고급 세라믹의 레이저 드릴링

재료 기술의 발전으로 고급 세라믹은 항공 우주, 반도체 및 기타 분야에서 우수한 성능으로 널리 사용되었습니다. 그러나 응용 분야의 많은 세라믹 제품은 전자 패키징 분야와 같이 미세 다공성 가공과 관련된 경향이 있으며, 칩 전도 및 핀 고정 패키징 요구 사항을 충족하고 고도로 통합된 요소 및 냉각 기능 요구 사항을 실현하기 위해 미세 다공성을 가져야 합니다. 기판 표면의 미세 다공성 및 클러스터 배열 홀 펀칭 품질이 중요합니다.

드릴링 세라믹

그러나 첨단세라믹 등 첨단세라믹의 정밀가공은 늘 어려운 일이었습니다. 전통적인 가공방식을 채택할 경우 균열, 재주조층 등의 가공결함이 생기기 쉽고 심지어 균열이 발생하기 쉬우며 가공폐기율도 높다. 현재 "레이저 가공"은 단단하고 깨지기 쉬운 세라믹 재료의 미세 다공성 가공을 위한 전통적인 기계적 가공 대신 새로운 유형의 비접촉 가공 기술로서 최근 몇 년 동안 가공 및 제조 산업에서 연구 핫스팟이 되었습니다. .

레이저 드릴링을 이용한 세라믹 기판 가공

1. 레이저 드릴링의 장점

레이저 가공은 고효율, 고정밀도, 비접촉식(즉, 공구 마모 없음) 가공 특성을 지닌 새로운 유형의 정밀 가공 방법으로 세라믹 소재의 대표적인 고경도, 고취성, 고내성 특성을 갖고 있습니다. 융점 재료 드릴링, 절단, 용접 및 기타 가공 기술 분야에는 상당한 이점이 있습니다. 주로 다음과 같습니다:

(1) 가공효율이 높고 정밀도가 높으며, 대량생산 및 적용이 현실적으로 가능하다.

(2) 고에너지 레이저 빔은 펄스 시간이 짧고, 순간 피크 전력이 매우 높으며, 작용 시간이 상대적으로 짧고, 처리 대상이 넓습니다.

(3) 레이저 가공은 공구가 재료와 직접 접촉할 필요가 없으며 표면 응력이 없으며 가공 영역 결함이 적고 작은 크기, 더 어려운 정밀 가공을 수행할 수 있습니다.

(4) 레이저 가공 시스템은 정보 디지털 기술과 쉽게 통합되어 빛, 전기 및 컴퓨터의 지능적 통합을 실현할 수 있으며 산업화 전망이 좋습니다.

(5) 높은 재료 활용률, 처리 비용 절감

2. 레이저 드릴링의 원리

세라믹 미세 기공을 레이저 가공하고 기공 속의 물질을 제거하는 과정은 여러 물리적 장의 결합과 여러 화학 반응의 동시 작동을 포함하는 복잡한 과정입니다. 구체적으로 레이저 가공에서 재료의 제거 메커니즘은 다음과 같은 측면으로 나눌 수 있습니다.

01 가열 효과 

재료의 레이저 제거 처리는 주로 열 효과를 통해 이루어지며, 열 입력을 통해 재료는 다양한 물리적 상태를 나타냅니다..

레이저 재료 제거 공정은 세 단계로 구분됩니다. 먼저, 재료에 대한 레이저 에너지 방사선이 재료를 녹는점까지 데워 녹는 풀을 형성합니다. 따라서 용융 상태의 재료는 흡수율이 높으므로 용융 풀이 더욱 깊어지고 재료의 가스화 비율이 증가하여 강한 열 응력 장을 형성합니다. 열 응력장의 작용으로 용융 탱크의 물질은 가스 형태로 날아가거나 액체 형태로 튀게 됩니다. 그런 다음 두 번째 단계로 들어가 레이저의 지속적인 작용으로 미세 구멍의 재료가 지속적으로 제거되어 안정적인 형성 단계가 됩니다. 마지막으로 세 번째 단계에서는 미세 구멍과 미세 구멍 입에서 연속적인 레이저 에너지가 많은 수의 플라즈마를 유도하는데, 이러한 플라즈마는 레이저에 강력한 차폐 효과를 생성하며 한편으로는 레이저 방사선이 구멍으로 들어가는 것을 방지합니다. 반면에 구멍에 있는 가스 및 액체 물질의 배출을 방지합니다.

