывает взаимосвязь различных параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания тонких приборных пластин. Полученные расчеты согласуются с экспериментальными результатами.

Проанализировано влияние анизотропии температурных и механических свойств различных монокристаллов на технологические параметры процесса термораскалывания.

Созданная математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания анизотропных материалов и полученные теоретические расчеты согласуются с экспериментальными результатами.

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке и внедрению технологии лазерного управляемого термораскалывания стекла и керамики в производстве изделий и деталей в приборостроении, микро- и ( оптоэлектронике.

1. Разработка технологии резки дисплейных панелей на модули методом

ЛУТ.

Выполнены сравнительные испытания прочности изделий из стекла при различных способах обработки кромок изделий. Установлено, что прочность стекла на поперечный изгиб после лазерного управляемого термораскалывания в 5 раз выше по сравнению с прочностью того же стекла после механической резки с помощью режущего ролика (Рис. 7).

Прочность, МПа

Среднее

Механическая резка

Лазерная резка

Рис.7. Прочность стекла на поперечный изгиб при различных способах резки и

обработки кромок.

Проведена оптимизация параметров лазерного излучения и режимов термораскалывания с целью повышения качества резки и уменьшения остаточных термических напряжений вдоль линии резки. Установлено, что использование излучения С02-лазера с гауссовым распределением энергии в пучке приводит к перегреву стекла вдоль линии реза. Величина остаточных термонапряжений при резке одномодовьш лазером достигает более 1 МПа

(1Р81 = 6894,757 Па), в то время как при резке кольцевым эллиптическим пучком величина напряжений в три раза ниже (Рис. 8).

Расстояние(х10, мкм) -1-ТЕМ01 -----2-ТЕМ00

Рис. 8. Остаточные термические напряжения вдоль линии реза при

использовании лазеров с различной модой излучения.

Величина остаточных термонапряжений измерялась анализатором остаточных термических напряжений (FOSE), схема которого представлена на Рис. 9.

Рис. 9. Схема анализатора остаточных термических напряжений фирмы FOSE: 1 - видеокамера; 2 - анализатор; 3 - исследуемый образец; 4 - пластина Х/4; 5 -вращающийся поляризатор; 6 - He-Ne - лазер.

Выполненные исследования позволили выявить особенности конструирования лазерного технологического оборудования для резки дисплейных панелей и разработать серию лазерных установок.

2. Разработка и внедрение технологии ЛУТ флоат-стекла в процессе его выработки.

В настоящее время во всем мире основная доля высококачественного листового стекла всех номиналов толщиной от 1 до 20 мм вырабатывается с помощью непрерывного флоат-процесса, который отличается высокой производительностью и высоким качеством выпускаемой продукции. Резка непрерывной ленты стекла на заготовки осуществляется механически, с помощью твердосплавных роликов.

Одной из проблем эксплуатации листового стекла является его хрупкость. Наиболее непрочной частью листа стекла являются его краевые участки, что связано с большим числом грубых концентраторов напряжений, остающихся в кромке после раскроя движущейся ленты и сохраняющих степень своей опасности неизменной на протяжении всего периода транспортировки, хранения и эксплуатации стекла. Поэтому, очевидно, что значительная часть боя листов стекла может быть связана с разрушениями, зародившимися в их крае (краевой эффект).

В процессе непрерывного производства листового стекла применяется способ механического раскроя (как наиболее простой и доступный), который заключается в получении медианной трещины с помощью твердосплавного ролика. Чтобы при этом получить качественный край, то есть бездефектную кромку и гладкий блестящий торец с перпендикулярными поверхностями, необходимо строгое соблюдение оптимальных параметров раскроя. В противном случае край будет иметь грубый вид с большим количеством сколов и щербин. Количественными критериями оценки качества кромки стекла являются его прочность на поперечный изгиб и термостойкость.

Механический рез снижает прочность стекла в среднем на 60%. Повысить прочность такого стекла можно, обработав его кромки. Самый распространенный метод обработки - механический. Однако прочность стекла при этом повышается ~ на 30 %.

Поэтому поиск и разработка новых высокоэффективных методов резки листового стекла в процессе выработки во всем мире является задачей чрезвычайно важной и актуальной.

В результате выполненных исследований впервые в мире была разработана и внедрена на флоат-линии ЭПКС-4000 Саратовского института стекла промышленная установка для резки стекла методом ЛУТ. Фотография общего вида этой установки показан на Рис. 10.

В установке используется метод управляемого термораскалывания, сущность которого заключается в проецировании на поверхность стекла (или другого хрупкого материала) луча молекулярного газового С02-лазера, обеспечивающего локальный прогрев (до 350-450°С) линии реза и подаче под давлением воздушно-водяной смеси. В результате возникшего градиента

температур на небольшой глубине от поверхности стекла образуется микротрещина, которая и приводит к разделению стекла.

Были проведены предварительные исследования по определению прочности и термостойкости образцов стекла с разными видами кромок.

Прочность определяли методом трехточечного поперечного изгиба на разрывной машине ГМС-20 с помощью специальной приставки.

. ' 1 шя W-'

Рис. 10. Фотография первой промышленной лазерной установки для резки флоат-стекла методом ЛУТ.

Испытаны партии образцов стекла со следующими видами кромок:

- кромка, полученная в результате механической резки (кромка механического реза);

- кромка, полученная в результате лазерной резки (кромка лазерного реза);

- кромка, полученная в результате разлома после резки, противоположная кромке реза (гладкая кромка).

Стекло кроили таким образом, чтобы во время испытания кромок реза вторая, находящаяся в зоне растяжения кромка, была гладкой. Однако, при испытании на поперечный изгиб кромок лазерного реза разрушение всегда начиналось со стороны гладкой кромки, то есть кромка лазерного реза оказалась прочнее гладкой кромки. Поэтому, чтобы оценить прочность образцов с кромкой лазерного реза, отбирали образцы, один край которых являлся краем ленты стекла. В этом случае разрушение всегда начиналось с кромки лазера.

Для сравнения на рис. 11 приведены фотографии кромок образцов флоат-стекла, полученные в результате лазерной и механической резки.

Качественная оценка с помощью микроскопа МИН-8 (увеличение 50х) показала, что оба торца имеют гладкий блестящий вид. Однако, если в

результате раскроя лазером получается бездефектная кромка, то после механического реза видна «пилка» глубиной 0,05 - 0,3 мм. Кроме того, со стороны поверхности кромка механического реза имеет щербины и сколы, величина которых зависит от параметров раскроя и определяет прочность стекла на поперечный изгиб.

Кромка механического реза

Рис. 11. Вид кромок образцов стекла после резки различными методами.

Кромка лазерного реза

Фрагмент кромки лазерного реза, 35х

Фрагмент кромки механического реза, 35х

Результаты испытаний приведены в таблице 1. Таблица 1 - Прочность на поперечный изгиб образцов стекла с разными видами кромок

Наименование Толщина стекла, мм

показателя

4,0 6,0

Вид Кромка Кромка Кромка Кромка Кромка Кромка

испытыва- гладкая механичес- лазерного гладкая механичес- лазерно-

емом кромки кого реза реза кого реза го реза

Прочность на

поперечный

изгиб, МПа:

среднее 56,4 16,4 79,2 38,2 18,7 104,3

миним. 11,2 10,1 24,8 27,9 5,1 66,5

максим. 76,8 24,0 158,1 73,9 32,0 168,1

Из таблицы 1 видно, что образцы стекла с разными видами кромок имеют неодинаковую прочность на поперечный изгиб. Самая прочная -кромка лазерного реза: она ~ в 5 раз прочнее кромки, полученной в результате механической резки ив 1,5 - 2,5 раза прочнее гладкой кромки. Причем, кромка, полученная в результате раскроя лазером ленты стекла толщиной 6,0 мм прочнее в 1,3 раза), чем полученная при раскрое стекла

ИВДМШЖИИ®

> /

а)

б)

в)

Рис. 12. Характер разрушения образцов стекла с разными видами кромок при испытании на поперечный изгиб а - образец с кромкой механического реза; б - образец с гладкими кромками; в - образец с кромкой лазерного реза

толщиной 4,0 мм. Возможно, это объясняется разной скоростью движения ленты стекла: 338,0 м/час - для стекла толщиной 4,0 мм и 234,0 м/час -для 6,0 мм. То есть стекло толщиной 6,0 мм в зоне действия лазерного луча находилось дольше.

