Лазерная очистка – черная технология очистки поверхностей 

Лазерная очистка - черная технология очистки поверхностей

Когда речь заходит о технологиях уборки, первое, что приходит нам на ум, — это использование в нашей жизни различных чистящих средств и инструментов. Однако традиционные методы очистки неизменно приводят к различной степени износа и повреждения очищаемых объектов. Благодаря развитию технологий и стремлению к максимальной точности понятие уборки больше не ограничивается простой уборкой, такой как «мытье посуды». Сфера применения объектов уборки постоянно расширяется, а стандарты требований к уборке также постоянно совершенствуются. Хрупкие культурные реликвии не выдерживают полировки и шлифовки, гладкие металлические поверхности требуют экстремального ухода, а крошечные устройства требуют совершенных методов очистки, поэтому возникла технология лазерной очистки.

Еще в 1965 году лауреат Нобелевской премии Шавлов использовал импульсный лазер для облучения листа бумаги с напечатанными на нем чернилами. Чернила на бумаге быстро испарялись, не повреждая саму бумагу, успешно стирая чернила на бумаге. удалить". Это открыло двери технологии импульсной лазерной очистки. В 1973 году группа Асмуса впервые сообщила об использовании лазеров для очистки культурных реликвий; в 1974 году Фокс использовал лазеры на неодимовом стекле с модуляцией добротности для эффективного удаления слоев краски со стеклянных и металлических подложек из смолы; в 1982 году Немецкий центр производственных технологий IBM Zapka et д. использовали сфокусированный лазер для облучения маски и успешно очистили ее от твердых частиц загрязняющих веществ. За более чем 40 лет развития технология лазерной очистки достигла значительного прогресса.

Принцип и механизм лазерной очистки

Лазерная очистка — это передовая технология очистки, которая использует высокоэнергетический лазерный луч для облучения поверхности объекта и быстрого испарения или удаления загрязнений, загрязняющих веществ или покрытий посредством оптического и термического воздействия.

Основным компонентом технологии лазерной очистки является импульсный лазер с большой энергией импульса, высокой средней мощностью и высокой пиковой мощностью. Как мы все знаем, лазер — это источник света с высокой яркостью, высокой однородностью и высокой направленностью. Импульсный лазер испускает высокоэнергетический лазерный луч за чрезвычайно короткое время, с очень высокой пиковой мощностью и мгновенной плотностью мощности. По сравнению с непрерывными лазерами, мощные импульсные лазеры могут генерировать высокие температуры в одно мгновение, но поскольку время чрезвычайно короткое, тепло не успевает передать окружающим материалам, что значительно снижает тепловое воздействие лазера на основной материал.

Мощные импульсные лазеры также позволяют добиться точного управления процессом лазерной очистки путем регулировки энергии и частоты импульса. Эту возможность регулировки можно настраивать в соответствии с различными потребностями в очистке, обеспечивая адаптацию к различным материалам и сценариям применения. Когда лазерный луч попадает на очищаемую поверхность, энергия лазера поглощается и за очень короткое время оказывает интенсивное термическое воздействие на загрязнения. Этот тепловой эффект приводит к повышению температуры поверхности загрязняющего вещества или покрытия, что приводит к его испарению, разложению или отслаиванию. В то же время высокая плотность энергии импульсного лазера позволяет ему напрямую проникать в определенные материалы, не повреждая поверхность подложки, что делает процесс очистки более эффективным.

Поскольку состав и структура очищаемых объектов сложны и разнообразны, существует множество различных механизмов воздействия лазеров на них. Таким образом, лазерная очистка представляет собой не просто высокоэнергетическую абляцию, но также включает в себя физические и химические изменения, такие как разложение, ионизация, деградация, плавление, горение, газификация, вибрация, разбрызгивание, расширение, сжатие, взрыв, отслаивание и отпадение. . Таким образом, процесс импульсной лазерной очистки представляет собой сложный комплексный процесс физико-химических изменений, включающий оптику, термику, механику и т. д.

