Molybdän (Mo) ist ein einzigartiges Metallmaterial. Obwohl es im Allgemeinen als unauffälliges silberweißes Metall erscheint, ermöglichen seine stabilen physikalischen und chemischen Eigenschaften einen breiten Einsatz in Hochtemperatur- und Hochstressszenarien. Es ist ein unverzichtbarer Rohstoff für Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Kernenergie, Halbleiter und Präzisionsmedizin. Folglich ist die Bearbeitung von Molybdän äußerst schwierig; Insbesondere bei der hochpräzisen Mikrolochbearbeitung auf Molybdän haben die meisten herkömmlichen Verfahren Schwierigkeiten, die Anforderungen zu erfüllen.
Als hochmoderner Präzisionsbearbeitungsprozess im Mikrometerbereich bietet die Femtosekundenlasertechnologie Vorteile wie Kaltbearbeitung (Kaltablation), spannungsfreien Betrieb, Materialunabhängigkeit und hohe Präzision und spielt in der Mikro-{3}}Nanofertigung in verschiedenen Bereichen eine wichtige Rolle. Insbesondere löst die materialunabhängige Eigenschaft von Femtosekundenlasern effektiv die Herausforderung, mit der herkömmliche Verfahren bei der Bearbeitung präziser Mikrolöcher in Molybdän konfrontiert sind.
Was ist ein Femtosekundenlaser?
Unter Femtosekundenlaser versteht man einen Laser mit einer Pulsbreite im Femtosekundenbereich. Eine Femtosekunde ist eine Zeiteinheit, wobei 1 Femtosekunde=10⁻¹⁵ Sekunden ist. Wenn wir uns mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würden, würde die Verschiebung in 1 Femtosekunde 0,3 μm betragen, was zeigt, dass 1 Femtosekunde eine extrem kurze Dauer ist.
Mit anderen Worten: Die kurze Einzelpulsdauer eines Femtosekundenlasers ermöglicht eine extrem hohe Spitzenleistung. Daher kann das Zielmaterial sofort entfernt werden, was zu Bearbeitungseffekten wie einer minimalen Wärmeeinflusszone (HAZ), keiner Neugussschicht und keinen Mikrorissen führt.
Warum braucht Molybdän Femtosekundenlaser?
Molybdän verfügt über stabile physikalische und chemische Eigenschaften, wodurch es in Szenarien mit hohen{0}Temperaturen und hoher{1}}Beanspruchung vielseitig einsetzbar ist. Allerdings ist die Bearbeitung von Molybdän entsprechend äußerst schwierig. Speziell:
1. Hohe Festigkeit und hohe Härte:
Molybdän ist ein Übergangsmetall mit sehr starken interatomaren Bindungskräften, wodurch es sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen eine hohe Festigkeit und Härte beibehält. Daher wird Molybdän in Bereichen mit extrem hohen Temperaturen und hohem Druck, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie und in der Halbleiterindustrie, häufig als Rohmaterial für Düsen gewählt. Bei der traditionellen mechanischen Bearbeitung von Molybdän unterliegen Schneidwerkzeuge oder Bohrer einem schnellen Verschleiß. Darüber hinaus erzeugt der Prozess leicht Kontaktspannungen oder örtlich hohe Temperaturen, was zum Abplatzen der Kanten von Mikro--Löchern und zur Entstehung von Mikro---Rissen führt.
2. Hoher Schmelzpunkt:
Der Schmelzpunkt von Molybdän liegt bei bis zu 2623 Grad und es ist beständig gegen Ablation bei hohen Temperaturen. Daher erfordert seine Verarbeitung eine extrem hohe Energiedichte. Herkömmliche Laser neigen bei der Bearbeitung von Molybdän extrem dazu, eine große Wärmeeinflusszone (HAZ) zu erzeugen, was zu Defekten wie Kratern oder Sägezahnkanten entlang der Schnittränder führt.
