10.2.2. Лазерная технология

Лазерная технология – это совокупность способов обработки, изменения состояния, свойств и формы мате­риала или полуфабриката, осуществляемых посредством лазерного излучения. В большинстве процессов лазерной технологии исполь­зуется термическое действие света, вызываемое поглощением энергии лазера в обрабатываемом материале. Эффектив­ность лазерной технологии обусловлена локальностью воздействия и высо­кой плотностью потока энергии лазерного излучения в зоне обработки, возможностью ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (в вакууме, газе, жидкости, твёрдом теле), а также возможностью бесконтактной пода­чи энергии к зоне обработки в замкнутом объёме через прозрачные стенки или специальные окна в непрозрачной обо­лочке, что значительно облегчает выполнение требований, предъявляемых к чистоте технологических процессов.

Особенно большое значение имеет лазерная технология в производстве изделий электронной техники, так как она обеспечивает необходимую технологическую чистоту и высокую точность обработки, зачастую недостижимые при других способах воздействия на обрабатываемый материал (изделие). Наиболее часто используются лазеры на алюмоиттриевом гранате и лазеры на ниодимовом стекле, а также лазеры на углекислом газе со средней мощностью от единиц до нескольких сотен ватт.

Лазерная сварка позволяет соединять металлы и сплавы с сильно отличающимися теплофизическими свойствами. С по­мощью лазерной сварки можно получать высококачественные и высокопрочные соединения деталей из Ni, Мо, нержа­веющей стали, из материалов с высокой теплопроводностью (Cu, Ag, Al и сплавов на их основе), а также материалов, плохо поддающихся сварке другими способами (W, Nb). Плот­ность потока излучения на поверхности свариваемых дета­лей от 0,1 до 1 МВт/см2; глубина проплавления достигает 0,05 – 2 мм (что позволяет получать надёжное соединение деталей толщиной 0,01 – 1,5 мм).

Используемое в электрон­ной промышленности оборудование для лазерной сварки обеспечи­вает энергию лазерного излучения в импульсе 0,1 – 50 Дж при длительности импульса 0,5 – 10 мс и диаметре светового пятна 0,05 – 1,5 мм. Производительность точечной сварки до 100 операций в минуту, шовной – до 1,5 – 2 метра в минуту (при глубине проплавления 0,5 мм). Наиболее эффективно при­менение лазерной сварки в труднодоступных местах кон­струкций, при соединении миниатюрных и легкодеформи­руемых деталей, при необходимости обеспечить минимальную зону термического влияния. Широко применяют лазерные установки для сварки деталей электровакуумных приборов, а также для герметизации корпусов интегральных схем, кварцевых резонаторов, миниатюрных конденсаторов и других изделий.

Сверление отверстий лазерным лучом возможно в любых материалах. Обычно для этого используют импульс­ные лазеры с энергией в импульсе 0,1 – 30 Дж при дли­тельности импульса 0,1 – 1 мс и плотности потока излучения в зоне обработки до 10МВт/см2 и более. Максимальная произво­дительность достигается при сверлении отверстий однократ­ными импульсами большой энергии, однако точность обра­ботки таким способом невысокая (10 – 20 % от диаметра отверстия). Наибольшая точность обработки (1 – 5 %) дости­гается при воздействии на материал серией импульсов (многоимпульсный метод) относительно небольшой энергии (0,1 – 1 Дж) и малой длительности (0,1 – 0,5 мс). При таком режиме зона термического влияния мала (до 10 мкм) и возмо­жен активный контроль процесса обработки. Лазеры позво­ляют получать отверстия диаметром 0,003 – 1 мм.

В электронной промышленности лазерные установки при­меняют для сверления диафрагм электронно-лучевых при­боров, для обработки отверстий в подложках гибридных интегральных схем, для сверления деталей из керамики, ситалла, инстру­ментальных сталей и других труднообрабатываемых материа­лов.

Лазерная резка осуществляется как в импульсном, так и в непрерывном режиме, с поддувом в зону резки струи газа (чаще воздуха или кислорода). В производстве элект­ронных приборов импульсную лазерную резку применяют для разделения диэлектрических и полупроводниковых подложек толщиной 0,3 – 1 мм. Скорость резки в зависимости от толщины мате­риала и параметров излучения составляет 0,1 – 0,5 м/мин. Лазерную поверхностную резку успешно применяют для скрайбирования полупровод
никовых пластин; скорость скрайбирования при глубине прорези 0,05 мм достигает 250мм/с. Благодаря большей глубине получаемой прорези (канавки) лазерное скрайбирование по сравнению с обычным скрайбированием алмазным резцом обеспечивает значительно большую точ­ность разделения полупроводниковых  пластин и способствует повышению выхода годных изделий.

Лазеры непрерывного действия применяют для резки хрупких изделий из стекла, ситалла и других материалов методом управляемого термического раскалы­вания (возникающая трещина развивается вслед за лазер­ным лучом). Скорость резки достигает 2– 3 м/мин при тол­щине материала до 3 мм. Управляемое термическое раскалы­вание применяется при резке стеклянных труб, листового стекла, ситалловых подложек интегральных схем и других.

Лазерное излучение применяют также при подгонке в номинал резисторов интегральных схем, для нарезки спиральных дискрет­ных резисторов, ретуши фотошаблонов и при других опера­циях. Наиболее часто для этих целей используют импульс­ные лазеры со средней мощностью излучения 5 – 15 Вт при частоте повторения импульсов 1 – 40 кГц и длительности 200 – 600 нс. Для особо точной обработки тонких плёнок применяют импульсные лазеры на азоте с длительностью импульса порядка 10 нс и импульсной мощностью более 10 кВт. С по­мощью таких лазеров можно удалять тонкие плёнки с поверхности подложек на участках размером в несколько микрометров при неровности обрабатываемого контура менее 1 мкм практически без какого-либо повреждения подложки.

Перспективными направлениями лазерной технологии в производстве изделий электронной техники являются:

· поверх­ностный отжиг полупроводниковых пластин с целью восстановления структу­ры их кристаллической решётки при ионном легировании;

· осущест­вление поверхностных химических реакций в полупроводниках для создания активных структур;

· получение р-n-переходов методом ло­кальной диффузии с лазерным нагревом;

· нанесение тонких металлических и диэлектрических плёнок путём лазерного испаре­ния;

· эпитаксиальное выращивание тонких полупроводниковых плёнок из паровой фазы и ряд других операций.