Технология лазерной иммерсионной обработки материалов

   Цели. Целью работы является разработка технологического процесса прецизионной лазерной резки хрупких материалов: стекла, полупроводниковых материалов и оптических материалов.

   Методы. Применение новых промышленных лазеров с коротким и ультракоротким импульсным излучением позволило создать новую технологию лазерной иммерсионной обработки материалов (ЛИОМ). В технологии ЛИОМ при воздействии на материал лазерного излучения с короткими и ультракороткими импульсами в контактной зоне материала с охлаждающей иммерсионной жидкостью формируется малоразмерная область, которая заполнена сверхкритическим флюидом, полученным в результате поглощения энергии лазерного излучения. Эта область располагает достаточно большой удельной энергией и в технологии ЛИОМ выполняет функцию теплового аккумулятора (ТА). При этом температурное воздействие на обрабатываемый материал продолжается и после завершения импульса лазерного излучения до самоликвидации ТА с превращением сверхкритического флюида в иммерсионную жидкость без образования газовой фазы.

   Результаты. Рассмотрены процессы взаимодействия импульсного излучения обрабатываемого материала и иммерсионной жидкости в контактной зоне с образованием сверхкритического флюида. Определены состав и свойства рабочего тела в зоне лазерного воздействия. Обосновано существование ТА, обеспечивающего интенсификацию процесса резки материала при одновременном снижении зоны термического воздействия. Интенсификация процесса резки материала в зоне ТА определяется как увеличением длительности теплового воздействия ТА на обрабатываемый материал, так и наличием в составе сверхкритического флюида высокоактивных атомарных и молекулярных соединений.

   Выводы. В результате проведенных исследований разработана новая технология ЛИОМ, позволяющая выполнять высокоэффективное лазерное сверление микроотверстий диаметром от 30 мкм, формирование отверстий произвольной формы и резов по криволинейным контурам как в хрупких оптически прозрачных материалах, так и в оптически непрозрачных материалах с высоким качеством кромки, гарантированной повторяемостью и высокой производительностью процесса резки.

1. Brusberg L., Queisser M., Neitz M., et al. CO₂-laser drilling of TGVs for glass interposer applications. In: 2014 IEEE 64^th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). May 2014. IEEE; 2014. doi: 10.1109/ECTC.2014.6897536

2. Brusberg L., Queisser M., Gentsch C., Schröder H., Lang K.-D. Advances in CO₂-Laser Drilling of Glass Substrates. Phys. Procedia. 2012;39:548–555. doi: 10.1016/j.phpro.2012.10.072

3. Hwang D.J., Choi T.Y., Grigoropoulos C.P. Liquid-assisted femtosecond laser drilling of straight and three-dimensional microchannels in glass. Appl. Phys. A. Mater. Sci. Process. 2004;79:605–612. doi: 10.1007/s00339-004-2547-8

4. Castillejo M., Ossi P.M., Zhigilei L. Lasers in Materials Science. Springer; 2016, 387 p.

5. Kondratenko V.S., Naumov A.S., Velikovskiy I.E. Immersion Laser Fabrication Method and System: Pat. Taiwan 107129739. Priority 27.08.2018.

6. Кондратенко В.С., Кадомкин В.В., Хунг-Ту Л., Наумов А.С., Великовский И.Э. Лазерное сверление микроотверстий в стекле. Стекло и керамика. 2020;2:3–7. https://elibrary.ru/jhemvt

7. Кондратенко В.С., Кадомкин В.В., Наумов А.С., Великовский И.Э. Cовременные технологии лазерной резки материалов микро- и оптоэлектроники. Оптический журнал. 2022;89(2):68–79. doi: 10.17586/1023-5086-2022-89-02-68-79

8. Кондратенко В.С., Кадомкин В.В., Хунг-Ту Л., Наумов А.С., Великовский И.Э. Технология лазерной иммерсионной обработки материалов. Приборы. 2020;4(238):1–8. https://elibrary.ru/mwkmhj

9. Кондратенко В.С., Кадомкин В.В., Хунг-Ту Л., Наумов А.С., Великовский И.Э. Механизм лазерной иммерсионной обработки стекла. Стекло и керамика. 2020;4:3–9. https://elibrary.ru/lxmsgm

10. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. M.: Изд-во МЭИ; 1999, 168 с. ISBN 5-7046-0397-1

11. Ерохин Б.Т., Богословский В.Н. Теория тепломассообменных процессов и проектирования систем запуска РДТТ. М.: Лидер-М; 2008, 384 с. https://elibrary.ru/qnvkdl

12. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.А. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания : справочник : в 6 т.; под ред. акад. В.П. Глушко. М.: АН СССР. Т. 1. Методы расчета. 1971, 266 c.

13. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справочное издание : в 4 т. Т. 1. Книга 1. Методы расчета. Вычисление термодинамических свойств. М.: Наука; 1978, 496 с.

14. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение; 1989, 458 с.

15. Белов Г.В., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем. М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана; 2013, 96 c.

16. Arai Y., Sako T., Takebayashi Y. Supercritical fluids: Molecular Interactions, Physical Properties and New Applications. Springer; 2002, 446 p.

17. Кондратенко В.С. Лазерная иммерсионная обработка материалов. Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия». 2025. № 1. https://elibrary.ru/tjevcl

18. Вакс Е.Д., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г. Практика прецизионной лазерной обработки. М.: Техносфера; 2013, 696 с. ISBN 978-5-94836-339-4

19. Orishich A., Shulyatyev V., Golyshev A., Malikov A. Thermophysical problems of laser cutting of metals. MATEC Web Conf. 2017;115:08004. doi: 10.1051/matecconf/201711508004

20. Miraoui I., Boujelbene M., Zaied M. High-Power Laser Cutting of Steel Plates: Heat Affected Zone Analysis. Adv. Mater. Sci. Eng. 2016;2016:1242565. doi: 10.1155/2016/1242565

21. Албагачиев А.Ю. Температурные остаточные напряжения при лазерной иммерсионной резке металлов. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2023;3:29–32. doi: 10.31857/S0235711923030033, https://elibrary.ru/ppydhc

22. Ретюхин Г.E., Школык С., Ланин В.Л. Многофункциональная установка лазерной обработки материалов и изделий микроэлектроники. Производство электроники. 2018;1:98–102. https://elibrary.ru/lrbrpy

23. Ланин В.Л., Петухов И.Б., Ретюхин Г.Е. Формирование отверстий в полупроводниковых материалах лазерной микрообработкой. Электронная обработка материалов. 2022;58(6):73–79. doi: 10.52577/eom.2022.58.6.73

24. Петухов И.Б., Ретюхин Г.Е., Ланин В.Л. Прецизионная лазерная обработка структур для сборки 2,5D- и 3D-интегрированных модулей. В сб.: Современные информационные и электронные технологии : Материалы Международной научно-технической конференции. Одесса, 24–28 мая 2021 г. 2021. С. 41–42.

25. Lanin V.L., Emel’yanov V.A., Petuhov I.B. Chapter 7. Technology for the Assembly and Mounting of Micromodules. Surf. Engin. Appl. Electrochem. 2024;60(3):408–453. doi: 10.3103/S1068375524700078

26. Lanin V.L., Emel’yanov V.A., Petuhov I.B. Chapter 8. Assembly and Mounting of Microwave Micromodules and Microblocks. Surf. Engin. Appl. Electrochem. 2024;60(3):454–462. doi: 10.3103/S106837552470008X