Bien que les lasers ultrarapides existent depuis des décennies, les applications industrielles se sont développées rapidement au cours des deux dernières décennies. En 2019, la valeur marchande de l'ultrarapidematériel laserla transformation représentait environ 460 millions de dollars EU, avec un taux de croissance annuel composé de 13 %. Les domaines d'application dans lesquels les lasers ultrarapides ont été utilisés avec succès pour traiter des matériaux industriels comprennent la fabrication et la réparation de photomasques dans l'industrie des semi-conducteurs, ainsi que le découpage en dés du silicium, la découpe/le traçage du verre et le retrait du film ITO (oxyde d'étain-indium) dans l'électronique grand public tel que les téléphones mobiles et les tablettes. , la texturation des pistons pour l'industrie automobile, la fabrication de stents coronaires et la fabrication de dispositifs microfluidiques pour l'industrie médicale.
01 Fabrication et réparation de photomasques dans l'industrie des semi-conducteurs
Les lasers ultrarapides ont été utilisés dans l’une des premières applications industrielles du traitement des matériaux. IBM a rapporté l'application de l'ablation laser femtoseconde dans la production de photomasques dans les années 1990. Comparés à l'ablation laser nanoseconde, qui peut produire des éclaboussures de métal et des dommages au verre, les masques laser femtoseconde ne présentent aucune éclaboussure de métal, aucun dommage au verre, etc. Les avantages. Cette méthode est utilisée pour produire des circuits intégrés (CI). La production d'une puce IC peut nécessiter jusqu'à 30 masques et coûter plus de 100 000 dollars. Le traitement laser femtoseconde peut traiter des lignes et des points inférieurs à 150 nm.
Figure 1. Fabrication et réparation du photomasque
Figure 2. Résultats d'optimisation de différents modèles de masques pour la lithographie ultraviolette extrême
02 Découpe du silicium dans l'industrie des semi-conducteurs
Le découpage des tranches de silicium est un processus de fabrication standard dans l'industrie des semi-conducteurs et est généralement réalisé à l'aide d'un découpage mécanique. Ces meules de coupe développent souvent des microfissures et sont difficiles à couper des tranches fines (par exemple d'épaisseur < 150 μm). La découpe laser de tranches de silicium est utilisée depuis de nombreuses années dans l'industrie des semi-conducteurs, notamment pour les tranches minces (100-200 μm), et s'effectue en plusieurs étapes : rainurage laser, suivi d'une séparation mécanique ou d'une découpe furtive (c'est-à-dire un faisceau laser infrarouge à l'intérieur le traçage du silicium) suivi d'une séparation mécanique du ruban. Le laser à impulsions nanosecondes peut traiter 15 tranches par heure, et le laser picoseconde peut traiter 23 tranches par heure, avec une qualité supérieure.
03 Découpe/traçage du verre dans l'industrie des consommables électroniques
Les écrans tactiles et les lunettes de protection pour téléphones portables et ordinateurs portables sont de plus en plus fins et certaines formes géométriques sont courbées. Cela rend la découpe mécanique traditionnelle plus difficile. Les lasers typiques produisent généralement une qualité de découpe médiocre, en particulier lorsque ces écrans en verre sont empilés sur 3 à 4 couches et que le verre de protection supérieur de 700 μm d'épaisseur est trempé, ce qui peut se briser sous une contrainte localisée. Il a été démontré que les lasers ultrarapides sont capables de couper ces verres avec une meilleure résistance des bords. Pour la découpe de grands panneaux plats, le laser femtoseconde peut être focalisé sur la surface arrière de la feuille de verre, grattant l'intérieur du verre sans endommager la surface avant. Le verre peut ensuite être brisé à l'aide de moyens mécaniques ou thermiques le long du motif rainuré.
Figure 3. Découpe de forme spéciale de verre laser ultrarapide picoseconde
04 Textures de piston dans l'industrie automobile
Les moteurs des voitures légères sont fabriqués à partir d’alliages d’aluminium, qui ne sont pas aussi résistants à l’usure que la fonte. Des études ont montré que le traitement au laser femtoseconde des textures des pistons de voitures peut réduire la friction jusqu'à 25 %, car les débris et l'huile peuvent être efficacement stockés.
Figure 4. Traitement laser femtoseconde des pistons de moteurs automobiles pour améliorer les performances du moteur
05 Fabrication de stents coronaires dans l'industrie médicale
Des millions de stents coronariens sont implantés dans les artères coronaires du corps pour ouvrir un canal permettant au sang de circuler dans des vaisseaux autrement coagulés, sauvant ainsi des millions de vies chaque année. Les stents coronaires sont généralement fabriqués à partir d'un treillis métallique (par exemple, acier inoxydable, alliage nickel-titane à mémoire de forme ou, plus récemment, alliage cobalt-chrome) avec une largeur de support d'environ 100 µm. Par rapport à la découpe laser à impulsions longues, les avantages de l'utilisation de lasers ultrarapides pour découper les supports sont une qualité de coupe élevée, une meilleure finition de surface et moins de débris, ce qui réduit les coûts de post-traitement.
