Neue Laser-Diamantwerkzeuge zur Bearbeitung von Keramik und Halbleitermaterialien

Dr. John Patten, Professor für Fertigungstechnik an der Western Michigan University, hat eine mikrolasergestützte Verarbeitungstechnologie namens „μ-LAM“ entwickelt, die Laser mit Diamantwerkzeugen kombiniert, um Siliziumhalbleiter und Keramik zu erhitzen, zu erweichen und zu schneiden Materialien.

John Patten sagte: „Diese Materialien sind normalerweise sehr spröde und neigen dazu, leicht zu brechen, wenn man versucht, sie zu verformen oder zu verarbeiten. Indem wir diese Materialien weicher machen, können wir ihre Flexibilität erhöhen und sie einfacher zu verarbeiten.“

Das μ-LAM-Verarbeitungsgerät integriert einen Infrarot-Faserlaser (Wellenlängenbereich 1000–1500 nm). Der Laserstrahl wird durch ein Einzelpunkt-Diamantwerkzeug mit hoher optischer Klarheit auf das Werkstück gestrahlt und erhitzt das Werkstückmaterial auf mehr als 600 °C. Das Diamantwerkzeug mit einem Spitzenbogenradius von 5 μm bis 5 mm wird durch Epoxidharzbindung (geeignet für Laserleistungsbearbeitung im Milliwattbereich) oder Schweißen/Löten (geeignet für Laserleistungsbearbeitung mit 1 Watt oder mehr) mit einem Laser verbunden, der in einem Gehäuse aus Wolfram oder Karbid montiert ist. .

Andere Ingenieure haben verschiedene Methoden zur Bearbeitung spröder Materialien (z. B. Keramik) ausprobiert. Eine Methode besteht darin, das Werkstück vor der Bearbeitung in einem Ofen zu erhitzen; Die andere Methode besteht darin, Lasererwärmung und Diamantwerkzeugschneiden getrennt zu verwenden. Die von Patten erfundene Methode integriert den Laser und das Diamantwerkzeug zusammen und bietet daher offensichtliche Vorteile. Er erklärte: „Die Dinge sind einfacher, weil der Laser und das Werkzeug ausgerichtet sind und die Lasererwärmung direkt an der Schneidkante des Werkzeugs erfolgt, sodass der beste Bearbeitungseffekt erzielt werden kann. Darüber hinaus wird das Werkstückmaterial nicht überhitzt.“ .'

Patten sagte, dass die μ-LAM-Verarbeitungstechnologie auch die Verarbeitungszeit und die Verarbeitungskosten reduzieren und sehr glatte optische Oberflächen erzielen könne. „Wenn Sie mit herkömmlichen Bearbeitungsmethoden ein optisches Element (z. B. einen Reflektor) herstellen möchten, müssen Sie normalerweise mit einem gegossenen Werkstückrohling beginnen und dann eine Reihe von Bearbeitungsschritten durchlaufen: Grobschleifen, Feinschleifen usw Schleifen, bevor Sie es endgültig formen können, ersetzt die ursprüngliche Prozessreihe, das Schneiden mit einem Einspitz-Diamantwerkzeug auf einer CNC-Werkzeugmaschine, und kann auch eine hervorragende Oberflächenrauheit (Ra1–10 nm) erzielen.

Patten arbeitet mit einem japanischen Unternehmen zusammen, um eine kommerzielle Anwendung des μ-LAM-Systems zu erreichen. Er geht davon aus, dass die Erfindung in einer Reihe von Branchen Einzug halten wird, darunter in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, Medizintechnik, Halbleiter- und Optikindustrie. „Unser ursprüngliches Ziel bestand darin, die Optik- und Halbleiterindustrie ins Visier zu nehmen, aber jetzt scheint es, dass die meisten Anwendungen in mikroelektronischen Geräten mit hoher Energie und hoher Temperatur stattfinden werden“, sagte er. „In der Halbleiterindustrie sind Siliziumwafer Träger von Chips und integrierten Schaltkreisen, und unter Hochtemperatur-Arbeitsbedingungen wird Siliziumkarbid verwendet. Daher konzentriert sich heute fast unsere gesamte Energie auf die Verarbeitung von Siliziumkarbid.“ '