О разной прочности исследуемых образцов можно судить по характеру их разрушения в результате поперечного изгиба (рис. 12).

Разрушение образцов стекла, имеющих кромку механического реза (рис. 12а) и гладкие кромки (рис.126), происходит с образованием ветвящихся трещин типа «елочки» и начинается с менее прочной кромки (в случае, изображенном на рис. 12а, разрушение всегда начинается с кромки реза), то есть с дефекта, находящегося на кромке.

В таблице 2 приведены результаты испытания образцов стекла с разными видами кромок на термостойкость.

Таблица 2 - Термостойкость образцов стекла с разными видами кромок

Наименование Толщина стекла, мм

показателя 4,0 6,0

Вид Кромка Кромка Кромка Кромка

испытываемом Закрытая механичес- лазерного Закрытая механичес- лазерно-

кромки кого реза реза кого реза го реза

Термостой-

кость,0 С:

среднее 149,2 105,5 148,8 144,7 116,3 143,0

миним. 146,0 ¡03,0 142,0 135,0 107,0 142,0

максим. 150,0 108,0 157,0 153,0 119,0 147,0

Термостойкость определяли методом вертикального погружения нагретых образцов стекла в холодную воду. При испытании кромок реза остальные торцы были закрыты. При определении термостойкости поверхности стекла, все торцы испытываемого образца были закрыты с целью исключения влияния края.

Как видно из таблицы 2, самую низкую термостойкость имеют образцы с открытой кромкой механического реза. Как уже отмечалось, кромки механического реза для проведения данных испытаний получены при соблюдении оптимальных параметров раскроя, в противном случае (при наличии грубых щербин и сколов) термостойкость снижается до 80°С.

Термостойкость образцов стекла с открытой кромкой лазерного реза находится на уровне термостойкости поверхности. Причем, при испытании образцов с открытой кромкой механического реза разрушение начиналось со стороны реза. При испытании же кромки лазерного реза разрушение начиналось с гладкой кромки, кромка реза оставалась неповрежденной.

Таким образом, термостойкость листового стекла с краем, полученным в результате раскроя его лазером как минимум на 20 - 30 % выше, чем с краем, полученным в результате механического раскроя, что особенно важно для теплопоглощающего стекла.

Проведенные исследования показали, что применение лазерного раскроя движущейся ленты стекла позволит снизить влияние краевого эффекта и обеспечит ему ряд преимуществ перед традиционным механическим раскроем, главными из которых являются:

1. Отсутствие повреждения поверхности листов стекла стеклянной стружкой.

2 Снижение брака стекла при резке.

3. Снижение боя при транспортировании листов стекла.

4. Возможность упрочнения листового стекла в процессе его производства.

5. Облегчение процесса подготовки листов стекла перед нанесением на его поверхность пленочных покрытий.

6. Снижение производственного риска, связанного с применением керосина.

7. Исключение операции механической обработки края листов.

8. Повышение надежности конструкционных изделий из листового стекла.

Таким образом, применение лазерной резки для раскроя листового стекла в процессе его непрерывного производства имеет несомненное преимущество перед механической резкой за счет повышения прочности и термостойкости края готовых листов стекла.

3. Разработка технологии резки изделий оптического приборостроения по криволинейному контуру методом ЛУТ.

Сразу после появления метода ЛУТ последовали попытки его использования для вырезки из листового стекла изделий со сложным криволинейным контуром. Однако, как уже отмечалось выше, при переходе к криволинейной траектории возникает ряд изменений в условиях процесса ЛУТ, которые необходимо учитывать для обеспечения надежности и качества процесса. Установлено, что уменьшение длины лазерного эллиптического пучка обеспечивает снижение ширины зоны нагрева на криволинейных участках траектории резки. С другой стороны, уменьшение длины пучка приводит к снижению скорости ЛУТ. При этом с уменьшением радиуса окружности криволинейного контура влияние длины пучка на параметры ЛУТ увеличивается.

Поэтому наиболее рациональным решением проблем ЛУТ изделий с криволинейным контуром является использование специальной оптики или сканирующих устройств, обеспечивающих форму пучка, повторяющую контур резки. Использование лазерного пучка, повторяющего форму контура, обеспечивает оптимальные условия ЛУТ. В первую очередь, обеспечивается сохранение оптимальной ширины зоны нагрева на всех участках траектории относительного перемещения лазерного пучка и материала. При этом скорость ЛУТ на всех участках остается постоянной.

Вторым условием ЛУТ по криволинейному контуру является согласование положение пятна хладагента относительно лазерного пучка и траектории перемещения. Это означает, что в любой точке криволинейного контура резки пятно хладагента должно повторять траекторию перемещения лазерного пучка. Для достижения такой задачи следует использовать поворотную оптическую головку с закрепленной форсункой для подачи хладагента, которая будет описана в Главе 5.

Выполненные работы позволили оптимизировать режимы процесса лазерного управляемого термораскалывания по криволинейному контуру и внедрить процесс ЛУТ в производство.

В ряде случаев возникает необходимость притупления кромок, например, с помощью алмазно-абразивного инструмента. Это приводит к тому, что изделия с повышенными прочностными характеристиками после дополнительной операции притупления кромки (или снятия фаски, как обычно принято называть эту технологическую операцию), теряют свое преимущество в прочности.

В настоящей работе были проведены исследования возможности использования метода лазерного управляемого термораскалывания для получения заданной формы фацетов и кромок.

При подаче хладагента в зону нагрева стекла лазерным пучком симметрично относительно линии нагрева траектории термораскалывания возникает разделяющая микротрещина заданной глубины, ориентированная перпендикулярно к поверхности стекла.

В данной работе были исследованы условия образования наклонной микротрещины, формирующей фацет кромки стеклоизделий с повышенными прочностными характеристиками.

Образование наклонной микротрещины может быть достигнуто за счет асимметричного распределения термоупругих напряжений, вызывающих термораскалывание материала. Это же может быть обеспечено следующими приемами. Во-первых, при нагреве поверхности стекла лазерным пучком, ориентированным большой осью под углом к траектории термораскалывания, происходит возникновение термонапряжений, распределение которых несимметрично относительно линии разделения стекла. Во-вторых, при подаче хладагента с некоторым смещением относительно линии реза тоже может образоваться наклонная микротрещина. После разламывания пластины получаем заготовку детали с фацетом кромки. Увеличить асимметрию распределения напряжений можно сочетанием обоих перечисленных факторов.

В работе исследовали зависимость ширины и высоты наклонной трещины от величины смещения положения хладагента относительно линии термораскалывания (Рис. 13а) и скорости термораскалывания (Рис. 136).

$, мм

б, ММ

> /

/

/ V

0,8

0,4

V, мм(сек

Рис. 13. Зависимость ширины наклонной трещины Б от смещения положения хладагента В (а) и скорости термораскалывания (б).