02 포스 효과

레이저 제거 재료 공정, 재료 온도 변화에 따른 온도 장, 더 강렬한 열 응력 장 생성, 재료 제거는 레이저 재료에서 중요한 역할을 하며 표면의 재료 가열 기화는 고온 및 고압을 형성합니다. 증기 그룹과 용융 풀의 용융 재료는 반동 압력을 생성하여 기공 가장자리를 따라 용융 풀의 재료를 자극합니다.

03 열쇠구멍 효과

레이저는 재료에 작용하고 재료는 상 변화를 받아 구멍 내부에서 기화됩니다. 반동 압력으로 인해 녹은 물질이 분출되어 작은 구멍이 생겼습니다. 구멍 내부의 힘을 해석함으로써 구멍의 형성을 위한 전제조건은 구멍 바닥의 기화물질에 의해 발생하는 압력이 표면장력, 정수압, 유동저항의 합력과 같아야 한다는 것이다. .

3. 레이저 4가지 펀칭 방법

레이저 궤적 스캐닝 모드에 따라 레이저 드릴링에 일반적으로 사용되는 방식은 두 가지 종류로 나누어집니다. 하나는 펀치 보링, 즉 펀칭 과정에서 공작물과 레이저 헤드 이동을 통해 가공된 재료 표면 후 레이저 초점을 지속적으로 찾는 것입니다. 미세 다공성 펀치 재료 제거의 펄스 에너지, 주로 단일 펄스 펀칭과 다중 펄스 펀칭 두 가지 범주.

단일 펄스 펀칭은 각 미세 구멍이 단일 펄스로 처리됨을 의미하고, 다중 펄스 펀칭은 충격 펀칭이라고도 알려져 있습니다. 이는 각 미세 구멍이 여러 펄스 중첩 처리로 구성됨을 의미하며, 각 펄스는 처리된 표면의 재료 일부를 제거합니다. , 미세 구멍이 완전히 투명해질 때까지 구멍이 점차 깊어집니다.

펀치 보링

다른 하나는 펀칭의 회전식 절단 방법입니다. 즉, 동일한 공작물을 고정하고 CAD 소프트웨어에 경로를 지정하여 재료 제거를 위한 특정 경로 스캐닝에 따라 레이저를 사용하며 일반적으로 링 스캐닝 펀칭 및 나선형 스캐닝을 포함하여 사용됩니다. 펀칭.

원형 스캐닝 펀칭은 다중 동심 스캐닝 펀칭을 말하며, 나선형 스캐닝 펀칭은 레이저 스캐닝 경로가 나선형 선 모양임을 나타냅니다. 구체적인 가공 과정은 아래 그림과 같이 원형 스캐닝 경로를 기준으로 반경 방향의 이송 이동을 추가하는 것입니다.

나선형 스캐닝 펀칭

비교하다:

(1) 임팩트 펀칭은 로터리 펀칭보다 가공 시간이 짧기 때문에 효율성이 높습니다. 처리 시간이 짧을수록 열 입력이 적어서 미세 기공 품질이 좋지 않습니다. 상대적으로 말하면 회전 방법은 CAD 소프트웨어를 사용하여 스캐닝 경로를 계획하는 것이 더 높은 유연성을 갖습니다. 동시에 최소 스폿은 레이저의 효율성을 최대한 발휘하고 미세 구멍의 라운딩이 크게 향상될 뿐만 아니라 정사각형, 삼각형, 다각형 및 기타 특수 모양의 구멍 가공도 실현할 수 있습니다.

(2) 회전 절단 방식에서 환형 회전 스캐닝 및 펀칭에 사용되는 레이저는 일반적으로 나노초 또는 밀리초 레이저이며, 광학 프리즘의 특정 궤적의 회전을 통해 빔이 스캔됩니다. 실험을 통해 충격법과 비교하여 홀 벽과 오리피스 라운딩이 크게 개선되었음을 알 수 있습니다. 회전 절단 가공은 구멍 내부의 용융된 재료를 배출할 수 있는 더 나은 기회를 가지므로 테이퍼도 크게 향상됩니다. 홀 품질이 높고 효율성이 약간 떨어지지만 여전히 빠른 대량 생산 요구를 충족합니다. 따라서 링 스캐닝 펀칭은 산업 생산, 고품질 요구 사항의 미세 기공 대량 생산에 적합합니다.

