レーザー洗浄

レーザー洗浄技術の原理と応用を理解する

レーザー洗浄技術の原理と応用を理解する |レーザーチャイナ

この包括的なガイドで、レーザー洗浄技術の革新的な世界を発見してください。業界を変えるこの高精度洗浄法の原理、種類、さまざまな用途について学びましょう。

はじめに レーザー洗浄 テクノロジー

レーザー洗浄技術の出現は、洗浄方法の分野における革命的な進歩を表しています。この革新的な技術は、レーザーの高エネルギー密度、精度、効率的な伝導率を活用しており、効率、精度、特定の場所を洗浄する能力の点で、従来の洗浄方法に比べて明らかな利点を提供します。その最も重要な利点の 1 つは、基材に損傷を与えずに、化学洗浄方法に通常伴う環境汚染を回避できることです。

レーザー洗浄の原理

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レーザー洗浄では、固体 (場合によっては液体) 表面にレーザー ビームを照射して材料を除去します。レーザーフルエンスが低い場合、吸収されたレーザーエネルギーが材料を加熱し、蒸発または昇華させます。高フルエンスでは、材料はプラズマに変化することがよくあります。通常、レーザー洗浄は材料除去のためのパルスレーザーの適用を指しますが、十分な強度があれば、連続波レーザービームでも材料をアブレーションできます。深紫外線で動作するエキシマ レーザーは、主に光アブレーションに使用され、波長は約 200nm です。レーザーエネルギー吸収の深さと単一レーザーパルスによって除去される材料の量は、材料の光学的特性、レーザーの波長とパルス持続時間によって異なります。各パルスによってアブレーションされる総質量 (一般にアブレーション率と呼ばれます) は、ビーム走査速度や走査線の重なりなどのレーザー特性に大きく影響されます。

レーザー洗浄技術の種類

  • 乾式レーザー洗浄: この方法では、ワークピースにパルスレーザーを直接照射し、基板または表面の汚染物質にエネルギーを吸収させて温度を上昇させ、熱膨張や基板の振動を引き起こし、それらを分離します。これは 2 つの方法で発生する可能性があります。1 つは表面の汚染物質がレーザーの吸収により膨張するか、またはレーザーによる熱により基板が振動するかのいずれかです。
  • 湿式レーザー洗浄:パルスレーザー照射の前に、ワークの表面に液膜を塗布します。レーザーの影響下で液膜の温度が急速に上昇すると液膜が蒸発し、衝撃波が発生して汚染粒子に衝撃を与え、基板から除去します。この方法では基板と液膜が反応しないことが必要なため、適用できる材料の範囲が限られます。
  • レーザー誘起プラズマ衝撃波クリーニング: レーザービームが照射中に空気をイオン化すると、球状のプラズマ衝撃波が生成されます。衝撃波は洗浄対象のワークピースの表面に衝撃を与え、基板に影響を与えることなく汚染物質を除去するエネルギーを放出します。この技術は、直径数十ナノメートルまでの粒子状汚染物質を除去でき、レーザー波長による制限はありません。

プラズマクリーニングの物理原理は次のように要約できます。

  1.  レーザーによって放射されたレーザー光線は、処理される表面の汚染層によって吸収されます。
  2.  高いエネルギーの吸収により、急速に膨張するプラズマ (高度にイオン化された不安定なガス) が生成され、衝撃波が発生します。
  3.  衝撃波により汚染物質が粉砕され、排出されます。
  4.  光のパルス幅は、処理表面に損傷を与える可能性のある熱の蓄積を避けるために十分に短くする必要があります。
    e) 実験では、金属表面に酸化物がある場合、金属界面でプラズマが形成されることが示されています。

プラズマは、エネルギー密度がしきい値を超えた場合にのみ生成されます。しきい値は、除去される汚染物質または酸化物層によって異なります。この閾値効果は、基板材料の安全性を確保しながら効果的に洗浄するために不可欠です。プラズマ形成には 2 番目の閾値が存在します。それを超えると基板が損傷する可能性があります。基板に損傷を与えることなく効果的な洗浄を確実に行うには、パルスエネルギー密度が厳密に 2 つのしきい値の間に収まるようにレーザー パラメータを調整する必要があります。

これら 3 種類のレーザー洗浄技術は、当初、半導体ウェーハに付着した微細な粒子を洗浄するために開発され、半導体技術の進歩とともに登場しました。しかし、レーザー洗浄はその後、タイヤ金型の洗浄、航空機の外板からの塗装の除去、文化財の表面の修復など、他の分野にも応用されています。