На рис. 14 показаны фотографии некоторых кромок при различных положениях хладагента относительно линии нагрева траектории термораскалывания. ________

Рис. 14. Фотографии кромок стекла после лазерного управляемого термораскалывания с образованием заданного профиля кромки.

Выполненные исследования показали возможность осуществления лазерного термораскалывания стекла по заданному контуру с одновременным образованием определенной формы фацета в одном технологическом цикле.

Четвертая глава посвящена разработке и внедрению технологии резки различных анизотропных материалов методом ЛУТ. Были разработаны технологические процессы ЛУТ приборных пластин из арсенида галлия, кремния, сапфира и других анизотропных материалов.

Принципиальным отличием процесса ЛУТ указанных материалов по сравнению со стеклом является существенное отличие их теплофизических свойств, и в первую очередь, коэффициентов теплопроводности и линейного температурного расширения. Это накладывает очень жесткие ограничения на параметры лазерного пучка и технологические режимы процесса. Поскольку теплопроводность сапфира в 25, у арсенида галлия в 55, а у кремния в 150 раз выше, чем у стекла, то для достижения необходимых градиентов температур следует увеличить плотность мощности лазерного излучения на поверхности материала, а также относительную скорость перемещения лазерного пучка и материала.

Еще одной особенностью процесса резки приборных пластин является миниатюрность получаемых кристаллов, составляющих 100 - 300 мкм, и недопустимость чрезмерного температурного воздействия на структуры приборов, сформированных в непосредственной близости от линии резки.

Все это накладывает жесткие ограничения на оптическую фокусирующую систему.

На основании полученных данных определены оптимальные параметры технологических режимов прецизионного разделения методом лазерного управляемого термораскалывания тонких приборных пластин на основе подложек из арсенида галлия (рис.15), кремния (рис.16) и сапфира (рис.17).

Рис. 15. Зависимость скорости термораскалывания подложки арсенида галлия от толщины (а) и мощности лазерного излучения (б).

Рзф, Вг

Рис. 16. Зависимость скорости термораскалывания подложки кремния от толщины (а) и мощности лазерного излучения (б).

Рис. 17. Зависимость скорости термораскалывания подложки сапфира от толщины (а) и мощности лазерного излучения (б).

Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛУТ различных типов хрупких неметаллических материалов, используемых в производстве приборных пластин, позволившая оптимизировать режимы процесса лазерного разделения. Это обеспечило получение наиболее высоких

результатов в резке приборных пластин на кристаллы по производительности процесса и качеству изделий (рис. 18).

Рис. 18. Фотографии кристаллов СИД после резки методом ЛУТ.

Еще одной особенностью ЛУТ анизотропных материалов заключается в необходимости изменения режимов резки в различных направлениях относительно кристаллографической ориентации.

Задача решается за счет того, что нагрев линии реза необходимо осуществлять дифференцировано в зависимости от направления резки относительно кристаллографической ориентации материала, при этом изменение нагрева следует производить пропорционально коэффициенту линейного термического расширения. Этого можно добиться следующими способами:

- изменением скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала;

- изменением мощности лазерного излучения;

- изменением плотности мощности лазерного излучения, которое в свою очередь достигается изменением размеров пучка или мощности излучения.

При этом соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения в зависимости от изменения значения коэффициента линейного термического расширения материала следует выбирать из условия:

Р-1)"1 = к-^1, где: Р - мощность лазерного излучения, Вт;

и - скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала, мм/сек; X - коэффициент линейного термического расширения материала, °С"'; к - коэффициент пропорциональности, Дж/мм-°С.

На рис. 19 показана схема осуществления процесса лазерного управляемого термораскалывания путем образования несквозного надреза глубиной й с помощью лазерного пучка и хладагента в анизотропном материале при разных направлениях резки относительно оси симметрии С.

Рис. 19. Схема осуществления процесса лазерного управляемого термораскалывания анизотропной пластины 1 с осью симметрии С, где: 1 - пластина с осью симметрии С; 2 - лазерный пучок;

3 - хладагент; 4 - микротрещина глубиной б.

Основным параметром материала, влияющим на режимы термораскалывания, является коэффициент линейного термического расширения. Известно также, что этот параметр существенно изменяется в анизотропных материалах в зависимости от кристаллографической ориентации. Например, коэффициент линейного термического расширения монокристаллического кварца в направлении, параллельном оси С, равен = 90-Ю"7 °С~', а в направлении, перпендикулярном оси С, равен 148-Ю"7 °С"'. С учетом такого существенного отличия этого параметра в зависимости от ориентации кристалла при резке в различных направлениях необходимо осуществлять дифференцированный нагрев, обеспечивающий создание контролируемых разрушающих термических напряжений в каждом направлении ориентации. Это может быть обеспечено либо увеличением в 1,6 — 1,8 раза скорости резки г>± в направлении, перпендикулярном оси С, по сравнению со скоростью резки иц в направлении, параллельном оси С, либо соответствующим уменьшением мощности или плотности мощности лазерного излучения. В частности, экспериментально было установлено, что скорость резки кварцевой пластины толщиной 0,6 мм в направлении, перпендикулярном оси С, составляет = 700 мм/сек, а в направлении, параллельном оси С, составляет иц= 400 - 440 мм/сек при постоянной мощности лазерного излучения Р = 50 Ватт. На рис. 20 показана зависимость скорости ЛУТ кварца от мощности лазерного излучения в зависимости от ориентации.

Более сложно осуществлять учет влияния анизотропии материала на режимы термораскалывания при резке по криволинейному контуру, в частности, при резке дисков. Например, у кварца ось С является осью симметрии третьего порядка, то есть свойства кристалла симметричны относительно поворота на 120° (рис. 21).

Кварц 0.2 тш

О 20 40 «I за 103 120

Мощность Излучения, V/

Рис. 20. Зависимость скорости ЛУТ от мощности лазерного излучения при резке в перпендикулярном направлении (_|_) и в параллельном направлении (||) относительно оси С, ориентация пластины 1120.

Поэтому при резке дисков мощность лазерного излучения или скорость резки необходимо изменять непрерывно через каждые 120° в течение всего цикла резки. Это означает, что при каждом повороте на 120° скорость должна измениться от своего максимального значения до минимального значения и опять достичь максимума.

Была выполнена работа по созданию технологии и оборудования для лазерной вырезки дисков различного диаметра из кварцевых пластин, полученных после распиловки блоков, взамен их алмазного округления. Применение данного оборудования позволило резко повысить производительность процесса и качество получаемых дисков. Кроме того,

новая технология позволила исключить операцию предварительного шлифования заготовок после распиловки перед алмазным округлением, так как исходная геометрия заготовки не влияет на качество и точность лазерной резки.

Глава пятая диссертации посвящена разработке основных принципов конструирования и создания на базе этих принципов специализированного технологического оборудования для лазерной обработки оптических деталей.

Для реализации общей концепции создания оборудования лазерной резки монокристаллических пластин на кристаллы разработана блок-схема, представленная на рис. 22.

0

20

г

10 11

19

I '. I

12

14

15

16

17

18

1 - лазер; 11 - объектив;

2 - блок питания; 12 - привод нанесения дефекта;

3 - оптический преобразователь; 13 - форсунка;

4 - поворотное зеркало с контролем мощности; 14 - подложка;

5 - заслонка; 15 - вакуумный столик;

6 - пневмоцилиндр; 16 - координатный стол, ф- привод;

7 - поглотитель; 17 - координатный стол, Х- привод;

8 - поворотное зеркало; 18 - координатный стол, У- привод;

9 - видеокамера; 19 - компьютер с платами управления;

10 - г-привод; 20 - контроллер Х,У,г, ф- приводов;

Рис. 22. Блок-схема промышленной установки для лазерного управляемого

термораскалывания.