(3) 나선형 스캐닝 처리는 절단 처리의 회전을 기반으로 환형 중심으로 점차 이동하는 광점을 추가하여 나선형 궤적의 스캐닝 처리를 실현합니다. 실험 결과에 따르면 정확도, 실린더 정도, 테이퍼 및 기타 미세 기공 품질이 크게 향상되지 않은 것으로 나타났습니다. 동시에, 점진적인 스팟 이동 추가로 인해 프로세스가 더욱 복잡해지고 효율성이 감소합니다. 따라서 나선형 스캐닝 드릴링은 산업 대량 생산에 적합하지 않습니다.

4. 펀칭 기술의 주요 지표

레이저 드릴링 후에는 다양한 정량적 지표를 사용하여 작은 구멍의 가공 품질을 평가해야 합니다. 일반적인 지표에는 구멍의 크기와 형태가 포함됩니다. 구멍 크기 측면에서 고려해야 할 두 가지 주요 측면은 직접 측정할 수 있는 구멍 크기와 진원도, 그리고 간접적으로 측정할 수 있는 구멍 테이퍼입니다. 홀 형태 측면에서는 표면 형태와 측벽이 주로 고려됩니다.

01 구멍 크기 

(1) 구멍 직경 크기

작은 구멍의 기공 크기는 가공 능력과 정밀도를 특징짓는 가장 기본적인 매개변수 중 하나입니다. 실제 가공 시 작은 구멍의 형상은 완전한 원형이 아닌 타원이 대부분이므로 작은 구멍의 직경을 나타내기 위해서는 일반적으로 타원의 최대 직경과 최소 직경의 평균을 사용합니다. 측정 방법은 그림에 나와 있습니다. 입구 및 출구 직경을 측정할 때에는 네 방향의 직경 d 1 ~ d 4 를 취하고 인접한 두 직경의 각도를 45°로 하여 평균값을 계산한다.

구멍 크기 측정

(2) 진원도 

진원도는 이상적인 원에 대한 실제 프로파일의 방사형 오프셋을 특징으로 합니다. 즉, 실제 윤곽선과 동일한 중심 아래의 이론상의 완전원 사이의 최대 반경과 최소 반경의 차이를 나타냅니다. 이 차이는 장축과 단축 사이의 거리를 두 축의 평균 비율로 나눈 값인 "이심률"이라고도 합니다.

최대 및 최소 반경

(3) 테이퍼

관통 구멍의 입구 및 출구 구멍의 일관성은 테이퍼 크기에 의해 반영될 수 있습니다. 테이퍼를 계산할 때 아래 공식을 사용해야 합니다. 여기서 D1은 입구 직경을 나타내고, D2는 출구 직경을 나타내고, h는 구멍 깊이, 즉 재료 두께를 나타냅니다.

02 구멍의 모양

가공 품질을 평가할 때는 구멍의 표면 형태와 측벽 형태를 포함하는 구멍의 형태에 중점을 둘 필요가 있습니다. 디지털 현미경 시스템과 주사전자현미경(SEM) 및 기타 장비를 사용합니다.

(1) 표면 형태

샘플 형태의 관찰은 주로 오리피스에 붕괴 가장자리, 오리피스 스플래시 및 용융 물질 축적과 같은 명백한 결함이 있는지 여부를 연구하는 것입니다. 이러한 결함의 존재와 다양한 처리 매개변수 하에서 결함의 심각도를 조사하는 것은 처리 매개변수를 최적화하는 중요한 단계입니다.

구멍의 표면 형태 형태 다이어그램

(2) 측벽 형태

구멍 측벽 형태를 관찰하는 것은 레이저 가공 품질을 평가하는 데 매우 중요합니다. 일반적으로 절단기 또는 기타 장치를 사용하여 구멍을 따라 가공물을 분할하여 균열, 박리 및 재용해 유무에 초점을 맞춰 명확한 시각적 관찰을 보장합니다. 이러한 결함이 있으면 아티팩트의 성능과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 결함을 관찰하고 식별함으로써 프로세서가 레이저 처리 매개변수를 개선하고, 처리 품질을 최적화하며, 아티팩트의 신뢰성과 수명을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

구멍 결함 형태 다이어그램의 측벽 형태

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