Установка для лазерной электрохимической обработки

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Шалупаев Сергей Викентьевич Федосенко Николай Николаевич Купо Александр Николаевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) Установка для лазерной электрохимической обработки, содержащая рабочий лазер с источником питания, фокусирующую лазерное излучение систему, установленную на трехкоординатном столе электрохимическую ячейку с анодом и катодом, соединенными с источником питания указанной ячейки, связанную с ней магистралью систему циркуляции электролита, и компьютер, электрически связанный управляющими выходами с двумя указанными источниками питания и трехкоординатным столом, отличающаяся тем,что содержит электрически соединенную с компьютером цифровую видеокамеру, осветитель зоны обработки и вспомогательный лазер, установленный соосно рабочему на одной оптической оси с ним, при этом зеркала резонатора рабочего лазера выполнены прозрачными для излучения вспомогательного лазера, источник питания электрохимической ячейки выполнен в виде программируемого потенциостата, а компьютер выполнен с возможностью как автоматической фокусировки лазерного излучения на поверхности зоны обработки, так и автоматического контроля процесса обработки на основании принимаемого видеокамерой излучения осветителя и вспомогательного лазера, отраженного от указанной поверхности. 9724 1 2007.10.30 Изобретение относится к лазерной электрохимии, в частности к устройствам для нанесения токопроводящего материала путем осаждения на подложку, для получения рисунка электрохимическим травлением и может быть использовано при травлении печатных плат, а также в других отраслях, где требуется размерная электрохимическая обработка. Известно устройство для обработки материалов с одновременным применением лазера, содержащее лазер, систему фокусировки лазерного излучения, резервуар для жидкости, циркуляционный насос 1. Устройство не обеспечивает возможность контроля над процессом обработки и требует ручной настройки после замены изделия. Известна установка для лазерно-электрохимического нанесения, содержащая лазер,оптическую фокусирующую систему, лазерно-электрохимическую ячейку с анодом и катодом, потенциостат, прецизионный электромеханический стол, устройство программного управления 2. Установка требует ручной настройки после каждой замены изделия. Известна струйная лазерно-химическая установка для высокоскоростного осаждения металлов, содержащая лазер, фокусирующий объектив, лазерную электрохимическую ячейку с анодом и катодом, соединенный с ними потенциостат, систему циркуляции электролита с циркуляционным насосом, компьютер 3. Известная установка не обеспечивает возможность контроля состояния электрохимического осаждения, а внесение изменений в технологические параметры может быть осуществлено лишь по извлечению изделия из электрохимической ячейки, что не позволяет обеспечить высокое качество обработки, и ограничивает производительность. Наиболее близкой по технической сущности является установка для лазерной электрохимической обработки, содержащая рабочий лазер с источником питания, фокусирующую лазерное излучение систему, установленную на трехкоординатном столе электрохимическую ячейку с анодом и катодом, соединенными с источником питания указанной ячейки, связанную с ней магистралью систему циркуляции электролита, и компьютер, электрически связанный управляющими выходами с двумя указанными источниками питания и трехкоординатным столом 4. Известная установка обеспечивает лазерное электрохимическое осаждение металлов. Однако в ней отсутствуют средства для контроля над процессом осаждения. Это не позволяет своевременно внести изменения в технологический процесс, что ограничивает качество обработки. Предлагаемое изобретение решает задачу создания установки для лазерной электрохимической обработки, обеспечивающей как возможность размерного осаждения металлов на поверхность подложки, так и размерного удаления металлов с поверхности подложки по заданному рисунку обработки. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности автоматического контроля и регулирования процесса лазерной обработки. Решение указанной технической задачи и достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что установка для лазерной электрохимической обработки,содержащая рабочий лазер с источником питания, фокусирующую лазерное излучение систему, установленную на трехкоординатном столе электрохимическую ячейку с анодом и катодом, соединенными с источником питания указанной ячейки, связанную с ней магистралью систему циркуляции электролита, и компьютер, электрически связанный управляющими выходами с двумя указанными источниками питания и трехкординатным столом, дополнительно содержит электрически соединенную с компьютером цифровую видеокамеру, осветитель зоны обработки и вспомогательный лазер, установленный соосно рабочему на одной оптической оси с ним, при этом зеркала резонатора рабочего лазера выполнены прозрачными для излучения вспомогательного лазера, источник питания электрохимической ячейки выполнен в виде программируемого потенциостата, а компьютер выполнен с возможностью как автоматической фокусировки лазерного излучения на поверхности зоны обработки, так и автоматического контроля процесса обработки на основании принимаемого видеокамерой излучения осветителя и вспомогательного лазера,отраженного от указанной поверхности. 