Сравнение результатов лазерной обработки CO2 и эксимерными лазерами

CO₂ лазеры с поперечной накачкой (TEA CO₂) имеют высокие пиковые мощности и составляют достойную альтернативу дорогостоящим эксимерным лазерам для прецизионной обработки полимерных материалов, медицинских инструментов хирургии, микроэлектронных компонентов и печатных плат.

Лазерная абляция
Абляция – испарение материала с поверхности объекта под воздействием лазерного излучения. Малая мощность короткого лазерного импульса (длина 20 нс у традиционных эксимерных источников, несколько фс – у лазеров на CO₂) позволяет испарять или сублимировать вещество в виде свободных молекул. Импульсная абляция позволяет более эффективно обработать материал и снизить рассеяние энергии в окружающую среду, при этом кромки образцов будут иметь более острую форму, чем при обработке непрерывным лазерным излучением.

Ранее было принято считать, что CO₂ лазеры не используются для абляции. Однако в последние годы это утверждение все чаще становится предметом споров: недавно CO₂ лазеры стали использовать для удаления тонкого слоя полимера с металлических изделий (селективной абляции), при этом значительно снизились временные и материальные затраты, а также удалось минимизировать зону теплового воздействия на окружающие области. Металл полностью отражает ИК излучение, потому практически исключена вероятность его повреждения.

Параметры источника для лазерной абляции
Плотность энергии излучения CO₂ лазера, необходимая для абляции большинства полимерных материалов, варьируется в диапазоне от 5 до 20 Дж/см². При оценке эффективности следует учесть, что при единичном импульсе глубина удаления материала составляет в среднем 20 мкм. Максимальная глубина удаления материала CO₂ лазером составляет около 60 мкм при плотности энергии излучения 50 Дж/см². Такие параметры характерны для лазерных аппаратов в фармацевтическом производстве.

Плотность энергии излучения эксимерных лазеров варьируется в диапазоне от 2 до 4 Дж/см². Большинство полимерных материалов имеют общее свойство – высокое поглощение излучения УФ диапазона. Снизить потери на поглощение необходимо для стабилизации глубины абляции на среднем уровне (20 мкм) за импульс. Эксимерные УФ лазеры обеспечивают среднюю глубину испарения материала с поверхности на уровне 0.2 мкм за импульс.

CO₂ лазер позволяет удалить большее количество материала за короткое время. Высокой точности в абляции удается достичь в основном с помощью эксимерных источников из-за их свойств:

Высокое качество кромки. Малая зона термического воздействия, короткие импульсы, УФ излучение (высоким поглощением которого характеризуются многие полимерные материалы) – пожалуй, самые главные преимущества эксимерных лазеров, которые становятся ключевыми в выборе источника для прецизионной обработки.

Малый диаметр перетяжки. Как известно, чем длиннее волна, тем выше расходимость пучка. Снизив влияние дифракции в CO₂ лазере, удается достичь стабильного диаметра перетяжки пучка лишь на уровне 100 мкм. Использование высококачественной оптики позволяет уменьшить диаметр ещё до 50 мкм. Эксимерные лазеры излучают в коротковолновой области, а потому расходимости почти не наблюдается: диаметр перетяжки не превышает и нескольких микрон, а в лазерной литографии диаметр измеряется долями микрона.

Рисунок 1. 300-микронные отверстия на поверхности полиимида (снимок сделан в лаборатории предприятия LightMachinery)

Металлические диафрагмы
Несмотря на известные методы снижения расходимости лазерных пучков, дифракционные эффекты нельзя ликвидировать полностью. Работа как с CO₂, так и с эксимерными лазерами сопровождается сложностью фокусировки излучения в пятно, например, на небольшое гальваническое зеркало. Возможное решение – использование тонких металлических диафрагм «трафаретов». Они размещаются по траектории распространения излучения (рис.2).

Рисунок 2. Схема включения металлической диафрагмы

Выбор рабочего диапазона
Обычный CO₂ лазер излучает волны длиной 10.6 мкм. Для генерации волн иной длины необходима специализированная резонаторная оптика с высоким порогом повреждения.

В 1986 году J.H. Brannon и J.R. Lankard исследовали поглощение электромагнитных волн различными полимерными материалами, среди которых особенно выделились полиимиды – класс полимеров, содержащих в основной цепи имидные циклы. В отличие от большинства полимеров, эти образцы демонстрировали высокое поглощение более коротких волн, чем традиционные (9.3 мкм вместо 10.6 мкм). Впоследствии это свойство стали использовать для изготовления термостойких волокон – изделия на основе полиимидов выдерживают длительную эксплуатацию при температуре 250-300 градусов, в отдельных случаях и выше. Однако достижение высокой точности и качества обработанной поверхности такого материала при обработке представляет сложную технологическую задачу.

