2
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Iкучные руководители:
Д/т.н., профессор Чеботареве кий Ю.В. Д.х.н., профессор Серянов Ю.В.
Саратов - 1999
СОДЕРЖАІІИП
Введение...............................................................5
Глава І. Лазерная обработка диэлектриков
(Краткий аналитический обзор литературных данных)......................12
1.1. Параметры лазерною излучения, влияющие на обработку...............Г/
1.2.1 Іронесс поглощения лазерного излучения диэлектриками.
Влияние свойств материала и состояния поверхности ....................17
1.3. Тенлофизическис процессы в зоне воздейст вия лазерного излучения
на диэлектрики.........................................................27
1.4. Термоупругис напряжения в зоне воздействия
лазерного излучения на диэлектрики.....................................39
1.5. Технологические особенности лазерной обработки диэлектриков.......48
1.6. Лазерное технологическое оборудование для
обработки диэлектриков.................................................54
Глава 2. Температурные ноля и напряжения в пластинах
хрупких диэлектриков при воздействии лазерного излучения...............62
2.1. Температурное поле в диэлектрической пластине
при воздействии лазерного излучения, сфокусированного в кольцо.........62
2.2. 'Гермонапряженное состояние диэлектрической пластины
при ее разделении лазерным излучением, сфокусированным в кольцо........69
2.3. Особенности влияния теплообмена при воздействии лазерною излучения, сфокусированного в кольцо, на пластину
хрупкого диэлектрика, находящегося в растворе электролита.............101
Глава 3. Экспериментальные исследования.
Методика и оборудование...............................................115
Глава 4. Физические особенности воздействия сфокусированного лазерного излучения на хрупкие диэлектрики............................127
4.1. Кинет ические закономерности развития отверстия .................131
4.2. Интегральные закономерности процесса кольцевой
лазерной прошивки от верстий......................................138
4.3. Структурные изменения материала мри лазерной обработке
хрупких диэлектриков .............................................148
4.4. Лазерная прошивка отверстий в хрупких диэлектриках
с одновременной химической металлизацией их стенок................157
4.5. Точность и воспроизводимость результатов лазерной прошивки
отверстий. Комплексный индекс оптимизации ........................164
ВЫВОДЫ ...........................................................178
ЛИТЕРАТУРА .......................................................181
введение
5
Актуальность проблемы. В настоящее время наряду с традиционными методами электрофизической и электрохимической обработки материалов все более широкое применение находит лазерная обработка, характеризуемая высокими и сверхвысокими интенсивностями свеголучевою потока, точной фокусировкой и локальностью, широким диапазоном длительности импульсного воздействия. Хрупкие диэлектрики, к которым относится, в частности, высоког линоземистая вакуумно-плотная керамика, являются основным конструкционным материалом современных электронных приборов. Повышение степени миниатюризации и интеграции приборов делает лазерную обработку единственным бесконтактным методом эффективного формирования отверстий, пазов, полостей и подобных элементов в керамических деталях. Перенос теоретических моделей и технологических приемов лазерной обработки металлов на керамику не является правомерным из-за различного влияния физических характеристик материала на процесс разрушения его при лазерной обработке: наличие поглощения излучения в объеме материала, возможность его хрупкого разрушения из-за своеобразия термоупругого поведения керамики. К тому же, в материале после окончания действия излучения могут сохраняться высокотемперату рные структурные модификации, связанные с физическими особенностями процесса взаимодействия с керамикой.
Перечисленные особенности оказывают влияние на точность и воспроизводимость лазерной обработки и надежность и долговечность приборов. Поэтому при проектировании и использовании лазерных технологических процессов и оборудования особое значение приобрели исследования физических, тепловых и термоупругопластических процессов, происходящих при воздействии лазерного излучения на хрупкие диэлектрики, возможности оптимизации этих процессов с применением специальной оптики и технологических приемов, основанных на изучении полиморфных и химических превращений, со-
6
прово/Кдающих лазерную обработку как в свободном пространстве, так и в активных химических средах.