Лазерная очистка — это немеханический контактный метод предварительной обработки поверхности. Лазерный луч может воздействовать на поверхность образца в заданном сканирующем режиме, так что лазер может полностью взаимодействовать с грязью, слоем ржавчины или покрытием на поверхности. После того, как поверхностный материал поглощает энергию лазера, она преобразуется в тепловую энергию, химическую энергию и механическую энергию, необходимые для очистки. В настоящее время существуют две основные теории, объясняющие механизм импульсной лазерной очистки: механизм лазерной абляции и механизм термоэластопластического расширения.

(1) Механизм лазерной абляции

Механизм термической абляции при импульсной лазерной очистке тесно связан с плотностью мощности лазера. В механизме абляции мощные импульсные лазеры способны выделять большое количество энергии за очень короткий промежуток времени, в результате чего получается лазерный луч с высокой плотностью энергии. Это позволяет фокусировать лазерный луч на небольшой площади в течение короткого периода времени, быстро нагревая и испаряя загрязнения или покрытия на целевой поверхности. Когда энергии лазера достаточно для разрушения химических связей поверхностного материала, химические связи вибрируют, изгибаются или даже разрываются, в результате чего молекулы распадаются, а загрязняющие вещества на поверхности разлагаются под действием света.

(2) Механизм термоупругого расширения и отслоения

К ним относятся термоупругие колебания, давление пара, фотоиндуцированное давление, фазовый взрыв, ударные волны и т. д. При воздействии лазера на поверхность материала как основной материал, так и очищаемый объект в первую очередь подвергаются тепловому расширению. Напряжение отрыва, создаваемое этим термоупругим расширением, сначала удалит часть поверхностного материала, что является механизмом тепловой вибрации. В механизме вибрации тепловой эффект лазера также увеличит температуру загрязняющего вещества и подложки, но поскольку используемая энергия лазера намного ниже, чем энергия лазера в механизме абляции, загрязняющее вещество не будет напрямую удаляться. Вместо этого , происходят механические разрушения, вибрационные поломки и другие явления. Загрязнения удаляются или счищаются с поверхности основания.

Импульсные лазеры также могут ионизировать воздух вокруг загрязняющих веществ или частиц на поверхности материала подложки, образуя плазменную ударную волну для удаления поверхностных загрязняющих веществ. При влажной лазерной очистке на поверхность очищаемого объекта предварительно наносится пленка жидкости (вода, этанол или другая жидкость), а затем на нее воздействует лазер. Жидкая пленка поглощает энергию лазера, в результате чего жидкость среда взрывается с большой силой, и кипящая жидкость движется с высокой скоростью. , передает энергию поверхности очищаемого объекта и использует высокую переходную взрывную силу для удаления поверхностной грязи с целью достижения цели очистки.

Если плотность мощности лазерной очистки превышает 10^8 Вт/см^2, слой загрязнения на поверхности материала может претерпеть пластическую деформацию и создать взрывное напряжение отскока после поглощения энергии лазера; когда плотность мощности Лазерная очистка больше 10^9 Вт/см^2, слой загрязнения на поверхности материала поглощает высокоэнергетический лазер и производит газификацию или генерирует плазму из-за оптического пробоя, образуя ударную волну плазменного взрыва. Эти взрывные эффекты ускорит отделение загрязнений от поверхности основания.

Типичные области применения лазерной очистки

За последние 40 лет лазерная очистка, как новая, эффективная и экологически чистая технология очистки, быстро развивалась и широко применялась в областях очистки электронных компонентов, снятия краски и удаления ржавчины.

(1) Лазерная очистка электронных компонентов

В процессе развития полупроводниковой промышленности очистка поверхности кремниевых пластин-шаблонов от загрязнений всегда была серьезной проблемой. Традиционная химическая очистка может привести к сильному загрязнению, в то время как методы механической очистки и ультразвуковой очистки не могут обеспечить желаемого эффекта очистки. С развитием науки и техники полупроводники и микроэлектронные приборы становятся все меньше и меньше, а размер частиц, которые необходимо очищать, также становится все меньше и меньше, что делает очистку все более и более трудной. Появление технологии лазерной очистки дает новое решение этой проблемы. Соответствующие исследования и приложения развивались быстро.