Рассмотрены особенности конструирования технологического оборудования для резки однослойных дисплейных PDP панелей и двухслойных крупногабаритных LCD панелей. В последнем случае необходимо решать задачу одновременной резки и докалывания панели с двух сторон.

На Рис. 23 представлена схема, а на рис.24 показан общий вид такой установки. Она включает два лазера, поворотные зеркала, два подвижных режущих модуля, состоящих из фокусирующей оптики, механизмов создания первичных концентраторов напряжений, механизмов подачи хладагента. Кроме того, для обеспечения одновременного докалывания двухслойной дисплейной панели относительно микротрещины в одном технологическом цикле в установке используется два специальных устройства.

Рис. 23. Схема лазерной двулучевой установки дли резки двухслойных дисплейных панелей, где: 1 - поворотные зеркала; 2 - СОг-лазер для резки нижней поверхности панели; 3 - С02-лазер для резки верхней поверхности панели; 4, 5 - фокусирующие объективы; 6 - двухслойная дисплейная панель; 7, 8 - Z-пpивoдa верхнего и нижнего объектива соответственно; 9 - нижний подвижный режущий модуль.

Рис. 24. Общий вид установки для резки плоских двухслойных дисплейных панелей 7-го поколения, где: 1 - основание установки; 2 — X-привод; 3 - верхний С02-лазер; 4 - поворотные зеркала; 5 - подвижный верхний режущий модуль; 6 — вакуумный стол для фиксации панели; 7 — У-привод; 8 - подвижный нижний режущий модуль; 9 - нижний С02-лазер.

Разработана конструкция и изготовлена универсальная технологическая установка для резки приборных пластин из различных материалов, содержащая два лазера с различной длиной излучения и две оптические фокусирующие системы. На рис. 25 представлена оптическая схема и общий вид такой установки.

В данной установке используются два лазера с различной длиной волны (С02-лазер ИЛГН-708 мощностью 50 Вт и полупроводниковый лазер мощностью 250 Вт) и два независимых оптических тракта. Основные технические характеристики установки:

- ширина реза равна нулю;

- минимальный размер отрезаемого чипа - 0,03 мм;

- толщина приборной подложки - 0,09 -0,43 мм;

- скорость резки - 100 - 700 мм/сек;

- время резки 2-х дюймовой пластины на чипы СИД - менее 2 минут;

- процент выхода годных - 99%;

- используемые лазеры: С02-лазер мощностью 50 Вт и полупроводниковый лазер мощностью 250 Вт;

- размер установки - 1700 х 800 х 750 мм;

- масса установки - 200 кг;

- потребляемая мощность - 1,5 КВт.

пол> проводниковый потер

СОг-ппэср К= 10,6 шаг

фокуи фующне

OObtítCIlLBU

приборная пласпшя

Рис. 25. Оптическая схема и общий вид универсальной установки для разделения приборных пластин из различных материалов на кристаллы.

В результате выполненных фундаментальных исследований по резке полупроводниковых подложек и на основании опыта, полученного в ходе разработки и изготовления опытных установок, впервые была разработана и изготовлена первая промышленная установка РТ-350 для резки полупроводниковых пластин методом ЛУТ (Рис. 26).

Рисунок 26. Общий вид установки РТ-350.

В установке использован специально разработанный немецкой компанией "LIMO GmbH" полупроводниковый лазер с длиной волны излучения X = 808 нм со встроенной оптической системой фокусировки излучения LIMO 450-L4.3x0.05-SL808-EX725. Этот лазерный модуль имеет уникальные

■

характеристики сфокусированного излучения. На Рис. 27 приведен профиль лазерного пучка, имеющего вид вытянутого эллипса с осями 2а х 2Ь = 4,3 х 0,095 мм2 по уровню интенсивности 1/е2 от максимального значения. Это означает, что расходимость излучения в направлении короткой оси эллипса не превышает 1,7 Л0"3 радиан, что является рекордным значением для мощных полупроводниковых лазеров (типичная расходимость излучения более 10 * 103 радиан). а,™,-™,™»

а)

б)

— . _ ... 1 —

— - — — —

■ ; ----— 1

35С0

рлсспишк- 1у1

Интенсивность, о-

Рис. 27. Измеренное распределение интенсивности лазерного излучения фокальной плоскости в двух направлениях.

Основными преимуществами метода лазерного управляемого термораскалывания при резке полупроводниковых подложек являются:

экономия (при прочих равных условиях) до 30% количества получаемых приборных кристаллов;

повышение производительности в 2,5 - 3 раза по сравнению с лазерным скрайбированием и в 100 раз по сравнению с механическим разделением;

- улучшение функционально-стоимостных и эксплуатационных параметров приборов за счет повышения качества кристаллов;

- исключение дополнительных операций разламывания и очистки; высокая чистота процесса разделения, возможность его проведения в «чистых комнатах».

Помимо резки приборных пластин на кристаллы получены хорошие результаты при резке пластин из кремния и арсенида галлия по окружности. В частности, в кремниевых пластинах толщиной от 100 мкм до 1 мм была опробована резка дисков с минимальным диаметром от 10 мм.

В заключении обобщены основные результаты исследований автора в области лазерной обработки деталей оптического приборостроения, микро - и оптоэлектроники, на основании которых

сформулированы основные выводы:

1. Впервые разработан комплекс новых высокоэффективных технологий и оборудования для лазерной обработки деталей оптического приборостроения, микро - и оптоэлектроники на основе метода лазерного управляемого термораскалывания.

2. Разработана математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания различных изотропных и анизотропных материалов, позволяющая производить расчеты температурных полей и полей термических напряжений и раскрыть феноменологический механизм зарождения и развития трещины в хрупком материале.

3. Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛУТ для различных типов хрупких неметаллических материалов, используемых в производстве изделий приборостроения, микро- и оптоэлектроники, позволившая оптимизировать режимы процесса лазерного разделения.

4. Обоснован выбор оптимальной модовой структуры лазерного излучения для процесса лазерного управляемого термораскалывания.

5. Впервые исследовано влияние анизотропии теплофизических и механических свойств различных монокристаллических материалов на параметры технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания. Разработана методика учета и компенсации анизотропии свойств обрабатываемого монокристалла за счет активного изменения технологических параметров резки в течение всего технологического цикла.

6. Получены новые научные данные, позволившие разработать технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания таких анизотропных материалов, как сапфир, кварц, кремний, арсенид галлия, карбид кремния и ряда других полупроводниковых материалов.

7. Разработана общая концепция построения специализированного технологического оборудования для прецизионной резки широкого класса многофункциональных материалов, включая резку приборных пластин на базе анизотропных материалов на кристаллы.

8. Разработаны и обоснованы критерии и требования к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования, в том числе, к источнику лазерного излучения, оптической фокусирующей системе и механизму подачи хладагента.

9. Разработан общий алгоритм и программно аппаратный комплекс управления данным оборудованием.

10. Создана и внедрена в производство серия специализированного технологического оборудования для лазерной обработки изделий и деталей оптического приборостроения, микро - и оптоэлектроники.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Монографии и учебники

1. Гиндин П.Д., Вельский A.B., Ковалев C.B., Савченко A.M., Соболев В.П. Лазерные наноматериалы и технологии: Монография. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. 221 с.

2. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д. Сварка кварцевого стекла: Монография. - М.: ИРВИ-Водолей, 2006.114 с.

3. Гиндин П.Д., Кондратенко B.C., Наумов A.C. Лабораторный практикум по курсу «Лазерное управляемое термораскалывание приборных пластин на кристаллы»: Учеб.- метод, пособие. - М.: Изд. МГУПИ, 2006.39 с.

4. Гиндин ПД. Компьютерное управление установками лазерной резки: Лабораторный практикум. - М.: Изд. МГУПИ, 2008.11 с.

5. Борисовский В.Е. Гиндин П.Д. Математическое моделирование: Лабораторный практикум. - М.: Изд. МГУПИ, 2008. 11 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

6. Kondratenko V., Tchernykh S., Gindin P. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // Physic Status Solid 7, 2232-2235 (2003)/DOl 10.1002/pssc.200303548.

7. Кондратенко B.C., Борисовский B.E., Гиндин П.Д., Сек-Джун Ли, Наумов A.C. Разработка технологии лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей И Приборы. 2005. № 4 (58). С.35 - 38.

8. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Сорокин A.B., Наумов A.C. Устройство контроля трещины в процессе лазерного управляемого термораскалывания стекла // Приборы. 2005. № 6 (60). С. 9 - 10.

9. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Седаева Н.Р., Наумов A.C. Лазерное притупление острых кромок изделий // Приборы. 2005. № 12(66). С. 37-41.

10. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е, Гиндин П.Д., Сорокин A.B., Наумов

A.C., Колесник В.Д., Черных С.П. Установка для лазерной резки приборных пластин // Приборы. 2006. № 4 (70). С. 38-43.

11. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Ежов В.П., Колесник

B.Д., Жималов А.Б. и др. Лазерная резка стекла в процессе выработки // Приборы. 2006. № 8 (74). С. 52-56.

12. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Наумов A.C., Борисовский В.Е. Новые технологии лазерной обработки деталей оптического приборостроения // Приборы. 2008. № 3 (93). С. 36-39.

13. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Борисовский В.Е., Колесник В.Д., Сорокин A.B. Российские высокие технологии в производстве приборов микро - и оптоэлектроники // Интеграл. 2008. № 6 (44). - С. 8-9.

14. Гиндин П.Д. Технология лазерного термораскалывания по криволинейному контуру // Интеграл. 2009. № 3 (47). С. 26-27.

15. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Трубиенко О.В., Hsu Muchi, Наумов А.С. Лазерное упрочнение кромки стекла // Оптический журнал. 2009. Том 76. № 11.2009. С. 79-83.

16. Kondratenko V.S., Gindin P.D., Trubienko О. К, Hsu Muchi, and A. Naumov. Laser strengthening of the edge of glass // Journal of Optical Technology. 2009. Vol. 76. Issue 11. P. 733-736.

17. Гиндин Л.Д. Новое оборудование для резки материалов приборостроения методом лазерного управляемого термораскалывания // Приборы. 2010. № 1 (115). С. 33-37.

18. Гиндин П.Д. Математическая модель термораскалывания хрупких анизотропных материалов // Поверхность. 2010. № 1. С. 14-18.

Материалы международных конференций

19. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Котляров Ю. В., Семашко В. И. Новая технология изготовления прецизионных дисков из стекла и стеклокерамики // Прикладная оптика - 2002: Тез. докл. V Междунар. конф. - Санкт-Петербург, 2002.

20. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д. Особенности лазерного управляемого термораскалывания анизотропных материалов // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез. докл. XIII Межд. конф. - Сочи, 2002.

21. Гиндин П.Д.. Кондратенко B.C., Коденко Н. М. Развитие трещины под действием упругой волны при лазерном управляемом термораскалывании // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез. докл. XIII Междунар. конф. -Сочи, 2002.

22. Гиндин П.Д., Котляров Ю.В., Кондратенко B.C., Семашко В.И. Новая технология изготовления прецизионных дисков из стекла и керамики // Прикладная оптика - 2002: Докл. Междунар. конф. - Санкт-Петербург, 2002.

23. Tchernykh S„.Kondratenko V., Gindin P. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // 5th International Conference on Nitride Semiconductors. Nara, Japan, May 25,2003.

24. Gindin P., Kondratenko V., Jae-Yong Jeong , Seak-Joon Lee. Laser cutting system for FPD Glass // 13th FPD Manufacturing Technology Expo & Conference "Finetech Japan". Tokyo, Japan, July 2-4,2003.

25. Kondratenko V., Tchernykh S., Gindin P., Seak-Joon Lee, Kozhuchov I., Goncharov S. Laser controlled thermocracking process mathematical model // Лазеры в науке, технике, медицине : Тез. докл. XIV Междунар. конф. Адлер, 15-19 сентября 2003 г.

26. Kondratenko V., Tchernykh S„ Gindin P. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез. XIV Междунар. конф. Адлер, 15-19 сентября 2003 г.

27. Kondratenko V., Gindin P., Jae-Yong Jeong, Seak-Joon Lee. Russian-Korean laser cutting system for LCD Glass // Лазеры в науке, технике, медицине:

Тез. XIV Междунар. конф. Адлер, 15-19 сентября 2003 г.

28. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д. Лазерное притупление кромок // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез. XIV Междунар. конф. Адлер, 15-19 сентября 2003 г.

29. Kondratenko V., Acker S„ Weisser J. Laser technological system for glass cutting // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез. XIV Междунар. конф. Адлер, 15-19 сентября 2003 г.

30. Kondratenko V., Tchernykh S., Gindin P. Laser thermal-cleaving technology for precise cut of silicon and sapphire wafers // Abstracts of Market Seminar SEMI Expo CIS 2003. Moscow, September 29,2003.

31. Acker S., Kondratenko V., Gindin P. Laser technological system for ceramic cutting // JENOPTIK Laser Forum. Jena, Germany, October 1,2003.

32. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Черных С.П., Наумов A.C. Разделение приборных пластин на сапфировой основе на кристаллы методом лазерного управляемого термораскалывания // Фотоэлектроника и приборы ночного видения: Тез. докл. XVIII Междунар. конф. - Москва, 2004.

33. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Черных С.П., Наумов A.C. Лазерное управляемое термораскалывание приборных пластин на основе кремния и арсенида галлия // Фотоэлектроника и приборы ночного видения: Тез. докл. XVIII Междунар. конф. - Москва, 2004.

34. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Данилин В.Н., Жукова Т.А., Черных С.П., Наумов A.C. Разделение на чипы приборов на основе широкозонных полупроводников методом лазерного управляемого термораскалывания // Нитриды галлия, индия и алюминия: Матер. 3-й Всерос. конф. - М.: МГУ, июнь 2004 г.

35. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Черных СЛ., Наумов A.C. Разделение приборных пластин на кристаллы методом лазерного управляемого термораскалывания // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Тез. докл. XVIII Междунар. науч.-техн. сем. Алушта, 16-20 сентября 2004 г.

36. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Сек-Джун Ли, Черных СЛ., Наумов A.C. Математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания // «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права: Тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф. Сочи, 1-5 октября 2004 г. С. 98 - 103.

37. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Борисовский В.Е., Наумов A.C. Лазерное параллельное термораскалывание хрупких неметаллических материалов // Приборинформ-2005: Тез. Междунар. науч.-техн. конф.-Тунис, 2005.

38. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Черных СЛ., Наумов A.C. Разделение подложек из сапфира, кремния и арсенида галлия со сформированными на них оптоэлектронными приборами // Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Тунис, 9-16 октября 2005 г. Т. И. С. 7 - 10.

39. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Черных С.П., Наумов A.C. Разработка технологии изготовления корпусов для светодиодов с применением метода лазерного управляемого термораскалывания// Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Тунис, 9-16 октября 2005 г. Т. II. С. 11 - 13.

40. Айзенштат С.Д., Бобков A.B., Гиндин П.Д., Ежов В.П., Колесник В.Д., Кондратенко B.C., Котляров Ю.В., Носачев И.В., Терашкевич ИМ., Черных С.П. Новая технология утонения приборных пластин // Приборинформ-2005: Тез. Междунар. науч.-техн. конф. - Тунис, 2005.

41. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Ежов В.П., Колесник В.Д., Наумов A.C., Сорокин A.B. Повышение качества и надежности процесса ЛУТ за счет активного контроля развития трещины // Приборинформ-2005: Тез. Междунар. науч.-техн. конф. - Тунис, 2005.

42. Борисовский В.Е., Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Наумов A.C. Оптимизация процесса ЛУТ дисков различного диаметра // Приборинформ-2005: Тез. Междунар. науч.-техн. конф. - Тунис, 2005.

43. Борисовский В.Е., Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Наумов A.C. Новая технология снятия фасок с помощью лазерного излучения // Приборинформ-2005: Тез. Междунар. науч.-техн. конф. - Тунис, 2005.

44. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Котляров Ю.В., Черных С.П., Наумов A.C. Подготовка подложек из сапфира, кремния и арсенида галлия для эпитаксиального выращивания на них гетероструктур оптоэлектронных приборов // Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Тунис, 9-16 октября 2005 г. Т. II. С. 14.

45. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Котляров Ю.В., Черных С.П., Наумов A.C. Утонение подложек из сапфира, кремния и арсенида галлия со сформированными на них оптоэлектронными приборами // Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Тунис, 9-16 октября 2005 г. Т. II. С. 15 - 16.

46. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Кондратенко A.B., Черных С.П., Наумов

A.C. Современные тенденции на рынке приборов на основе подложек из сапфира, кремния и арсенида галлия // Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Тунис, 9-16 октября 2005 г. Т. П. С. 17.

47. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Ежов В.П., Колесник

B.Д., Аблязов К.А., Жималов А.Б., Солинов В.Ф., Файстель У., Аккер Ш. Внедрение лазерной резки флоат-стекла в процессе выработки // Стеклопрогресс - XXI: Сб. трудов III Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 22-25 мая 2006 г.

48. Аккер Ш„ Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Жималов А.Б., Колесник В.Д., Солинов В.Ф., Файстель У. Конструкция промышленной установки

лазерной резки флоат-стекла // Стеклопрогресс - XXI: Сб. трудов III Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 22-25 мая 2006 г.

49. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д. Особенности процесса ЛУТ кварцевого стекла // Информационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. Египет, 12-19 ноября 2006 г. - М.: МГУПИ, 2007. С. 72-74.

50. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Гундяк В.И., Зинин A.C., Наумов A.C. Оптимизация режимов ЛУТ по криволинейному контуру // Информационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов меяедунар. науч.-техн. конф. Египет, 12-19 ноября 2006 г. -М.: МГУПИ, 2007. С. 66-71.

51. Гиндин П.Д., Кондратенко B.C., Борисовский В.Е. О термораскалывании анизотропных хрупких материалов // Информационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. Египет, 12-19 ноября 2006 г.-М.: МГУПИ, 2007. С. 60-65.

52. Борисовский В.Е., Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Колесник В.Д., Наумов A.C., Сорокин A.B., Стародубцева Л.Ф., Ханов С.Г. Установка для резки сверхтонких стекол // Информационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. Египет, 12-19 ноября 2006 г. - М.: МГУПИ, 2007. С. 88-93.

53. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Наумов A.C. Новые технологии лазерной обработки оптических деталей // Информационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. Турция, 16-19 ноября 2007 г. - М.: МГУПИ, 2007.

54. Гиндин П.Д. Новые технологии в производстве оптоэлектронных приборов // Фотоника - 2008: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Новосибирск, 21-23 мая 2008 г.

55. Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Наумов A.C., Сюй Тунг Минг, Сюй Чи Вай Пери. Новая технология лазерного притупления острых кромок изделий из стекла // Стеклопрогресс - XXI: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 27-30 мая 2008 г.

56. Гиндин П.Д. Лазерное разделение приборных пластин на кристаллы в оптоэлектронике // «Фотоника - 2008».: Сб. трудов XX трудов Междунар. науч.-техн. конф. Москва, 27-30 мая 2008 г.

57. Гиндин П. Д., Кобыш Н.И., Кондратенко B.C., Трубиенко О.В., Наумов A.C., Илюхин С.А. Влияние способов обработки кромки стекла на прочность изделия // Инновационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Тунис, 12-19 октября 2008 г. - М.: МГУПИ. 2009. - С.

58. Гиндин П.Д., Борисовский В.Е., Кондратенко B.C. Нарезание канавок на поверхности хрупкого материала методом лазерного управляемого термораскалывания // Инновационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Тунис, 12-19 октября 2008 г. - М.: МГУПИ. 2009. - С.

59. Гиндин П.Д., Борисовский В.Е., Кондратенко B.C., Наумов A.C., Миленин П.П., Сердюков С.Н., Грузиненко В.Б., Медведев A.B. Нанотехнологии в производстве изделий пьезотехники // Инновационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Тунис, 12-19 октября 2008 г. - М.: МГУПИ. 2009. - С.

60. Гиндин П.Д., Кондратенко B.C., Колесник В.Д., Наумов A.C., Сорокин A.B. Установка для лазерной резки стекла РТ-500 // Инновационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Египет, 14-21 ноября 2009 г. - М.: МГУПИ. 2009. - С. 7.

61. Гиндин П.Д., Кондратенко B.C., Колесник В.Д., Сорокин A.B. Установка для лазерной резки полупроводниковых пластин РТ-350 // Инновационные технологии в науке, технике и образовании: Сб. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Египет, 14-21 ноября 2009 г. - М.: МГУПИ. 2009.-С. 6.

Статьи

62. Kondratenko К, Tchernykh S„ Gindin P. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // Светодиоды и лазеры. 2003. № 1-2.

63. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д. Лазерная сварка кварцевого стекла с глубоким проплавлением // Вестник МГУПИ. -Москва, 2006. №5. С. 13-22.

64. Борисовский В.Е., Кондратенко B.C., Гиндин П.Д. Разработка и внедрение технологии лазерной резки флоат-стекла // Вестник МГУПИ. -Москва, 2006. № 7.

65. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Наумов A.C. Лазерное технологическое оборудование для резки приборных пластин из различных материалов // Вестник МГУПИ. - Москва, 2006. № 7.

66. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Файстель У., Аккер Ш., Сек-Джун Ли. Лазерные технологии и опыт их внедрения // Науч.- практ. сборник : Приложение к бгал. «Лазер-Информ». Москва. 2004.

67. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Ивченко В.Д., Гукетлев Ю.Х., Солинов В.Ф. и др. Разработка и промышленное внедрение новых высокоэффективных технологий и оборудования для обработки стекла и других хрупких неметаллических материалов // Материалы Премии Правительства Российской Федерации, 2005.

Материалы конференций

68. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Котляров Ю. В., Семашко В. И. Технология и оборудование для изготовления прецизионных дисков из стекла для жестких накопителей / Тез. сем. РАВ по состоянию и приоритетным направлениям развития технологии производства оптико-электронных приборов и систем. - Санкт-Петербург, 2002.

