Meskipun laser ultra cepat telah ada selama beberapa dekade, aplikasi industri telah berkembang pesat dalam dua dekade terakhir. Pada tahun 2019, nilai pasar laser ultra cepatbahan laserNilai pemrosesannya sekitar US$460 juta, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 13%. Area aplikasi di mana laser ultrafast telah berhasil digunakan untuk memproses material industri meliputi fabrikasi dan perbaikan fotomask di industri semikonduktor serta pemotongan silikon, pemotongan/pengukiran kaca dan penghilangan film ITO (indium timah oksida) di elektronik konsumen seperti telepon seluler dan tablet, tekstur piston untuk industri otomotif, pembuatan stent koroner dan pembuatan perangkat mikrofluida untuk industri medis.
01 Pembuatan dan perbaikan fotomask di industri semikonduktor
Laser ultra cepat digunakan dalam salah satu aplikasi industri paling awal dalam pemrosesan material. IBM melaporkan aplikasi ablasi laser femtosekon dalam produksi fotomask pada tahun 1990-an. Dibandingkan dengan ablasi laser nanosekon, yang dapat menghasilkan percikan logam dan kerusakan kaca, masker laser femtosekon tidak menunjukkan percikan logam, kerusakan kaca, dll. Keunggulan metode ini adalah digunakan untuk memproduksi sirkuit terpadu (IC). Memproduksi sebuah chip IC mungkin memerlukan hingga 30 masker dan biaya >$100.000. Pemrosesan laser femtosekon dapat memproses garis dan titik di bawah 150nm.
Gambar 1. Pembuatan dan perbaikan fotomask
Gambar 2. Hasil optimasi berbagai pola masker untuk litografi ultraviolet ekstrem
02 Pemotongan silikon dalam industri semikonduktor
Pemotongan wafer silikon merupakan proses manufaktur standar dalam industri semikonduktor dan biasanya dilakukan menggunakan pemotongan mekanis. Roda pemotong ini seringkali mengalami retakan mikro dan sulit untuk memotong wafer tipis (misalnya ketebalan < 150 μm). Pemotongan wafer silikon dengan laser telah digunakan dalam industri semikonduktor selama bertahun-tahun, terutama untuk wafer tipis (100-200 μm), dan dilakukan dalam beberapa langkah: pembuatan alur laser, diikuti oleh pemisahan mekanis atau pemotongan tersembunyi (yaitu sinar laser inframerah di dalam alur silikon) diikuti oleh pemisahan pita mekanis. Laser pulsa nanodetik dapat memproses 15 wafer per jam, dan laser pikodetik dapat memproses 23 wafer per jam, dengan kualitas yang lebih tinggi.
03 Pemotongan/pengukiran kaca dalam industri elektronik habis pakai
Layar sentuh dan kaca pelindung untuk ponsel dan laptop semakin tipis dan beberapa bentuk geometrisnya melengkung. Hal ini membuat pemotongan mekanis tradisional menjadi lebih sulit. Laser biasa biasanya menghasilkan kualitas pemotongan yang buruk, terutama ketika layar kaca ini ditumpuk 3-4 lapis dan kaca pelindung setebal 700 μm di bagian atas adalah kaca temper, yang dapat pecah dengan tekanan lokal. Laser ultrafast telah terbukti mampu memotong kaca ini dengan kekuatan tepi yang lebih baik. Untuk pemotongan panel datar besar, laser femtosecond dapat difokuskan ke permukaan belakang lembaran kaca, menggores bagian dalam kaca tanpa merusak permukaan depan. Kaca kemudian dapat dipecah menggunakan cara mekanis atau termal di sepanjang pola goresan.
Gambar 3. Pemotongan kaca berbentuk khusus menggunakan laser ultra cepat pikodetik
04 Tekstur piston dalam industri otomotif
Mesin mobil ringan terbuat dari paduan aluminium, yang tidak sekuat besi cor dalam hal ketahanan aus. Studi menunjukkan bahwa pemrosesan tekstur piston mobil dengan laser femtosecond dapat mengurangi gesekan hingga 25% karena kotoran dan oli dapat disimpan secara efektif.
Gambar 4. Pemrosesan piston mesin mobil menggunakan laser femtosekon untuk meningkatkan performa mesin.
05 Pembuatan stent koroner di industri medis
Jutaan stent koroner ditanamkan ke dalam arteri koroner tubuh untuk membuka saluran agar darah dapat mengalir ke pembuluh darah yang tersumbat, menyelamatkan jutaan nyawa setiap tahun. Stent koroner biasanya terbuat dari logam (misalnya, baja tahan karat, paduan nikel-titanium dengan daya ingat bentuk, atau yang lebih baru paduan kobalt-kromium) dengan jaring kawat dan lebar penyangga sekitar 100 μm. Dibandingkan dengan pemotongan laser pulsa panjang, keuntungan menggunakan laser ultra cepat untuk memotong braket adalah kualitas pemotongan yang tinggi, hasil akhir permukaan yang lebih baik, dan lebih sedikit serpihan, yang mengurangi biaya pasca-pemrosesan.
06 Pembuatan perangkat mikrofluida untuk industri medis
Perangkat mikrofluida umumnya digunakan dalam industri medis untuk pengujian dan diagnosis penyakit. Perangkat ini biasanya diproduksi dengan pencetakan mikro-injeksi bagian-bagian individual dan kemudian direkatkan menggunakan lem atau pengelasan. Fabrikasi laser ultra cepat untuk perangkat mikrofluida memiliki keunggulan dalam menghasilkan saluran mikro 3D di dalam material transparan seperti kaca tanpa memerlukan sambungan. Salah satu metodenya adalah fabrikasi laser ultra cepat di dalam kaca curah diikuti dengan etsa kimia basah, dan metode lainnya adalah ablasi laser femtosekon di dalam kaca atau plastik dalam air suling untuk menghilangkan kotoran. Pendekatan lain adalah dengan membuat saluran pada permukaan kaca dan menyegelnya dengan penutup kaca melalui pengelasan laser femtosekon.
