Laserreinigung

Verständnis der Prinzipien und Anwendungen der Laserreinigungstechnologie

Die Prinzipien und Anwendungen der Laserreinigungstechnologie verstehen | Laserchina

Entdecken Sie mit diesem umfassenden Leitfaden die revolutionäre Welt der Laserreinigungstechnologie. Erfahren Sie mehr über die Prinzipien, Arten und vielfältigen Anwendungen dieser hochpräzisen Reinigungsmethode, die die Branche verändert.

Einführung in die Laserreinigung Technologie

Das Aufkommen der Laserreinigungstechnologie stellt einen revolutionären Sprung auf dem Gebiet der Reinigungsmethoden dar. Diese innovative Technik nutzt die hohe Energiedichte, Präzision und effiziente Leitfähigkeit von Lasern und bietet klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Reinigungsmethoden in Bezug auf Effizienz, Präzision und die Möglichkeit, bestimmte Stellen zu reinigen. Einer der größten Vorteile ist die Vermeidung der Umweltverschmutzung, die typischerweise mit chemischen Reinigungsmethoden einhergeht, ohne dabei den Untergrund zu beschädigen.

Das Prinzip der Laserreinigung

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Bei der Laserreinigung werden Materialien von festen (oder manchmal flüssigen) Oberflächen entfernt, indem sie einem Laserstrahl ausgesetzt werden. Bei niedrigen Laserfluenzen erhitzt die absorbierte Laserenergie das Material und verdampft oder sublimiert es. Bei hohen Fluenzen wandelt sich das Material häufig in Plasma um. Typischerweise bezieht sich Laserreinigung auf gepulste Laseranwendungen zur Materialentfernung, aber bei ausreichender Intensität können Dauerstrich-Laserstrahlen auch Material abtragen. Für die Photoablation werden hauptsächlich im tiefen Ultraviolettbereich arbeitende Excimerlaser mit Wellenlängen um 200 nm eingesetzt. Die Tiefe der Laserenergieabsorption und die Materialmenge, die durch einen einzelnen Laserimpuls entfernt wird, hängen von den optischen Eigenschaften des Materials sowie von der Wellenlänge und Impulsdauer des Lasers ab. Die durch jeden Impuls abgetragene Gesamtmasse, die üblicherweise als Ablationsrate bezeichnet wird, wird maßgeblich von Lasereigenschaften wie der Strahlabtastgeschwindigkeit und der Überlappung der Abtastlinien beeinflusst.

Arten der Laserreinigungstechnologie

  • Trockene Laserreinigung: Bei dieser Methode wird das Werkstück direkt mit einem gepulsten Laser bestrahlt, wodurch das Substrat oder die Oberflächenverunreinigungen Energie absorbieren und die Temperatur ansteigen, was zu einer Wärmeausdehnung oder Substratvibration führt und zu deren Trennung führt. Dies kann auf zwei Arten geschehen: Entweder dehnen sich die Oberflächenverunreinigungen bei Laserabsorption aus, oder das Substrat vibriert aufgrund der laserinduzierten Wärme.
  • Nasse Laserreinigung: Vor der gepulsten Laserbestrahlung wird ein Flüssigkeitsfilm auf die Oberfläche des Werkstücks aufgetragen. Durch den schnellen Temperaturanstieg des Flüssigkeitsfilms unter dem Einfluss des Lasers verdampft dieser und erzeugt eine Stoßwelle, die auf die Schadstoffpartikel trifft und diese vom Untergrund löst. Diese Methode erfordert, dass das Substrat und der Flüssigkeitsfilm nicht reagieren, wodurch die Auswahl an anwendbaren Materialien eingeschränkt wird.
  • Laserinduzierte Plasma-Stoßwellenreinigung: Eine kugelförmige Plasma-Stoßwelle wird erzeugt, wenn der Laserstrahl während der Bestrahlung die Luft ionisiert. Die Stoßwelle trifft auf die Oberfläche des zu reinigenden Werkstücks und setzt dabei Energie frei, die Verunreinigungen entfernt, ohne den Untergrund zu beeinträchtigen. Diese Technik kann Partikelverunreinigungen mit einem Durchmesser von bis zu mehreren zehn Nanometern reinigen und ist nicht durch die Laserwellenlänge begrenzt.