Патенты РФ

69. Пат. 2224648 РФ. Способ резки хрупких неметаллических материалов / Кондратенко B.C., Гиндин П. Д. Заявл. № 2002123517 от 03.09.2002; Опубл. 2004.

70. Пат. 2313854 РФ. Способ изготовления фотодиода на антимониде индия /Гиндин П.Д., Астахов В.П., Ежов В.П., Карпов В.В., Соловьева Г.С. Заявл. № 2006130235 от 22.08.2006; Опубл. 27.12.2007; Бюл. №36.

71. Пат. 2313853 РФ. Способ изготовления фотодиодов на антимониде индия / Астахов В.П., Гиндин П.Д., Ежов В.П., Карпов В.В., Крапухин В.В., Мануйлова Л.К.. Заявл. № 2006133620 от 20.09.2006; Опубл. 27.12.2007; Бюл. №36.

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано к печати 24.12.2009 г. Формат 60 х 84. 1/16 Объем 1,0 п.д. Тираж 100 экз. Заказ № 202

Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики 107846, Москва, ул. Стромынка, 20

71 11-5/114

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

ГИНДИН ПАВЕЛ ДМИТРИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ, МИКРО - И

ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения (технические)

Научный консультант:

д.т.н., профессор Кондратенко В. С.

Президиум ВАК России

(решение от "Ж" /О ят г.,№ присудил ученую степень ДОКТОРА

ТШ!_наук

ачальник управления ВАК России

Москва-2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................................................. 5

Глава 1. Основные методы размерной резки хрупких неметаллических материалов, используемых в приборостроении, микро - и оптоэлектронике (обзор)............................................. 9

1.1. Методы механической резки.......................................... 9

1.1.1. Резка стекла в процессе выработки......................... 9

1.1.2. Резка стекла в производстве дисплейных панелей...... 19

1.1.3. Основные методы механической резки приборных пластин на кристаллы.......................................... 23

1.2. Лазерное скрайбирование............................................. 31

1.3. Разделение на чипы при помощи лазера со световодной

струёй..................................................................... 40

1.4. Лазерное термораскалывание......................................... 43

1.4.1. Сквозное лазерное термораскалывание хрупких материалов....................................................... 43

1.4.2. Термораскалывание стеклянных трубок под

действием лазерного излучения.............................. 57

1.4.3. Термораскалывание с помощью твердотельного

лазера на YAG: Nd.............................................. 68

1.4.4. Другие методы термораскалывания стекла............... 69

1.4.5. Анализ процесса сквозного лазерного термораскалывания............................................. 70

Глава 2. Математическая модель процесса ЛУТ хрупких неметаллических материалов.................................................... 72

2.1. Температурные поля при лазерном нагреве и последующем охлаждении хрупкого материала.................................... 73

2.2. Влияние прогрева пластины на термонапряжения в

процессах ЛУТ....................................................................................................................83

2.3. Особенности процесса ЛУТ по криволинейному контуру............85

2.4. Температурные напряжения при ЛУТ тонких пластин..................91

2.5. Термоупругие напряжения в процессе лазерного управляемого термораскалывания (3D задача)....................................94

2.6. Управляемое термораскалывание анизотропных материалов 102 Глава 3. Разработка и внедрение технологии лазерного управляемого термораскалывания стекла и керамики в производстве изделий и деталей в приборостроении, микро- и оптоэлектронике......................................109

3.1. Основы метода ЛУТ стекла и других хрупких неметаллических материалов................................................................................109

3.1.1. Физическая модель процесса ЛУТ......................................................109

3.1.2. Основные факторы, определяющие параметры

процесса лазерного управляемого термораскалывания 111

3.1.3. Влияние оптических и теплофизических свойств материала на выбор параметров технологического процесса ЛУТ........................................................................................................112

3.1.4. Требования, предъявляемые к выбору параметров лазерного излучения для ЛУТ различных материалов 121

3.2. Исследования и разработка технологического процесса резки листового стекла и других изотропных материалов методом ЛУТ........................................................................................................................122

3.3. Лазерная резка флоат-стекла в процессе выработки..........................134

3.4. Резка стекла для плоских дисплейных панелей......................................146

3.5. Особенности процесса ЛУТ по криволинейному контуру............153

3.6. Притупление кромок с помощью лазерного излучения..................160

Глава 4. Разработка и внедрение технологии резки анизотропных

материалов методом ЛУТ..................................................................................................................186

4.1. Особенности процесса лазерного управляемого термораскалывания анизотропных материалов.................. 186

4.2. Оптимизация технологических режимов лазерного управляемого термораскалывания некоторых анизотропных материалов............................................................... 189

4.2.1. Монокристаллический кварц................................. 189

4.2.2. Сапфир............................................................ 197

4.2.3. Кремний и арсенид галлия.................................... 201

Глава 5. Разработка специализированного технологического оборудования для лазерной обработки деталей оптического приборостроения................................................................... 204

5.1. Общая концепция и требования к конструкции оборудования для резки подложек из хрупких неметаллических материалов методом ЛУТ...................... 204

5.2. Серия специализированного технологического оборудования для резки плоских дисплейных панелей......... 206

5.3. Лазерная резка приборных пластин на чипы для СИД.......... 212

5.4. ЛУТ тонкого стекла..................................................... 218

Выводы................................................................................ 226

Список литературы................................................................. 228

Приложение 1. Акты внедрения результатов диссертационных

исследований........................................................................ 245

Приложение 2. Проспекты, каталоги, информационные материалы и дипломы выставок.................................................................. 255

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена решению проблем в области производства деталей оптического приборостроения и деталей микро — и оптоэлектроники, а именно:

- высокоэффективной прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов;

- резки стекла для дисплейных панелей на модули;

- резки стекла в процессе выработки;

- резки изделий из стекла по криволинейному контуру;

- резки широкого класса анизотропных материалов, включая резку приборных пластин на кристаллы;

- получения изделий из стекла с заданной формой края с повышенными прочностными и эксплуатационными параметрами.

Актуальность работы связана с массовостью выпуска различных типов приборов и изделий оптического приборостроения, микро- и оптоэлектроники, ужесточением требований к их технико-экономическим и эксплуатационным параметрам и несовершенством существующих традиционных технологий их изготовления. Существующие традиционные технологии базируются на устаревших операциях резки с помощью алмазных дисков, твердосплавных или алмазных резцов, алмазных или лазерных скрайбирующих систем. В ряде случаев эти технологии достигли пределов своих возможностей, как с точки зрения повышения качества и точности обработки, так и с точки зрения себестоимости выпускаемой продукции.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки принципиально новых высокоэффективных технологических процессов прецизионного и безотходного разделения широкого класса многофункциональных материалов, используемых в

приборостроении, микро- и оптоэлектронике, а также необходимостью разработки и выпуска соответствующего оборудования для реализации этих новых технологий.

Разработанный в 80-ых годах профессором В. С. Кондратенко метод лазерного управляемого термораскалывания получил в последнее время широкое признание и распространение для прецизионной безотходной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов. К числу преимуществ этого метода следует отнести в первую очередь:

- высокая чистота процесса резки, связанная с безотходностью разделения материала методом лазерного управляемого термораскалывания;

- высокая механическая прочность изделия после лазерного управляемого термораскалывания;

- отсутствие механических нагрузок в зоне резки, исключающее деформацию и разрушение тонких крупногабаритных дисплейных панелей в процессе резки;

- высокая скорость резки различных материалов, достигающая 1000 мм/сек и более;

- высокая точность резки, составляющая 5-10 мкм на длине 500 мм;

- возможность сквозной резки в одном технологическом цикле.