Решение – лазеры LightMachinery IMPACT. Рабочий диапазон излучения этой серии содержит длину волны 9.3 мкм, что идеально подходит для обработки неплавких термостойких полимеров.

Промышленная обработка материалов  
Лазеры TEA CO₂ для промышленности стандартизируются, как и эксимерные источники, не уступая по параметрам: средняя мощность TEA CO₂ лазеров составляет от нескольких десятков до сотен ватт, области применения не менее разнообразны: зачистка проводов, изготовление катетеров и зондов, прецизионная абляция полимеров для медицины, электроники и печатных плат.

Преодолеть ограничение мощности эксимерных источников практически невозможно, потому в некоторых приложениях CO₂ лазеры становятся единственным возможным решением: обработка фармацевтических капсул, очистка пресс-форм, в автомобильной промышленности - удаление изношенных антикоррозионных покрытий на концах гидравлических тормозных магистралей,

Зачистка проводов
При подключении или монтаже оборудования нужна зачистка проводов от изоляции на отдельных участках, чтобы в контактных группах обеспечить хорошее сопряжение. Долгое время для зачистки применялись только эксимерные лазеры.  Основным недостатком таких источников является большая энергоемкость процесса (количество затрачиваемой энергии излучения на единицу массы удаляемого материала), что приводит к низкой производительности процесса очистки. Сегодня для зачистки проводов все чаще обращаются к CO₂ лазерам – их стоимость значительно ниже, а свойства не уступают традиционным эксимерным источникам.

Рисунок 3. Фрагмент многожильного кабеля с изоляцией. Снятие изоляции проводилось с помощью CO₂ лазера (снимок сделан в лаборатории предприятия LightMachinery)

.

Рисунок 4. Одножильный провод с изоляцией на основе полиимида. Снятие проводилось с помощью CO₂ лазера (снимок сделан в лаборатории предприятия LightMachinery)

Важные особенности и границы применений
Несмотря на перечисленные свойства и преимущества CO₂ лазеров перед эксимерными источниками, нельзя утверждать об их полной взаимозаменяемости. Карбондиоксидные лазеры излучают более длинные волны, поглощение которых в полимерах относительно невелико – это оптимально для создания тонких пленок на поверхности толщиной 1-2 мкм или для удаления тонкого слоя полимеров. Мощности такого лазера не хватит для снятия обжима клемм и изоляции, возникнут неудобства при попытке очистить запаянный провод. После обработки карбондиоксидным лазером остаточный слой удаляется химическим промыванием (обычно раствором перманганата) – этот метод широко применяется в разработке печатных плат.

Однако химическое воздействие на материал недопустимо в производстве медицинских изделий, и одно из решений в этом случае – применение аппаратов, содержащих сразу два типа лазеров: CO₂ и эксимерный. Обработка медицинских инструментов производится также в два этапа – остатки полимеров удаляются эксимерным лазером, эффективность обработки достигается главным образом за счет второго источника.

Стоимость

CO₂ и эксимерный лазер, излучающие волны одинаковой мощности, различаются в стоимости почти в 2 раза, еще большее различие проявляется в расчете стоимости работы: один цикл эксплуатации эксимерного лазера мощностью 80-100 Вт (средний показатель) обойдется дороже 20$. При этом учтена стоимость рабочего газа, запасных частей – лазерных трубок, срок службы которых рассчитан на 1-2 миллиарда импульсов. Эксплуатационные расходы на CO₂ лазер составят менее 2$ в час. Благодаря значительно более низкой стоимости работы и высокой производительности, CO₂ источники привлекательны для промышленной отрасли.

Отметим также, что и затраты на установку, комплектующие для этого вида обойдутся значительно дешевле.

Не стоит забывать и о том, что в отличие от практически безвредного углекислого газа, в эксимерных лазерах в качестве активной среды применяются токсичный и едкий газ, фтор. Это может представлять проблему для здоровья и безопасности людей. Хранение такого оборудования возможно только в специальных вентилируемых шкафах.

Выводы

Экономическая выгодность лазеров на CO₂ становится причиной дискуссий. Продолжается тенденция замены эксимерных лазеров на более компактные, безопасные и производительные CO₂ лазеры. Конечно, выбор определяется прежде всего конкретным приложением и замена возможна не во всех случаях, что всегда подтверждается на практике.

© LightMachinery Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции LightMachinery на территории РФ