Die physikalischen Prinzipien der Plasmareinigung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  1.  Der vom Laser emittierte Laserstrahl wird von der Schmutzschicht auf der zu behandelnden Oberfläche absorbiert.
  2.  Durch die hohe Energieabsorption entsteht ein schnell expandierendes Plasma (ein stark ionisiertes, instabiles Gas), das eine Stoßwelle erzeugt.
  3.  Die Stoßwelle zerkleinert die Schadstoffe, die dann ausgeschleudert werden.
  4.  Die Impulsbreite des Lichts muss kurz genug sein, um eine thermische Ansammlung zu vermeiden, die die behandelte Oberfläche beschädigen könnte.
    e) Experimente zeigen, dass sich das Plasma an der Metallgrenzfläche bildet, wenn sich Oxide auf einer Metalloberfläche befinden.

Plasma wird nur dann erzeugt, wenn die Energiedichte einen Schwellenwert überschreitet, der von der zu entfernenden Verunreinigungs- oder Oxidschicht abhängt. Dieser Schwelleneffekt ist für eine effektive Reinigung unerlässlich und gewährleistet gleichzeitig die Sicherheit des Trägermaterials. Für die Plasmabildung gibt es eine zweite Schwelle; Eine Überschreitung könnte den Untergrund beschädigen. Um eine effektive Reinigung ohne Beschädigung des Substrats zu gewährleisten, müssen die Laserparameter so angepasst werden, dass die Pulsenergiedichte genau zwischen den beiden Schwellenwerten liegt.

Ursprünglich wurden diese drei Arten von Laserreinigungstechnologien entwickelt, um mikroskopisch kleine Partikel von Halbleiterwafern zu entfernen. Sie entstanden parallel zur Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie. Mittlerweile wird die Laserreinigung jedoch auch in anderen Bereichen eingesetzt, beispielsweise beim Reinigen von Reifenformen, beim Entfernen von Farbe von Flugzeughäuten und bei der Restaurierung von Oberflächen kultureller Relikte.

Anwendungen der Laserreinigungstechnologie

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Halbleiterfeld

Die Reinigung von Halbleiterwafern und optischen Substraten umfasst ähnliche Prozesse: Formung von Rohmaterialien durch Schneiden, Schleifen und andere Methoden. Bei diesen Prozessen werden partikuläre Verunreinigungen eingetragen, die nur schwer zu entfernen sind und ein ernstes Risiko einer erneuten Kontamination darstellen. Verunreinigungen auf der Oberfläche von Halbleiterwafern können die Qualität des Leiterplattendrucks beeinträchtigen und die Lebensdauer von Halbleiterchips verkürzen. Verunreinigungen auf optischen Substraten können die Qualität optischer Geräte und Beschichtungen beeinträchtigen und möglicherweise zu einer ungleichmäßigen Energieverteilung und einer verkürzten Lebensdauer führen.

Da die trockene Laserreinigung leicht zu Schäden am Substrat führen kann, ist ihr Einsatz bei der Reinigung von Halbleiterwafern und optischen Substraten begrenzt. In diesem Bereich wurden die Nasslaserreinigung und die laserinduzierte Plasmastoßwellenreinigung erfolgreicher eingesetzt.

Bereich Metallmaterial

Bei der Reinigung metallischer Materialoberflächen entstehen Verunreinigungen im makroskopischen Bereich, im Gegensatz zu den mikroskopischen, die auf Halbleiterwafern und optischen Substraten zu finden sind. Zu den Verunreinigungen auf Metalloberflächen gehören typischerweise Oxidschichten (Rost), Farbschichten, Beschichtungen und andere Anhaftungen, die organisch (Farbe, Beschichtungen) oder anorganisch (Rost) sein können.

