اصول و کاربردهای میکرو لیزر فوق سریع-ننو جوشکاری

01 مقدمه

با پیشرفت مستمر علم و فناوری و استفاده گسترده از مواد جدید، تولید مدرن به سرعت در حال توسعه به سمت مسیرهای سبک، کوچک و{0}}با دقت بالا است. در زمینه هایی مانند میکروالکترونیک، اپتوالکترونیک، و میکرو{2}}سیستم های الکترومکانیکی (MEMS)، اتصال و ادغام ساختارهای میکرو-نانو از اهمیت ویژه ای برخوردار است. روش‌های پردازش سنتی، مانند-پردازش لیزر پالس طولانی یا ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی، اغلب با گرمای قابل‌توجه-مناطق متأثر از حرارت (HAZ) همراه هستند، که به راحتی می‌تواند منجر به تغییر شکل مواد، ریزترک‌ها یا لایه‌های مجدد شود و برآوردن الزامات-دقت بالای اتصال متقابل و در مقیاس نانو{8} را دشوار می‌کند. لیزرهای فوق سریع، که معمولاً به لیزرهایی با عرض پالس در محدوده فمتوثانیه (fs) یا پیکوثانیه (ps) اشاره می کنند، به دلیل چگالی توان بسیار بالا و زمان تعامل فوق{10}کوتاه، راه حل جدیدی برای ساخت دقیق ارائه می دهند. به ویژه، میکرو{12}}ننو جوشکاری لیزری فوق سریع (جوش نانو) می تواند بر محدودیت های انتشار حرارتی جوشکاری سنتی غلبه کند و به اتصالات دقیق در مقیاس میکرو{13}}نانو دست یابد. این فناوری از اثرات غیرخطی برهمکنش لیزر فوق سریع با مواد برای رسیدن به ذوب و پیوند در مناطق بسیار کوچک و در عین حال جلوگیری از آسیب به ساختارهای اطراف استفاده می کند. بر اساس آخرین پیشرفت‌ها در پردازش ریزساختار لیزری فوق سریع، این مقاله بر توضیح اصول اولیه جوشکاری میکرو{16}نانو لیزر فوق سریع، پارامترهای فرآیند کلیدی و کاربردهای معمول آن در سیستم‌های مواد مختلف تمرکز دارد.

02 اولترا-اصل جوشکاری لیزری سریع

مکانیسم اصلی جوشکاری میکرو{0}نانو لیزری فوق سریع در فرآیند ترمودینامیکی و اثر افزایش میدان موضعی نهفته است. اصل اساسی این است که از طریق تعامل بین لیزر فوق سریع و ماده، رابط تماس ریزساختارهای جوش داده شده تحت ذوب موضعی قرار می گیرد، در نتیجه شکاف ها از بین می روند و یک اتصال پایدار تشکیل می شود. در فرآیند جوشکاری ساختارهای زیرموج مانند نانوسیم‌ها، تابش لیزر فمتوثانیه می‌تواند رزونانس پلاسما موضعی را القا کند، که میدان‌های دمایی بالا{3} موضعی را در نقاط متقاطع یا نواحی تماس نانوسیم‌ها ایجاد می‌کند و امکان اتصال، برش یا تغییر شکل نانوسیم‌ها را فراهم می‌کند. مزیت قابل توجه این فناوری محلی سازی حرارتی بسیار بالای آن است. به دلیل عرض پالس فوق کوتاه لیزر فوق سریع (معمولاً در مقیاس فمتوثانیه)، انتشار گرما به طور قابل توجهی سرکوب می شود و به دمای کلی اجازه می دهد در عرض 10-12 ثانیه به تعادل برسد. این مکانیسم آرامش حرارتی فوق سریع تضمین می کند که دماهای بالا فقط به مناطق محلی که تشدید پلاسما رخ می دهد محدود می شود، در حالی که مناطقی از ساختار نانوسیم خارج از منطقه تشدید توسط دمای بالا آسیب نمی بیند و در نتیجه یکپارچگی ساختاری دستگاه حفظ می شود. علاوه بر این، انتخاب پارامترهای فرآیند جوشکاری تاثیر تعیین کننده ای بر کیفیت جوش دارد. مطالعات نشان داده‌اند که استفاده از نرخ تکرار پالس بالا همراه با انرژی پالس کم می‌تواند به طور موثری تشکیل ترکیبات بین‌فلزی شکننده را کاهش دهد، بروز عیوب جوش را کاهش دهد و از فرسایش بیش از حد مواد فلزی جلوگیری کند.

شکل 1. نمودار شماتیک یونیزاسیون غیرخطی، تکامل پلاسما، و مکانیسم های ترمودینامیکی برهمکنش لیزر فوق سریع با سیلیکون.

شکل 2. مقایسه مکانیسم های رسوب انرژی و فرآیندهای تبدیل فاز فلزات و مواد غیرفلزی در جوشکاری میکرو-نانو لیزری فوق سریع.

03 کاربردهای جوشکاری لیزر فوق سریع

در حال حاضر، فناوری جوشکاری میکرو{0}نانو لیزر فوق سریع به طور گسترده برای اتصال ساختارهای میکرو{1}}نانو رسانای مختلف استفاده شده است. بسته به ویژگی‌های مواد، می‌توان آن را عمدتاً به جوشکاری میکرو{3}}نانو ساختار فلزی، جوشکاری نانومواد نیمه‌رسانا و جوشکاری ناهمگونی مواد غیرمشابه تقسیم کرد. در این سه سناریو کاربردی، لیزرهای فوق سریع مزایای قابل توجهی را نسبت به فرآیندهای سنتی نشان داده‌اند.