Возникающие при лазерном воздействии неравномерные нестационарные температурные поля приводят к появлению температурных напряжений, которые при некоторых режимах обработки могут вызвать нежелательное разрушение хрупких диэлектриков не только в зоне действия излучения, но и за ее пределами. Исследованию температурных полей и напряжений при воздействии лазерного излучения, сфокусированного в пятно, посвящено большое количество работ, например, таких авторов, как Бслостоцкий Б.Р., Даниловский Б.И., Коляно Ю.М.. Коренев Б.Г., Кулик Л.М., Рыкалин II.М., Углов А.Л., Чсбо-таревскнй Ю.В. Воздействие же лазерного излучения, сфокусированного в кольцо, с точки зрения нагрева материала вне зоны фокусировки практ ически не рассматривалось.
Существует также ряд работ, тем или иным образом касающихся изучаемых вопросов. Однако анализ задачи в ее комплексной постановке показал, что на сегодняшний день:
- недостаточно полно исследованы физические процессы, происходящие в зоне воздействия лазерного излучения на хрупкие диэлектрики, и возможности управления этими процессами путем применения специальной, в частности, аксиконной оптики и обработки в химических средах;
- отсутствуют работы, посвященные исследованию термоупругопластического состояния хрупких неметаллических материалов при импульсной лазерной обработке излучением, сфокусированным в кольцо.
Цель работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований определить особенности механизма локальною разрушения хрупких полифазных диэлектриков кольцевым импульсным лазерным излучением на воздухе и в химически активном металлосодержащем электролите.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
7
1. Произвести теоретические расчеты температурных полей и термоупругих напряжений, возникающих при действии сфокусированного в кольцо лазерного излучения как на воздухе, так и с учетом особенностей влияния электролита.
2. Произвести экспериментальные исследования кинетики развития отверстии и интегральных закономерностей кольцевой лазерной многоимпульс-ной прошивки, изучить структурные изменения хрупкого диэлектрика иод действием импульсного лазерного излучения и определить возможность прошивки отверстий в растворе металлсодержащего электролита с образованием каталитически активного слоя под предварительную химическую металлизацию при вертикальной коммутации топологических элементов ГИС.
3. Исследовать точность и воспроизводимость, а также провести оптимизацию процесса кольцевой импульсной лазерной прошивки хрупких диэлектриков.
11аучная новизна работы.
1. Предложены адекватные математические модели для определения температурных полей и напряжений при воздействии лазерного излучения, сфокусированного в кольцо, на пластины из хрупких диэлектриков. Определено, что при удалении от источника тепла к оси его симметрии - цен эру кольца - температура убывает медленнее, чем при движении в область, внешнюю по отношению к тепловыделяющей поверхности. Предсказана возможность возникновения пластической зоны с расширяющимися 1раницами в области высокотемпературною нагрева. Исследованы процессы упругой разгрузки с учетом и без учета появления зоны вторичных пластических деформаций. Получены выражения для остаточных напряжений; выявлены причины периферийного растрескивания материала. Установлено, что пластическая зона является компенсатором, снижающим уровень напряженного состояния в упругой области, и барьером, препятствующим распространению трещин от края отверстия вглубь материала.
8
2. Экспериментально доказано, что при лазерной обработке полифазной керамики происходит миграция стсклофазы в область локального нагрева, вызывающая свечение в зоне обработки, до начала развитого испарения фиксируемое методом скоростной фоторегистрации. Установлена зависимость времени опережения свечения от процентного содержания стеклофазы в керамики. Подтверждено металлографическими методами обогащение стеклофазой приповерхностных аморфизированных слоев стенок отверстия. Установлена зависимость толщины слоя, обогащенного стеклофазой, от длительности импульса лазерного излучения при прочих равных условиях.
3. С помощью рентгеног рафического и металлог рафического методов обнаружено одновременное присутствие в облученных лазером образцах керамики ВК-100-1. практически не содержащей стсклофазы, а-кристалл и ческой фазы и аморфной фазы Д^О; с ближним порядком на расстоянии бА. I 1оказано, что аморфная фаза для всех типов керамики обогащена А1 и сосредоточена на периферии отверстия в виде валика с высотой, пропорциональной коэффициенту температуропроводности, и в ней наблюдаются микротрещины, выходящие на стенки отверстия. Микротвердость в зоне обработки, равной размеру зерна, снижается в 2-3 раза. Изменение микротвердости коррелирует с длительностью импульса излучения.
