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厉害!我国首台半导体激光切割机研发成功,激光技术迎来新突破

星之球科技 来源:中关村在线2020-06-02 我要评论(0 )   

5月8日,中国电子旗下中国长城郑州轨道交通信息技术研究院和河南通用智能装备有限公司,历时一年,联合攻关,成功研制我国首台半导体激光隐形晶圆切割机,实现了在这方...

5月8日,中国电子旗下中国长城郑州轨道交通信息技术研究院和河南通用智能装备有限公司,历时一年,联合攻关,成功研制我国首台半导体激光隐形晶圆切割机,实现了在这方面“零的突破”。

半导体激光隐形晶圆切割机


此次我国半导体激光隐形晶圆切割技术取得实质性重大突破,也就意味着相关装备依赖进口的局面即将打破,对进一步提高我国智能装备制造能力具有着里程碑式的意义。

灵魂拷问——你眼中的激光切割是怎样的?

从爱因斯坦的激光理论提出到现在,激光从诞生到应用,经历了100多年的演变和发展,它被誉为“最快的刀、最准的尺、最亮的光”。

与传统的切割方式相比,激光切割属于非接触式加工,可以避免对晶体硅表面造成损伤,并且具有加工精度高、加工效率高等特点,可以大幅提升芯片生产制造的质量、效率、效益。


“削铁如泥”的激光切割

就是它字面的意思,激光切割就是一种利用经聚焦的高功率密度激光束切割材料的技术。而且,激光切割属于热切割的一种。为什么这么说?让我们详细了解一下激光切割的原理。

激光切割系统是通过使用激光聚焦系统,将高能激光聚焦到材料表面,材料吸收激光能量导致局部被加热到熔点以上。同时,同轴高压气体或产生的蒸汽将熔融的金属吹离,在材料表面产生空洞。随着激光沿着设定程序的移动,最终将材料切割出对应图案的形状。


四大激光切割类型 适用多种应用场景

一般来说,激光切割可分为激光气化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。这四种激光切割方法的切割功率及功率密度不同,使其可以适用于不同的工业应用场景。

激光气化切割利用高能量密度的激光束加热工件,使温度迅速上升,在非常短的时间内达到材料的沸点,材料开始汽化,形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大,在蒸气喷出的同时,在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大,所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。

激光融化切割这种切割方式的原理是激光辐照导致材料熔化,与光束同轴的喷嘴喷吹有较大压力的非氧化性气体(Ar、He、N2等)使液态金属排出,形成切口。

激光熔化切割不需要使金属完全气化,所需能量也只有气化切割的1/10,因此这种切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割,如不锈钢、钛、铝及其合金等。

激光氧气切割激光氧气切割原理是用氧气与切割金属作用,发生氧化反应,放出大量的氧化热,同时,被激光熔融的材料又被氧气从反应区吹出并形成切口。

氧化反应为放热反应,使得这种方法所需能量只是熔化切割的1/2,但切割速度比气化切割和熔化切割都快,所以这种切割方法主要用于一些较难切割的物料,如碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

激光划片与控制断裂激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描,使材料受热蒸发出一条小槽,然后施加一定的压力,脆性材料就会沿小槽裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。

控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布,在脆性材料中产生局部热应力,使材料沿小槽断开。

新型高功率激光切割机更受市场青睐

常见的激光切割机是:光纤激光切割机和CO2激光切割机。顾名思义,二者所使用的激光分别来源于光纤激光器和CO2激光器。

CO2激光(左)和光纤激光(右)波长


不难看出,光纤切割器相较于CO2激光器而言,光纤激光的波长更长,它的光电转化率能达到25%以上,CO2激光的光电转化率只有10%左右。

因此,不论是从切割效果还是企业成本上看,光纤激光器凭借其出光功率高、光斑尺寸小等优势,所占市场早已远超CO2激光器,并仍在增长之中。

新型激光切割技术引领工艺新潮流

随着技术的发展,光纤激光发生器逐步替代了CO2激光发生器。数控冲床-光纤激光切割复合加工工艺克服了早期冲床与CO2激光切割组成的复合加工设备所有缺点,较原有的冲剪复合加工和多次定位单机加工工艺优势明显,得到迅速的推广应用。

一路走来,中国激光切割行业经历了一系列变革。从最初的CO2激光切割机到光纤切割机,再到我国首台半导体激光隐形晶圆切割机的成功研发。

实践告诉我们:“关键技术是要不来、买不来、讨不来的”。高端智能装备是国之重器,是制造业的基石。只有把智能装备制造的关键技术掌握在自己手里,才能扛起新时代工业发展的重任,推动我国国民经济切实长远的发展。

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制造业激光器激光技术

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