از نظر اتصال دقیق ساختارهای میکرو{0}نانو فلزی، فناوری‌های جوشکاری میکرو{1} سنتی اغلب هنگام کار با سیم‌های فلزی در مقیاس میکرون- یا نانومتری-به دلیل مشکل در کنترل دقیق حرارت ورودی، با اثرات سرریز حرارتی شدید مواجه می‌شوند. این بار حرارتی بیش از حد نه تنها به راحتی مفتول های فلزی ریز را ذوب می کند، بلکه تمایل به ایجاد ترکیبات بین فلزی شکننده در محل اتصال فلزات غیر مشابه دارد که منجر به استحکام مکانیکی پایین و نقص های مکرر جوش می شود. در مقابل، جوشکاری لیزر فوق سریع، با به کارگیری یک استراتژی فرآیند منحصر به فرد که نرخ تکرار پالس بالا را با انرژی پالس کم ترکیب می کند، به طور موثر بر این چالش ها غلبه می کند. این هم افزایی فرکانس تکرار بالا و انرژی کم، انباشت انرژی کافی برای جوشکاری را تضمین می کند و در عین حال به طور قابل توجهی فرسایش بیش از حد مواد فلزی را کاهش می دهد، در نتیجه به طور موثر تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده را سرکوب می کند و عیوب جوش را به حداقل می رساند.

در کاربردهای خاص، محققان اولین کسانی بودند که از این فناوری برای دستیابی به جوشکاری سیم‌های میکرو{0} Ag به زیرلایه‌های مس استفاده کردند و پتانسیل آن را در اتصالات میکروالکترونیکی نشان دادند. علاوه بر این، برای نانوسیم‌های فلزی همگن Ag{2}}Ag در مقیاس نانو، محققان با موفقیت نانوسیم‌ها را با استفاده از پالس‌های فوق کوتاه 35 fs با چگالی انرژی تقریباً 90 mJ/cm² جوش دادند. اتصالات حاصل نه تنها از نظر ساختاری دست نخورده بودند، بلکه هدایت الکتریکی و استحکام مکانیکی عالی را نیز حفظ کردند.

در اتصال غیرمخرب نانومواد نیمه هادی، فرآیندهای معمولی گرمایش جهانی یا جوشکاری تماسی می توانند به راحتی به ساختار کریستالی نانوسیم ها آسیب بزنند یا به دلیل شکنندگی و حساسیت حرارتی بالای مواد نیمه هادی، در مناطق غیر{0}}جوش آسیب حرارتی ایجاد کنند. جوشکاری لیزر فوق سریع این مشکل را از طریق مکانیسم تشدید پلاسما موضعی منحصر به فرد خود برطرف می کند. هنگامی که تابش لیزر فمتوثانیه به نانوسیم ها اعمال می شود، رزونانس پلاسمای موضعی در تقاطع ها یا اتصالات القا می شود و دمای بالای موضعی برای دستیابی به جوش، برش یا تغییر شکل ایجاد می کند. از آنجایی که زمان عمل لیزر فوق سریع بسیار کوتاه است، انتشار حرارت در محدوده پیکوثانیه (10^-12 ثانیه) به تعادل می رسد، به این معنی که دمای بالا تولید شده به شدت محدود به ناحیه تشدید محلی است و ساختارهای نانوسیم خارج از منطقه تشدید کاملاً بدون آسیب باقی می ماند.

بر اساس این اصل، محققان با موفقیت به جوشکاری نانوسیم های نیمه هادی همگن ZnO-ZnO دست یافتند. با عرض پالس 35 fs و چگالی انرژی 77.6 mJ/cm²، پس از 30 ثانیه تابش، نانوسیم‌ها به طور محکم و غیر مخرب به هم متصل شدند. این پیشرفت یک روش پردازش غیرتماسی کارآمد و دقیق برای مونتاژ همه-فوتو آشکارسازها و حسگرهای اکسید ارائه می‌کند.

فناوری جوشکاری میکرو{0}نانو لیزر فوق سریع، با عرض پالس بسیار کوتاه و قدرت پیک بسیار بالا، بر محدودیت‌های روش‌های جوشکاری سنتی در کنترل اثرات حرارتی غلبه کرده و به ابزاری ضروری در زمینه تولید میکرو- نانو تبدیل شده است. از طریق مکانیسم‌های رزونانس پلاسما موضعی و جذب غیرخطی، این فناوری می‌تواند به ذوب و پیوند دقیق مواد در مقیاس‌های مکانی و زمانی بسیار کوچک دست یابد، و به طور موثر از آسیب حرارتی به ساختارهای میکرو{3} نانو اطراف جلوگیری کند. از میکروسیم های فلزی گرفته تا نانوسیم های نیمه هادی و حتی اتصالات پیچیده مواد ناهمگن، جوشکاری لیزری فوق سریع سازگاری گسترده مواد و کیفیت پردازش عالی را نشان داده است. در آینده، با تحقیقات عمیق‌تر در مورد مکانیسم‌های-برهمکنش ماده لیزری و بهبودهای بیشتر در عملکرد لیزر، انتظار می‌رود که جوشکاری میکرو{7}}نانو لیزری فوق‌سریع نقش حیاتی‌تری در تولید لوازم الکترونیکی انعطاف‌پذیر، نانو{8}}دستگاه‌های الکترونیک نوری، و حسگرهای بسیار ادغام‌شده به سمت انسان بازی کند. دقت و کارایی بیشتر