4. Выявлено, что наличие аморфной фазы с выходом на стенки отверстия с одной стороны приводит к возможности отрыва кристаллических вкраплений и нарушению целостности металлизации заземления ГИС, с другой стороны обеспечивает лучшие условия для равномерной активации стенок под последующее осаждение металла. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных позволило установить связь между размерами пластической зоны и дефектного аморфизированного слоя. Обнаружено конкурирующее влияние зоны аморфизации и зоны пластичности. Минимизация зоны аморфизации требует снижения длительности импульса лазерного излучения. Компенсирующее влияние зоны пластичности требует увеличения импульса. Найдены оптнмадь-
9
ныс границы изменения длительности импульса в диапазоне 0.05-0.5 мс. Что совпадает с рекомендациями по результатам исследований температурных полей и напряжений, что косвенно подтверждает адекватность принятой теплофизической модели. Минимизация аморфного слоя была обеспечена созданием оптической системы с аксиконной оптикой, перераспределяющей интенсивность излучения из кругового пятна радиуса г(, в кольцо такого же среднего радиуса. Предотвращение растрескивания аморфного слоя было достигнуто при пошивке в растворе активации.
5.Установлено, что прошивка отверстий лазерным излучением, сфокусированным в кольцо, в пластине из хрупкого диэлектрика, находящейся в растворе металлосодержащею хлоридного электролита: - снижает уровень разрывающих трансверсальных температурных напряжений за счет усиления локального теплообмена и снижения температуры локального лазерного нагрева, приводя к предотвращению периферийного растрескивания и уменьшению валика у входною устья отверстия; - лает наличие тонких каталитически активных слоев па стенках отверстий, пригодных для химической металлизации при последующей вертикальной коммутации топологических элементов ГИС.
6. Выяснено, что зависимость порог овой релаксации температуры в процессе кольцевой лазерно-электролитической прошивки диэлектрика от энергии лазерного импульса, теплофизических и химических параметров границы раздела фаз очень слаба вследствие теплообменного вырождения, вызванного термализацией лазерно-эрозионного паросолевого факела; гетерогенный пиролиз растворенных хлоридов металлов является основным механизмом осаждения каталитически активных частиц (оксидов) .металлов на стенках отверст ий.
7. Теоретически и экспериментально установлено, что погрешность импульсной лазерной кольцевой прошивки отверстий увеличивается с ростом содержания кристаллической фазы а-ЛЬО?, коэффициента температуропроводности и энергии импульса, не превышая величины относительной нестабильности последней.
10
Практическая значимость. На основании проведенных исследовании разработаны технологические процессы и оборудование для создания высококачественных кратчайших заземлений в платах ГИС СВЧ с применением аксн-конной оптики, позволившей повысить точность и воспроизводимость диаметра прошиваемых отверстий. Предложенная кольцевая лазерно-электролитическая прошивка коммутационных отверстий дала возможность устранить из технологического цикла три вспомогательные операции: - зенковки отверстий, обезжиривания и сенсибилизации, - а также обеспечила экономию драгметалла (палладия). I фактическая значимость работ »л подтверждается авторским свидетельством СССР и патентом РФ.
Внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в производство ГИС’ СВЧ в ГППГ1 “Алмаз” с годовым экономическим эффектом 120000 руб., при создании макета лазерно-технологической установки в ГНТП «СТОМД» и в научно-исследовательском внедренческом центре НИЦ «Здра-ворггруд», г.Москва, в специализированном медицинском оборудовании, а также используются при проведении лекций, практических занятий, подготовки курсовых и дипломных проектов на кафедрах приборостроения, машин и технологии высокоэффективных процессов обработки и электронного машиностроения Саратовского государственного технического университета.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета (СГТУ), на научном семинаре кафедры теоретической механики СГТУ под руководством д.т.н. профессора Чебота-ревского Ю.В., на ежегодных всесоюзных семинарах-конференциях по лазерной технологии в ЛДНТП (Ленинград, 1977-1984 гг.); на И Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации” (Ленинград. 1984г); на республиканской конференции “Создание и использование лазерной техники и технологии в машиностроении и приборостроении” (Киев, 1985г); на пяти отраслевых конференциях по электронике
II
СВЧ (Саратов, 1980-1983гг); на международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы электронного приборостроения** (Саратов, 1998
г); на научно-практической конференции СЮИ МВД России, 1998; на научно-технической конференции по применению современной электроники (Саратов, 1999).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 26 статьях. Имеется патент РФ № 1820831 с приоритетом от 12.03.91,авторе кое свидетельство №1557845, «регистрированное 15.12.89г. В автореферате приведен список, содержащий 22 основные работы.