Die Reinigung von Metalloberflächenverunreinigungen dient hauptsächlich der Vorbereitung für die spätere Verarbeitung oder Nutzung. Beispielsweise ist es erforderlich, vor dem Schweißen von Titanlegierungsteilen eine etwa 10 μm dicke Oxidschicht zu entfernen, oder bei der Überholung eines Flugzeugs die ursprüngliche Lackschicht von der Haut zu entfernen, um sie neu zu lackieren. Die regelmäßige Reinigung von Gummireifenformen zur Entfernung anhaftender Gummipartikel ist ebenfalls wichtig, um die Oberflächenreinheit aufrechtzuerhalten, die die Qualität der produzierten Reifen und die Lebensdauer der Formen gewährleistet. Da die Schadensschwelle von Metallmaterialien höher ist als die Laserreinigungsschwelle für ihre Oberflächenverunreinigungen, kann die Auswahl einer Laserreinigungsmaschine mit entsprechender Leistung gute Ergebnisse erzielen, und dies wurde in verschiedenen Bereichen erfolgreich eingesetzt.

Die Laserreinigungstechnologie ist eine fortschrittliche Technik mit breiten Forschungs- und Anwendungsaussichten in High-End-Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, militärischer Ausrüstung und Elektronik. Seine Einsatzmöglichkeiten erweitern sich dank seiner Effizienz, Umweltfreundlichkeit und effektiven Reinigungsergebnisse. Die Technologie ist nicht nur seit langem etabliert Farbentfernung und Rostentfernung, wurde in den letzten Jahren aber auch zur Reinigung der Oxidschichten auf Metalldrähten beschrieben. Die Erweiterung aktueller Anwendungen und die Erschließung neuer Einsatzgebiete legen den Grundstein für die Entwicklung der Laserreinigungstechnologie. Die Entwicklung und Diversifizierung neuer Laserreinigungsgeräte, einschließlich Maschinen, die mehrere Anwendungen abdecken und für bestimmte Zwecke konzipiert sind, ist im Gange. Auch die zukünftige Integration mit Industrierobotern zur Erzielung einer vollautomatischen Laserreinigung ist eine vielversprechende Richtung.

Trends in der Entwicklung der Laserreinigungstechnologie

  • Stärkung der theoretischen Forschung zur Laserreinigung, um deren Anwendung zu leiten. Eine Durchsicht umfangreicher Literatur zeigt, dass es kein ausgereiftes theoretisches System zur Unterstützung der Laserreinigungstechnologie gibt und die meisten Forschungsarbeiten experimenteller Natur sind. Die Etablierung eines theoretischen Systems ist für die weitere Reifung der Laserreinigungstechnologie von grundlegender Bedeutung.
  • Erweiterung der Anwendungen in bestehenden Bereichen und Erforschung neuer Bereiche. Die Laserreinigungstechnologie hat sich in Anwendungen wie der Entfernung von Farbe und Rost ausgereift, und jüngste Berichte haben ihren Einsatz bei der Reinigung der Oxidschichten auf Metalldrähten hervorgehoben. Das Wachstum seiner Anwendungen sowohl in bestehenden als auch in neuen Bereichen ist ein fruchtbarer Boden für die Entwicklung der Technologie.
  • Die Entwicklung neuer Laserreinigungsmaschinen. Zukünftige Geräte werden sich wahrscheinlich diversifizieren, wobei einige Maschinen mehrere Anwendungen abdecken, beispielsweise eine einzelne Maschine, die sowohl Farbe als auch Rost entfernen kann, während andere für bestimmte Aufgaben konzipiert sind und möglicherweise spezielle Vorrichtungen oder Glasfasern zum Entfernen von Verunreinigungen in kleinen Räumen erfordern. Die Zusammenarbeit mit Industrierobotern zur Erzielung einer vollautomatischen Laserreinigung ist ein weiterer heißer Anwendungsbereich.

Zusammenfassung

Die Laserreinigungstechnologie, repräsentiert durch die Laserreinigungsmaschine, ist ein leuchtendes Beispiel moderner Innovation und bietet eine Reihe von Vorteilen, mit denen herkömmliche Reinigungsmethoden nicht mithalten können. Mit der kontinuierlichen Entwicklung neuer Laserreinigungsgeräte und der Ausweitung ihrer Anwendungen auf neue Sektoren sieht die Zukunft der Reinigungsverfahren rosig aus. Als LASERCHINA Obwohl Ingenieure auf diesem Gebiet weiterhin Pionierarbeit leisten, können wir davon ausgehen, dass die Laserreinigung zu einem festen Bestandteil in der Hochpräzisionsindustrie wird und einen neuen Standard für Sauberkeit, Effizienz und Umweltverantwortung setzt.

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