Поскольку поверхность электронных компонентов хрупкая, а на поверхности устройства часто имеется покрытие, традиционная очистка методом лазерной абляции сопряжена с риском повреждения устройства. Для решения этой проблемы ученые разработали новую и эффективную технологию очистки. В этой технологии используются лазеры высокой интенсивности, которые фокусируются через собирающую линзу, вызывая пробой воздуха и образуя высокотемпературную и высокоплотную лазерную плазму. Образовавшаяся плазма быстро расширяется во всех направлениях, сжимая окружающий воздух и образуя мощную плазменную ударную волну.

В этом процессе механическое воздействие ударных волн высокой интенсивности позволяет наночастицам преодолеть адгезию к поверхности подложки, тем самым быстро «смывая» частицы и достигая эффективной очистки поверхности от частиц. В отличие от традиционных методов, лазерная плазменная ударная волна генерирует сферическую плазменную ударную волну, прорывая воздушную среду во время лазерного облучения. Она воздействует только на поверхность очищаемого субстрата, не затрагивая сам субстрат, что позволяет избежать повреждения устройства. Отрадно, что весь процесс очистки не требует введения химических реагентов, что позволяет эффективно избегать негативного воздействия на окружающую среду. Эта технология очистки успешно решает распространенную проблему загрязнения микроэлектронных подложек наночастицами, предлагая эффективный, надежный и экологически безопасный метод решения этой проблемы.

(2) Лазерное удаление ржавчины

Лазерное удаление ржавчины является важным применением технологии лазерной очистки, которая использует импульсный лазер высокой пиковой мощности для облучения слоя ржавчины. Во время этого процесса энергия лазера поглощается, что приводит к резкому повышению температуры слоя ржавчины, вызывая такие изменения, как расширение, тепловой удар и фазовый переход, и в конечном итоге эффективно удаляя слой ржавчины. По сравнению с традиционными процессами удаления ржавчины лазерное удаление ржавчины имеет ряд существенных преимуществ. Прежде всего, лазерное удаление ржавчины является немеханическим контактным процессом и не приводит к механическому повреждению поверхности заготовки, тем самым защищая ее целостность. Оборудование отличается высокой степенью интеграции, гибкостью в эксплуатации и простотой реализации автоматизированного управления, что повышает эффективность производства и удобство эксплуатации.

Хорошая направленность лазерной технологии позволяет точно позиционировать процесс удаления ржавчины, что делает ее пригодной для обработки сложных криволинейных поверхностей и повышает точность очистки. Кроме того, процесс лазерного удаления ржавчины обеспечивает меньший уровень шума и отсутствие пылевого загрязнения, что способствует созданию более чистой рабочей среды. В целом, технология лазерного удаления ржавчины демонстрирует множество преимуществ с точки зрения эффективности, точности и защиты окружающей среды в процессе удаления ржавчины, предоставляя передовые решения для области промышленной очистки. Эта инновационная технология не только улучшает традиционные методы очистки, но и обеспечивает более устойчивый и экологически чистый вариант для промышленного производства.

Одним из основных механизмов лазерного удаления ржавчины является удаление слоя ржавчины путем нагрева материала лазерным лучом, что приводит к его испарению. Однако для слоя ржавчины, образующегося при окислении железной подложки, глубина испарения импульсного лазера относительно ограничена из-за его рыхлой и пористой поверхности и толщины от десятков до сотен микрометров. Таким образом, механизм удаления ржавчины лазером заключается не только в газификации и абляции, но и в других механизмах очистки, таких как плазменные ударные волны и фазовые взрывы. Это означает, что помимо удаления слоя ржавчины путем газификации, лазер также создает мощную плазменную ударную волну, а также фазовый взрыв и другие эффекты, которые дополнительно синергетически воздействуют на слой ржавчины, обеспечивая более комплексный и тщательный эффект очистки.

Я считаю, что постоянное развитие технологии лазерной очистки принесет больше инноваций и удобства в клининговую отрасль. В будущем мы можем ожидать, что технология лазерной очистки принесет большую пользу производственным процессам в различных областях, а также внесет более позитивный вклад в защиту окружающей среды. Лазерная очистка стала ярким выбором в технологии очистки, открыв новую эру в области очистки.