12
Глава 1. ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДИЭЛЕКТРИКОВ (краткий аналитический обзор литературных данных)
Различные виды хрупких керамических диэлектриков получили широкое распространение при изготовлении электронных приборов, как материалы для электронно-вакуумных приборов (ЭВП), для подложек гибридных интегральных схем (ГИС) и в ряде других случаев. Повышение степени миниатюризации и интеграции приборов требует применения таких способов обработки, при которых обеспечивается отсутствие механического контакта обрабатывающего инструмента с керамической деталью и высокая степень локальности. Это делает лазерную обработку единственным бесконтактным методом эффективного формирования отверстии, пазов, полостей и подобных элементов в керамике. Перенос теоретических моделей и технологических приемов лазерной обработки металлов на керамику не является правомерным из-за различного влияния физико-химических характеристик материала на процесс его разрушения при лазерной обработке (наличие поглощения излучения в объеме материала, влияние показателя преломления и диэлектрической проницаемости на процесс отражения, возможность хрупкого разрушения, возникающая вследствие резкого различия между ионно-ковалентной химической связью в диэлектриках и “металлической" связью в металлах и т.д.). Отдельные сообщения о факторах, влияющих на процесс лазерной обработки хрупких диэлектриков имеют отрывочный характер и в предлагаемом ниже литературном обзоре сделана попытка систематизирования опубликованные материалы с целью формирования направления наших исследований.
1.1.11арамстры лазерного излучения, влияющие на обработку
Для выяснения вопроса о целесообразности применения лазера мри решении той или иной технологической задачи необходимо знать основы про-
13
цесса взаимодействия лазерного излучения с материалом, возможности использования существующих лазеров, определяемые как характеристиками излучения (длина волны, анергия и мощность излучения, длительность импульса излучения, частота и скважность следования импульсов, интервал варьирования диаметра пучка излучения), так и характеристиками материала (отражательная способность и коэффициент поглощения на длине волны излучения лазера, теплопроводность, температуропроводность).
Основными параметрами лазерного излучения, определяющими процессы поглощения его веществом с последующим нагревом, плавлением и испарением. являются длина волны излучения X, плотность мощности я (энергия импульса излучения) и длительность импульса т.
Длина волны излучения определяется типом активной среды и определяет ту часть энергии, которая поглощается обрабатываемым материалом и переходит в тепло.
Энергия излучения зависит от рабочего напряжения источника питания и эффективности преобразования электрической энерг ни в световую.
Длительность импульса излучения лимитируется величиной емкостного (или индуктивно-емкостного) сопротивления цепи возбуждения.
Концентрация энергии излучения на поверхности обрабатываемого .материала достигается с помощью фокусировки специальными оптическими системами.
Лазерное излучение, обрабатывающее конденсированное вещество, удобнее всего характеризовать в терминах поверхностной плотности мощности или интенсивности. Такой подход позволяет ориентироваться в выборе типа лазера для реализации конкретных технологических процессов (нагрев, плавление, испарение) применительно к материалам с известными оптическими и теплофизическими параметрами.
I) соответствии с существующей терминологией (1] различают малые (Я-Ю’-К)*’ Вт/см), средние или умеренные (ц-]06-10'' Вт/см2) и большие (я>10')
14
Вт/см ) интенсивности лазерного облучения. Рис.1 |2] иллюстрирует основные виды лазерной обработки в координатах ц-т, причем для непрерывного процесса генерации лазерного излучения время взаимодействия т определяется как необходимое для перемещения пятна излучения на расстояние, равное диаметру этого пятна, а для импульсных процессов время взаимодействия равно длительности импульса, д, Вт/смг
10е 10"* 10'* Ю? т’с
Рис.). Диаграмма процессов, происходящих при взаимодействии
лазерного излучения с веществом
Плотность мощности или интенсивность лазерного излучения ц эквивалентна мощности Р или энергии Н, излученной в единицу времени т, падающей на единичную площадь поверхности 8, расположенную нормально к направлению распространения лазерного излучения:
Е _Р АР (1.1)
/8 5 71с1'
где с1 - диаметр круглого пятна сфокусированного излучения.