レーザー洗浄技術の応用

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半導体分野

半導体ウェーハと光学基板の洗浄には、切断、研削、その他の方法で原材料を成形するという同様のプロセスが含まれます。これらのプロセス中に粒子状汚染物質が導入されますが、これは除去が難しく、再汚染の重大なリスクを引き起こします。半導体ウェーハの表面の汚染物質は、回路基板の印刷品質に影響を与え、半導体チップの寿命を縮める可能性があります。光学基板上の汚染物質は、光学デバイスやコーティングの品質に影響を与え、エネルギー分布の不均一や寿命の短縮につながる可能性があります。

乾式レーザー洗浄は基板に損傷を与えやすいため、半導体ウェーハや光学基板の洗浄での使用は制限されています。湿式レーザー洗浄とレーザー誘起プラズマ衝撃波洗浄は、この分野でより成功的に適用されています。

金属材料分野

金属材料の表面の洗浄には、半導体ウェーハや光学基板で見られる微視的な汚染とは対照的に、巨視的な範囲の汚染物質が含まれます。金属表面の汚染物質には通常、酸化物層 (錆)、ペイント層、コーティング、その他の付着物が含まれ、これらは有機 (ペイント、コーティング) または無機 (錆) の場合があります。

金属表面の汚染物質の洗浄は主に、その後の処理または使用に備えるために役立ちます。例えば、チタン合金部品を溶接する前に厚さ10μm程度の酸化皮膜を除去したり、航空機のオーバーホール時に元の塗装層を剥がして再塗装する必要があります。付着したゴム粒子を除去するためにゴムタイヤ金型を定期的に洗浄することも、表面の清浄度を維持するために不可欠であり、これにより製造されるタイヤの品質と金型の寿命が保証されます。金属材料の損傷閾値は表面汚染物質のレーザー洗浄閾値よりも高いため、適切なパワーのレーザー洗浄機を選択することで良好な結果が得られ、さまざまな分野で成功しています。

レーザー洗浄技術は、航空宇宙、軍事機器、エレクトロニクスなどのハイエンド分野での幅広い研究と応用が期待できる高度な技術です。その効率性、環境への優しさ、効果的な洗浄効果により、その用途は拡大しています。この技術は十分に確立されているだけでなく、 塗料の除去 錆の除去だけでなく、近年では金属ワイヤーの酸化層の洗浄についても報告されています。現在の用途の拡大と新しい分野の探求は、レーザー洗浄技術開発の基礎を築きます。複数の用途をカバーする機械や特定の目的のために設計された機械など、新しいレーザー洗浄装置の開発と多様化が進行中です。将来的には産業用ロボットと統合して完全自動レーザー洗浄を実現することも有望な方向性です。

レーザー洗浄技術の開発動向

  • レーザークリーニングの理論的研究を強化し、その応用を導​​きます。広範な文献を検討すると、レーザー洗浄技術をサポートする成熟した理論体系はなく、ほとんどの研究が実験的なものであることがわかります。理論的なシステムを確立することは、レーザー洗浄技術をさらに成熟させるための基礎です。
  • 既存分野の応用を拡大し、新たな分野を開拓します。レーザー洗浄技術は、塗料の除去や錆の除去などの用途で成熟しており、最近の報告では、金属ワイヤの酸化層の洗浄での使用が強調されています。既存の分野と新しい分野の両方でのアプリケーションの成長は、技術開発の肥沃な土壌です。
  • 新しいレーザー洗浄機の開発。将来の装置は多様化する可能性が高く、塗料除去と錆び除去の両方が可能な 1 台の機械など、複数の用途をカバーする機械もあれば、特定の作業用に設計された機械もあり、おそらく狭いスペースの汚染物質を洗浄するにはカスタムの治具や光ファイバーが必要になります。産業用ロボットと連携して完全自動レーザー洗浄を実現することも、注目されているアプリケーションの方向性です。

要約

レーザー洗浄機に代表されるレーザー洗浄技術は、現代のイノベーションの輝かしい一例であり、従来の洗浄方法では得られないさまざまな利点を提供します。新しいレーザー洗浄装置の継続的な開発とその用途の新しい分野への拡大により、洗浄プロセスの将来は明るいように見えます。として レーザーチャイナ エンジニアはこの分野の開拓を続けており、レーザー洗浄が高精度産業の定番となり、清浄度、効率、環境責任の新たな基準を確立することが期待できます。

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20年以上にわたるレーザーの専門知識と、個々のコンポーネントから完全な機械までを網羅する包括的な製品範囲を備えた当社は、レーザー関連のすべての要件に対処するための究極のパートナーです。

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