Применение технологии лазерного управляемого термораскалывания для резки тонкого покровного стекла в производстве солнечных батарей

МГУПИ

ОАО”МЗ “Сапфир”

ОАО “Сатурн”

Применение технологии лазерного  управляемого термораскалывания для резки тонкого покровного стекла в производстве солнечных батарей

Номинация: Идеи 21-го века - перспективные разработки

Авторы :

инженер          

инженер          

Руководители проекта:   

д.т.н., проф.                   

нач. сектора                    С.Г.

Москва

Краснодар

2008

Применение технологии лазерного  управляемого термораскалывания для резки тонкого покровного стекла в производстве солнечных батарей

В.С., 

Московский государственный университет Приборостроения и информатики

,

ОАО “Сатурн”, г.Краснодар, Солнечная, 6, : ikc@zit.kuban.ru

Традиционным методом разделения стеклянных пластин является механическое скрайбирование, которое в последнее время для некоторых материалов заменяется лазерным скрайбированием. Недостатками обоих методов разделения являются:

-  наличие  двух стадий разделения – скрайбирования  материала по линии разделения и последующего механического разламывания;

-  низкое качество реза (остаточные напряжения и микродефекты вдоль линии реза, сколы); в случае, когда пластина является подложкой при производстве современных твердотельных приборов по групповой технологии:

- значительные – до 30% потери материала разрезаемых пластин за счет ширины канавки скрайбирования;

-  до 10%  брака получаемых приборов на указанных выше операциях;

-  разрушительное воздействие процесса разделения на функциональные и эксплуатационные параметры получаемых приборов.

Метод лазерного управляемого термораскалывания [1], [2] имеет ряд преимуществ перед остальными известными методами прецизионного раскроя материалов, используемых в микроэлектронике:

-  ширина реза равна нулю;

-  высокая энергоэкономичность процесса лазерного управляемого термораскалывания перед всеми известными технологиями прецизионного раскроя материалов. Это объясняется тем, что энергия лазерного излучения в данном методе расходуется лишь на разрыв межатомных связей материала;

-  повышение  механической прочности изделий до двух раз за счет отсутствия остаточных напряжений и микродефектов вдоль линии реза;

-  высокая скорость разделения, достигающая 400 мм/с;

-  высокая точность раскроя материалов.

Отличительной особенностью метода лазерного управляемого термораскалывания является то, что разделение материала происходит не за счет испарения материала вдоль линии резки, а за счет образования разделяющей трещины под действием напряжений растяжения, возникающих при поверхностном нагреве материала лазерным излучением и последующем охлаждении зоны нагрева с помощью хладагента.  

Для реализации и оптимизации режимов лазерного управляемого термораскалывания для различных материалов необходимо установить и исследовать взаимосвязь между основными параметрами, характеризующими этот процесс, а именно:

1.  Оптические, механические и теплофизические свойства разделяемого материала;

2.  Длина волны излучения;

3.  Мощность и плотность мощности лазерного излучения;

4.  Форма и размеры пучка, попадающего на поверхность материала;

5.  Относительная скорость перемещения лазерного пучка и материала;

6.  Количество хладагента и место подачи его в зоне резки.

Для определения этих параметров, влияющих на разделение материала, и связи между ними необходимо найти температурные поля и поля термоупругих напряжений, которые возникают в результате нагрева поверхности материала движущимся тепловым источником.

При термораскалывании подложек из сапфира, кремния, арсенида галлия и др. необходимо учитывать анизотропию данных материалов, т.е. при изменении направления разделения относительно первого возможно изменение технологического режима.

1 - лазер;         2 - блок питания 3, 7 - поворотное зеркало;  4 - заслонка;                         5 - пневмоцилиндр;             6 - поглотитель;                    8 – видеокамера;                   9 - Z-привод; 10 - объектив;                       11 - coil-motor;                   12 - форсунка;                       13 - подложка; 14 - вакуумный столик; 15 - координатный стол, φ- привод; 16 - координатный стол, X- привод; 17 - координатный стол, Y- привод; 18 - блок управления установкой.

Рис. 4. Блок-схема промышленной установки для лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин.

Электрические параметры и характеристики

1.  Длина волны излучения - 10,6 мкм.

2.  Тип излучения - одномодовый TEM₀₀.

3.  Режим излучения – непрерывный.

4.  Мощность излучения в непрерывном режиме - 20 Вт.

5.  Форма пучка излучения после фокусирующей системы – эллиптическая, длинная полуось – 5-6 мм, короткая 0,3…0,8 мм.