Kurz gesagt, die Eigenschaften von Molybdän als hart und feuerfest machen die Präzisionsbearbeitung des Materials, insbesondere die hochpräzise Mikrolochbearbeitung, außerordentlich schwierig. Herkömmliche Bohrverfahren und gewöhnliche Laser können den Anforderungen meist nicht gerecht werden.
Mikro- und Nano-Präzisionslaserbearbeitungsgeräte
Die Femtosekunden-Lasertechnologie ist nicht nur eine einfache Aufrüstung herkömmlicher Laser; Vielmehr stellt es einen Durchbruch in den Verarbeitungsprinzipien dar, die auf der kontinuierlichen Erforschung und Entwicklung des Mikrometerbereichs beruhen. Es eignet sich besonders gut-für Produktanforderungen, die Mikrolöcher-im Mikrometerbereich-, Schneiden und Ätzen erfordern. Folglich können Femtosekundenlaser die Aufgabe selbst bei schwer zu bearbeitenden Materialien wie Molybdän einfach und präzise bewältigen.
Dies liegt daran, dass Femtosekundenlaser hinsichtlich der Energiedichte, der Wechselwirkungszeit, der räumlichen Skala und der kontrollierbaren Skala der Energieabsorption durch das Material im Extrembereich arbeiten. Daher unterscheiden sich die während des Herstellungsprozesses genutzten physikalischen Effekte und Interaktionsmechanismen grundlegend von herkömmlichen Laser-{1}Materialinteraktionsprozessen. Daher ermöglichen sie die ultimative Präzisionsbearbeitung von Molybdän-Mikrolöchern. Speziell:
1. Lochgröße:
Die Femtosekundenlaserbearbeitung dünner Molybdänmaterialien ist im Allgemeinen auf eine Dicke von weniger als 2 mm beschränkt. Derzeit können Femtosekundenlaser innerhalb eines geeigneten Dickenbereichs minimale Lochdurchmesser von 3 μm für konische Löcher und 20 μm für vertikale Löcher bearbeiten. Dies ist deutlich kleiner als herkömmliche Präzisionsbearbeitungsprozesse und erweitert dadurch den Anwendungsbereich von Molybdän-Mikrolöchern.
2. Vertikalität der Seitenwand:
Femtosekundenlaser können sowohl konische als auch vertikale Löcher bearbeiten. Insbesondere bei spezifischen Anforderungen bietet die Flexibilität der steuerbaren Verjüngung von Femtosekundenlasern einen entscheidenden Vorteil, da sie eine bessere Kontrolle über den Durchgang von Medien wie Ionen, Gasen und Flüssigkeiten ermöglicht.
3. Maßgenauigkeit:
Femtosekundenlaser können einen Lochdurchmesser oder eine Schnittgenauigkeit von ±1 μm erreichen, ein Standard, den herkömmliche Laser oder herkömmliche Bearbeitungsprozesse nicht erfüllen können. Dabei handelt es sich um eine Verarbeitungsmethode, die Präzisionstechniken im Nanometerbereich wie FIB (Focused Ion Beam) und Fotolithographie relativ nahe kommt und als Brücke zwischen den Mikrometer- und Nanometerskalen dient.
4. Verarbeitungsqualität:
Bei der Femtosekunden-Laserbearbeitung handelt es sich um eine Kaltablationsmethode (Kaltbearbeitung), mit der Mikrolochbearbeitung im Mikrometerbereich möglich ist, die grat- und rissfrei ist und glatte Seitenwände aufweist. Die Innenwandrauheit dieser Mikrolöcher kann innerhalb von Ra 0,4 μm oder sogar nur 0,2 μm garantiert werden. Diese Eigenschaft ermöglicht es Molybdän-Mikrolöchern, die mit Femtosekundenlasern verarbeitet werden, im optischen Bereich hervorragende Leistungen zu erbringen und die Verarbeitungsanforderungen für Aperturen in High-End-Bildgebungsgeräten oder Halbleitern zu erfüllen.