06 Fabrication de dispositifs microfluidiques pour l'industrie médicale
Les dispositifs microfluidiques sont couramment utilisés dans l’industrie médicale pour tester et diagnostiquer des maladies. Ceux-ci sont généralement fabriqués par moulage par micro-injection de pièces individuelles, puis par collage ou soudage. La fabrication laser ultrarapide de dispositifs microfluidiques présente l’avantage de produire des microcanaux 3D dans des matériaux transparents tels que le verre sans nécessiter de connexions. Une méthode consiste à fabriquer un laser ultrarapide à l’intérieur d’un verre en vrac suivi d’une gravure chimique humide, et une autre est l’ablation au laser femtoseconde à l’intérieur du verre ou du plastique dans de l’eau distillée pour éliminer les débris. Une autre approche consiste à usiner des canaux dans la surface du verre et à les sceller avec un couvercle en verre par soudage au laser femtoseconde.
Figure 6. Gravure sélective induite par laser femtoseconde pour préparer des canaux microfluidiques à l'intérieur de matériaux en verre
07 Micro perçage de la buse de l'injecteur
L'usinage de microtrous au laser femtoseconde a remplacé le micro-EDM dans de nombreuses entreprises du marché des injecteurs haute pression en raison d'une plus grande flexibilité dans la modification des profils des trous d'écoulement et de temps d'usinage plus courts. La capacité de contrôler automatiquement la position de focalisation et l'inclinaison du faisceau via une tête de balayage en précession a conduit à la conception de profils d'ouverture (par exemple, barillet, fusée éclairante, convergence, divergence) qui peuvent favoriser l'atomisation ou la pénétration dans la chambre de combustion. Le temps de forage dépend du volume d'ablation, avec une épaisseur de foret de 0,2 à 0,5 mm et un diamètre de trou de 0,12 à 0,25 mm, ce qui rend cette technique dix fois plus rapide que la micro-EDM. Le microperçage est réalisé en trois étapes, comprenant l'ébauche et la finition des trous pilotes traversants. L'argon est utilisé comme gaz auxiliaire pour protéger le forage de l'oxydation et pour protéger le plasma final lors des étapes initiales.
Figure 7. Traitement de haute précision au laser femtoseconde du trou conique inversé pour l'injecteur de moteur diesel
08 Texturation laser ultra-rapide
Ces dernières années, afin d'améliorer la précision de l'usinage, de réduire les dommages matériels et d'augmenter l'efficacité du traitement, le domaine du micro-usinage est progressivement devenu une priorité pour les chercheurs. Le laser ultrarapide présente divers avantages de traitement, tels que de faibles dommages et une haute précision, qui sont devenus l'objectif de la promotion du développement de la technologie de traitement. Dans le même temps, les lasers ultrarapides peuvent agir sur une variété de matériaux, et le traitement des dommages matériels au laser constitue également un axe de recherche majeur. Le laser ultrarapide est utilisé pour l'ablation de matériaux. Lorsque la densité d'énergie du laser est supérieure au seuil d'ablation du matériau, la surface du matériau ablation présentera une structure micro-nano présentant certaines caractéristiques. La recherche montre que cette structure de surface spéciale est un phénomène courant qui se produit lors du traitement des matériaux au laser. La préparation de micro-nanostructures de surface peut améliorer les propriétés du matériau lui-même et également permettre le développement de nouveaux matériaux. Cela fait de la préparation de micro-nanostructures de surface par laser ultrarapide une méthode technique d’une importance importante en matière de développement. Actuellement, pour les matériaux métalliques, la recherche sur la texturation de surface au laser ultrarapide peut améliorer les propriétés de mouillage de la surface métallique, améliorer les propriétés de friction et d'usure de la surface, améliorer l'adhérence du revêtement ainsi que la prolifération et l'adhésion directionnelles des cellules.
Figure 8. Propriétés superhydrophobes de la surface de silicium préparée au laser
En tant que technologie de traitement de pointe, le traitement laser ultrarapide présente les caractéristiques d'une petite zone affectée par la chaleur, d'un processus d'interaction non linéaire avec les matériaux et d'un traitement haute résolution au-delà de la limite de diffraction. Il peut réaliser un traitement micro-nano de haute qualité et de haute précision de divers matériaux. et fabrication de micro-nanostructures tridimensionnelles. La fabrication laser de matériaux spéciaux, de structures complexes et de dispositifs spéciaux ouvre de nouvelles voies pour la fabrication micro-nano. À l'heure actuelle, le laser femtoseconde est largement utilisé dans de nombreux domaines scientifiques de pointe : le laser femtoseconde peut être utilisé pour préparer divers dispositifs optiques, tels que des réseaux de microlentilles, des yeux composés bioniques, des guides d'ondes optiques et des métasurfaces ; en utilisant sa haute précision, sa haute résolution et ses capacités de traitement tridimensionnel, le laser femtoseconde peut préparer ou intégrer des puces microfluidiques et optofluidiques telles que des composants de microchauffeur et des canaux microfluidiques tridimensionnels ; en outre, le laser femtoseconde peut également préparer différents types de micro-nanostructures de surface pour obtenir des fonctions anti-reflet, anti-reflet, super-hydrophobe, anti-givrage et autres ; De plus, le laser femtoseconde a également été appliqué dans le domaine de la biomédecine, montrant des performances exceptionnelles dans des domaines tels que les micro-stents biologiques, les substrats de culture cellulaire et l'imagerie microscopique biologique. De larges perspectives d’application. À l’heure actuelle, les domaines d’application du traitement laser femtoseconde s’étendent d’année en année. Outre les applications de micro-optique, de microfluidique, de micro-nanostructures multifonctionnelles et d’ingénierie biomédicale mentionnées ci-dessus, elle joue également un rôle important dans certains domaines émergents, tels que la préparation des métasurfaces. , fabrication micro-nano et stockage d'informations optiques multidimensionnelles, etc.
Heure de publication : 17 avril 2024