Лазерный луч имеет определенную угловую расходимость 0, которая определяется как:
15
0 =
3.83Л 1.22Я
(1.2)
кО О
где X длина волны лазерного излучения и П - диаметр кругового пучка излучения на выходе из внутрирезонаторной диафрагмы.
11рн фокусировке излучения линзой с фокусным расстоянием ? диаметр пятна сфокусированного излучения определяется как:
а = 2 /=7#© = 2 № = 2,44Я^
(1.3)
При выборе оптической системы для фокусировки лазерного луча необходимо учитывать зависимость между выходным диаметром лазерного луча I) и глубиной фокуса <1| [3|. которая при прямой пропорциональности между с1 и Р определяется по соотношению:
аг = 2,44/1
(1-4)
иллюстрируемому рис.2. Кроме того, на диаметр сфокусированного пятна существенно влияет модовый состав излучения:
</ = 2,44Л/2Л — Г>
(1.5)
где М - порядок моды ТЕМ,,./, равный 2р+1+1 [4]. Это следует из рис.26 и формул (1.3-1.4).
ТЕМ,
ТЕМ,
АЛ
• •
а
а)
б>
Рис.2. Формирование излучения линзой: а - продольное сечение пучка
16
излучения; б - поперечное сечение при фокусировании одномодового пучка (левая кривая) и многомодового (правая кривая)
Мри использовании афокальнон телескопической насадки в оптической фокусирующей системе (ОФС) с эквивалентным фокусным расстоянием !•' диаметр фокального пятна определяется как:
•> ЛГ (I -6)
с/ = 2А4М ——
у,о
где Ух - кратность входной линзы телескопа [5,6].
Из (1.1-1.6) следует, чго диаметр пятна сфокусированного излучения, а, следовательно, и плотность мощности в первую очередь определяются длиной волны излучения и его модовым составом. Большая плотность мощности (интенсивность) достигается при использовании излучения с меньшей длиной волны и низшим модовым составом. При соответствующемдиафрагмировании обычно стремятся использовать главную моду лазерного излучения с М=1 и гауссовым радиальным распределением интенсивности.
Для конкретного типа лазера повышение плотности мощности в плоскости фокусировки достигается уменьшением фокусного расстояния ОФС, причем приходится учитывать резко возрастающую критичность взаимного расположения обрабатываемой поверхности и фокальной плоскости, а также необходимость более частой замены защитной системы ОФС. загрязняемой продуктами выброса, образующимися в результате лазерной обработки.
В [8] автором патентуется лазерная установка для прошивки отверстий диаметра 0.15-гб мм. Оптическая система установки фокусирует лазерный луч на образец не в виде небольшого пятна, как в обычных установках, а в виде кольца относительно большого диаметра и малой ширины. Диаметр с! (рис. 1а) зависит от утла у при вершине конуса на расстоянии / до фокусирующей оптики. а ширина кольца С - от фокусного расстояния собирающей линзы. Материал выжигается по периметру кольца (рис.З) и после удаления внутренней части образуется отверстие с ровными краями. Кольцевой луч создается с помощью
17
аксикона, который представляет собой коническую линзу. Когда через акснкон проходит луч света, в центре луча образуется темное пространство. Полый луч затем фокусируется с помощью линзы. Данным методом одной лазерной вспышкой можно делать отверстия диаметром 6 мм в тонкой фольге. При многократном облучении можно такие же отверстия прошивать в материале толщиной 1,6 мм. Перемещение аксикона вдоль оптической оси системы позволяет менять величину диаметра светового кольца, т.е. регулировать диаметр прошиваемого отверстия.
Диаметр сфокусированного в кольцо на поверхности обрабатываемою изделия излучения можно определить из соотношения:
с/ = [2(я-1)г + в]—
(1.7)
где п- коэффициент преломления стекла аксикона и у преломляющий угол аксикона.
»С
30©бдении
/ООО/
о о
Рис.З. Оптическая схема фокусировки лазерного излучения в кольцо
1.2. Процесс поглощения лазерною излучения диэлектриками. Влияние свойств материала и состояния поверхности
При взаимодействии с поверхностью обрабатываемого материала лазерное излучение частично отражается, а частично проникает вглубь и поглощает-
- Київ+380960830922