Именно благодаря перечисленным преимуществам был сделан выбор

метода лазерного управляемого термораскалывания, как наиболее эффективного метода для резки плоских дисплейных панелей. Особое внимание было обращено на тот факт, что данный метод разделения материалов является безотходным, и таким образом может быть использован в особо чистых помещениях.

Однако для широкого использования метода лазерного управляемого термораскалывания при резке различных хрупких неметаллических материалов, в том числе анизотропных, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике, необходимо провести целый комплекс

теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили бы учесть особенности физико-механических свойств материалов и интегрировать новый технологический процесс резки и новое технологическое оборудование в существующий сложный технологический процесс изготовления современных высокотехнологичных приборов и изделий.

Целью данной работы является разработка новых высокоэффективных технологических процессов изготовления деталей для приборостроения, изделий микро - и оптоэлектроники, разработка и внедрение специализированного и автоматизированного оборудования и программ управления технологическими процессами.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать тенденцию развития современного рынка различных оптоэлектронных приборов, выявить основные недостатки существующих технологий и оборудования для разделения материалов и наметить пути их преодоления;

- провести теоретические исследования математической модели процесса ЛУТ для изотропных и анизотропных материалов, в том числе, по криволинейному контуру, а также экспериментально проверить правильность расчета температурных полей и полей термоупругих напряжений;

- определить влияние основных характеристик используемых материалов, и в первую очередь, их оптических и теплофизических характеристик на параметры технологических процессов прецизионной резки методом ЛУТ;

разработать общую концепцию и требования к конструкции оборудования для резки подложек из хрупких неметаллических материалов методом ЛУТ;

разработать общую концепцию и требования к конструкции оборудования для резки подложек из хрупких неметаллических материалов методом ЛУТ;

разработать алгоритмы и создать программное обеспечение для управления технологическим оборудованием для резки пластин методом ЛУТ;

разработать и внедрить серию специализированного технологического оборудования для резки широкого класса материалов, используемых в приборостроении, микро- и оптоэлектронике, для чего необходимо:

- произвести статистическую оценку качества получаемых изделий и приборов;

- произвести оценку эксплуатационных параметров лазерного разделения;

- разработать эксплуатационную документацию;

- исследовать качество и надежность получаемых приборов из опытных партий;

- установить связь между технологическими параметрами обработки и функционально-стоимостными характеристиками приборов.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ РЕЗКИ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ, МИКРО - И ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ

(ОБЗОР)

1.1. Методы механической резки

В настоящее время основным технологическим процессом механической стекла и многих других хрупких неметаллических материалов, включая резку стекла в процессе выработки, резки стеклянных дисплейных панелей, резки стеклянных изделий остекления транспортных средств, изделий остекления архитектурного назначения является резка с помощью твердосплавных роликов.

1.1.1. Резка стекла в процессе выработки

В настоящее время во всем мире основная доля высококачественного листового стекла всех номиналов толщиной от 1 до 20 мм вырабатывается с помощью непрерывного флоат-процесса, который отличается высокой производительностью и высоким качеством выпускаемой продукции. Резка непрерывной ленты стекла на заготовки осуществляется механически, с помощью твердосплавных роликов.

На заводах, производящих флоат-стекло, резка является первой технологической операцией при его переработке. Сначала отожженную непрерывно движущуюся ленту стекла режут на листы заданных размеров, которые отправляют потребителям как товарную продукцию или на внутреннюю промышленную переработку из больших листов вырезают изделия требуемых размеров и формы. Резка играет важную роль в экономике производства флоат-стекла, так как в значительной мере влияет на

уровень производственных потерь (отходы и бой стекла) и рентабельность предприятия.

В настоящее время процесс резки механизирован и автоматизирован, но в отдельных случаях применяют и ручную резку. Качество резки и точность заданных размеров изделий зависят от качества режущего инструмента, а при ручной резке - и от квалификации резчика.

Под резкой обычно понимают операцию, при которой путем местного воздействия острого инструмента изделие полностью делят на две части (например, при помощи ножа или ножниц). Для стекла в силу его хрупкости такие способы применять нельзя. Специфика раскроя стекла заключается в наличии в нем остаточных напряжений.

Остаточные торцевые напряжения в нормально отожженном флоат-стекле располагаются таким образом, что в поверхностных слоях находятся напряжения сжатия, а во внутренних - напряжения растяжения. Поэтому, чтобы разрезать стекло, необходимо нарушить напряжения сжатия по контуру вырезаемого изделия и создать условия для его разлома в строго определенном направлении.

Существуют различные способы резки стекла: с помощью лазера, плазмы, ультразвука, электрического тока, струи воды (гидроабразивная резка). Но самым распространенным способом в силу его простоты и доступности является механическая резка, которая заключается в том, что острым предметом клиновидной формы на поверхность стекла наносят надрез и затем путем изгибания производят разлом по этому надрезу [8-16].

Теоретические основы механической резки

При нанесении надреза на поверхности стекла остается след - так называемая линия реза, под которой образуется трещина, идущая вертикально вглубь (глубинная трещина), иногда ее называют медианной трещиной (рис. I). При этом важно, чтобы эта трещина достигла зоны

растяжения, тогда она легко растет дальше и способствует разлому стекла, так как напряжения растяжения способствуют разрушению.

Поверхностная

Линия реза

Глубинная Боковая трещина

Рис. 1. Схема образования трещин в стекле при нанесении реза

То есть резку необходимо вести так, чтобы получить трещину длиной, равной как минимум толщине сжатого слоя. Обычно в нормально отожженном стекле напряжения сжатия в приповерхностном слое составляют - 1/6 толшины стекла. Если глубинная трещина будет иметь недостаточную длину, стекло может не разломиться или разломится не по линии реза.

Сложность раскроя стекла заключается в том, что кроме глубинной, так называемой главной (полезной) трещины, при нанесении линии реза образуются боковые (вредные) трещины, которые при определенных условиях могут выходить на поверхность стекла с образованием поверхностных трещин. При этом может происходить отслаивание частичек стекла в виде отлетающей стружки и затруднение разлома по нанесенной линии реза. Это происходит в результате перераспределения напряжений в стекле: напряжения растяжения (разрушающие напряжения) из вершины глубинной трещины перемещаются в боковые трещины, а напряжения сжатия - наоборот. В зависимости от условий резки боковые трещины могут выходить на поверхность раньше или позже, происходит так называемое

«старение» реза. Поэтому, чем быстрее производят разлом стекла по линии реза, тем легче его осуществить.

До настоящего времени нет единого мнения о механизме образования трещин. В работах сотрудников ОАО «Саратовский Институт Стекла» (ОАО «СИС») и ряда зарубежных авторов показано, что зарождение трещины происходит в глубине стекла (после прохождения ролика), затем трещина прорастает вглубь стекла (в зону растягивающих напряжений), после чего скачком выходит на поверхность (рис. 2).

1 - след от стеклорежущего ролика: 2 - глубинная трещина;

3 — боковая трещина; 4 - «зеркальная» зона. Рис.2. Трещины в глубине стекла, 210х (фотография получена с помощью рентгеновского микроскопа «Супер Проба 733»).

Таким образом, механизм резки листового стекла заключается в образовании системы трещин, от соотношения размеров которых зависит качество раскроя.

Цель резки стекла - получение изделия, имеющего качественный край, то есть бездефектную кромку и гладкий блестящий торец с перпендикулярными поверхностями.

Достичь этого можно при соблюдении оптимальных параметров резки:

- характеристики стеклорежущего ролика, а именно: материала ролика, его размеров, угла заточки;

- давление ролика на сте