Gambar 6. Etsa selektif yang diinduksi laser femtosekon untuk menyiapkan saluran mikrofluida di dalam material kaca.
07 Pengeboran mikro pada nosel injektor
Pemesinan lubang mikro laser femtosekon telah menggantikan mikro-EDM di banyak perusahaan di pasar injektor tekanan tinggi karena fleksibilitas yang lebih besar dalam mengubah profil lubang aliran dan waktu pemesinan yang lebih singkat. Kemampuan untuk secara otomatis mengontrol posisi fokus dan kemiringan berkas melalui kepala pemindaian yang berpresesi telah menghasilkan desain profil apertur (misalnya, barel, pelebaran, konvergensi, divergensi) yang dapat meningkatkan atomisasi atau penetrasi di ruang bakar. Waktu pengeboran bergantung pada volume ablasi, dengan ketebalan bor 0,2 – 0,5 mm dan diameter lubang 0,12 – 0,25 mm, menjadikan teknik ini sepuluh kali lebih cepat daripada mikro-EDM. Pengeboran mikro dilakukan dalam tiga tahap, termasuk pengasaran dan penyelesaian lubang pilot. Argon digunakan sebagai gas bantu untuk melindungi lubang bor dari oksidasi dan untuk melindungi plasma akhir selama tahap awal.
Gambar 7. Pemrosesan presisi tinggi laser femtosekon pada lubang tirus terbalik untuk injektor mesin diesel
08 Teksturisasi laser ultra cepat
Dalam beberapa tahun terakhir, untuk meningkatkan akurasi pemesinan, mengurangi kerusakan material, dan meningkatkan efisiensi pemrosesan, bidang pemesinan mikro secara bertahap menjadi fokus para peneliti. Laser ultrafast memiliki berbagai keunggulan pemrosesan seperti kerusakan rendah dan presisi tinggi, yang telah menjadi fokus untuk mendorong pengembangan teknologi pemrosesan. Pada saat yang sama, laser ultrafast dapat bekerja pada berbagai material, dan kerusakan material akibat pemrosesan laser juga merupakan arah penelitian utama. Laser ultrafast digunakan untuk mengablasi material. Ketika kepadatan energi laser lebih tinggi daripada ambang batas ablasi material, permukaan material yang diablasi akan menunjukkan struktur mikro-nano dengan karakteristik tertentu. Penelitian menunjukkan bahwa struktur permukaan khusus ini adalah fenomena umum yang terjadi ketika pemrosesan material dengan laser. Pembuatan struktur mikro-nano permukaan dapat meningkatkan sifat material itu sendiri dan juga memungkinkan pengembangan material baru. Hal ini menjadikan pembuatan struktur mikro-nano permukaan dengan laser ultrafast sebagai metode teknis dengan signifikansi pengembangan yang penting. Saat ini, untuk material logam, penelitian tentang penataan tekstur permukaan laser ultra cepat dapat meningkatkan sifat pembasahan permukaan logam, meningkatkan sifat gesekan dan keausan permukaan, meningkatkan adhesi lapisan, serta proliferasi dan adhesi sel secara terarah.
Gambar 8. Sifat superhidrofobik permukaan silikon yang disiapkan dengan laser
Sebagai teknologi pemrosesan mutakhir, pemrosesan laser ultra cepat memiliki karakteristik zona yang terpengaruh panas kecil, proses interaksi non-linier dengan material, dan pemrosesan resolusi tinggi di luar batas difraksi. Teknologi ini dapat mewujudkan pemrosesan mikro-nano berkualitas tinggi dan presisi tinggi dari berbagai material, serta fabrikasi struktur mikro-nano tiga dimensi. Pencapaian manufaktur laser untuk material khusus, struktur kompleks, dan perangkat khusus membuka jalan baru untuk manufaktur mikro-nano. Saat ini, laser femtosekon telah banyak digunakan di berbagai bidang ilmiah mutakhir: laser femtosekon dapat digunakan untuk menyiapkan berbagai perangkat optik, seperti susunan mikrolensa, mata majemuk bionik, pandu gelombang optik, dan metasurface; dengan menggunakan presisi tinggi, resolusi tinggi, dan kemampuan pemrosesan tiga dimensi, laser femtosekon dapat menyiapkan atau mengintegrasikan chip mikrofluida dan optofluida seperti komponen pemanas mikro dan saluran mikrofluida tiga dimensi; Selain itu, laser femtosecond juga dapat mempersiapkan berbagai jenis mikro-nanostruktur permukaan untuk mencapai fungsi anti-refleksi, anti-pantulan, super-hidrofobik, anti-pembekuan, dan fungsi lainnya; tidak hanya itu, laser femtosecond juga telah diterapkan di bidang biomedis, menunjukkan kinerja yang luar biasa di bidang-bidang seperti mikro-stent biologis, substrat kultur sel, dan pencitraan mikroskopis biologis. Prospek aplikasi yang luas. Saat ini, bidang aplikasi pemrosesan laser femtosecond berkembang dari tahun ke tahun. Selain aplikasi mikro-optik, mikrofluida, mikro-nanostruktur multifungsi, dan teknik biomedis yang disebutkan di atas, laser ini juga memainkan peran besar dalam beberapa bidang yang sedang berkembang, seperti persiapan metasurface, manufaktur mikro-nano, dan penyimpanan informasi optik multidimensi, dll.
Waktu posting: 17 April 2024