2 9724 1 2007.10.30 На фигуре схематически изображена предлагаемая установка. Установка содержит рабочий лазер 1, установленный соосно ему на одной оптической оси вспомогательный лазер 2, поворотное зеркало 3, расположенную по ходу излучения фокусирующую систему 4, электрохимическую ячейку 5, осветитель 6, цифровую видеокамеру 7, оптически связанную через фильтр 8 с поворотным зеркалом 3, программируемый потенциостат 9, электрически связанный через держатели 10 с электродами 11 и 16,систему циркуляции электролита 12, соединенную трубопроводами с электрохимической ячейкой 5, трехкоординатный электромеханический стол 13, на котором размещена ячейка 5,компьютер 14, электрически соединенный с программируемым потенциостатом 9, трехкоординатным столом 13, видеокамерой 7 и программируемым блоком питания 15 рабочего лазера 1. Обрабатываемое изделие 16 закреплено в держателе 10. Вспомогательный лазер 2 имеет длину волны в видимом диапазоне длин волн. Он установлен соосно рабочему 1. Для этого резонаторные зеркала (на фигуре не показаны) рабочего лазера 1 выполнены из материала, оптически прозрачного для излучения вспомогательного лазера 2. Блок питания 15 лазера 2 выполнен программируемым, потенциостат 9 также выполнен программируемым, трехкоординатный стол 13 и видеокамера 7 также являются программируемыми устройствами, управляемыми от компьютера 14. Электрическая связь между этими устройствами и компьютером может быть осуществлена через шины управления и информации. Для этого вход-выход компьютера 14 соединен с входом-выходом видеокамеры 7, первый выход компьютера 14 соединен с управляющим входом программируемого потенциостата 9, второй выход компьютера 14 соединен с входом управления программируемого блока питания 15, третий вход компьютера 14 соединен со входом управления трехкоординатного стола 13. Для подключения видеокамеры 7 используется соответствующий интерфейс. Программируемый потенциостат 9 выполнен в виде потенциостата с цифровым входом управления. Он обеспечивает изменение, установку и поддержание в автоматическом режиме напряжений между электродами 11, 16, а при необходимости, смену полярности на электродах 11, 16. Программируемый блок питания 15 имеет цифровой вход управления, на который подается цифровая команда управления от компьютера 14. Он обеспечивает возможность изменения, поддержания по заданной программе напряжения, подаваемого на систему накачки лазера 2, что позволяет регулировать мощность лазерного излучения от рабочего лазера 1. Установка работает следующим образом. Обрабатываемое изделие 16 закрепляется в держателе 10 и погружается в электролит. Включается вспомогательный лазер 2. Его излучение, пройдя через рабочий лазер 1, через зеркало 3 фокусируется системой 4 на поверхность обрабатываемого изделия 16. По команде от компьютера 14 трехкоординатный стол 13 перемещает электрохимическую ячейку 5 с изделием 16 по горизонтали, определяя начальную точку обработки, а затем по вертикали, при этом размер пятна регистрируется видеокамерой 7. При достижении пятном фокусировки минимального размера перемещение прекращается. От компьютера 14 команда о требуемой величине напряжения направляется в программируемый потенциостат 9, который устанавливает и поддерживает требуемую величину напряжения между анодом 16 и катодом 11, по команде компьютера одновременно включается рабочий лазер 1 через программируемый блок питания 15. Излучение, генерируемое лазером 1, фокусируется системой 4 на точке обработки. Осветитель 6 непрерывно освещает зону обработки. Отраженное от обрабатываемого изделия 16 излучение осветителя 6 и вспомогательного лазера 2, пройдя через поворотное зеркало 3 и фильтр 8, непрерывно регистрируется видеокамерой 7, цифровой сигнал от которой обрабатывается компьютером 14. Отраженное от изделия 16 излучение рабочего лазера задерживается фильтром 8. При достижении в рабочей точке требуемой величины осадка компьютер вырабатывает команду на трехкоординатный стол 13, который перемещает зону лазерного воздействия в новую точку. Процесс длится непрерывно перемещением по заданному контуру. При этом циркуляци 3 9724 1 2007.10.30 онная система 12 непрерывно обновляет электролит в ячейке 5, обеспечивая тем самым как обновление электролита, так и термостатирование изделия 16. По окончании обработки по командам от компьютера 14 рабочий лазер 2 отключается, а потенциостат 9 прекращает подачу напряжения на электроды 11, 16. Изделие 16 извлекают вместе с держателем 10 из ячейки 5, закрепляют новое. Процесс лазерной электрохимической обработки повторяется автоматически согласно вышеизложенному. При работе в режиме травления изменяют полярность подаваемого напряжения на электродах 11, 16 катод становится анодом, а анод катодом. Работа установки в таком процессе аналогична вышеизложенному. При этом видеокамерой 7 регистрируется не рост осадка, а рост углублений и линии травления по заданному рисунку. Если в процессах осаждения или травления возникает сбой, например, обусловленный наличием дефектов подложки, обеднением электролита, то видеокамера зафиксирует изменение размеров точки (линии) обработки, а компьютер - наличие дефектов или недостаточную скорость обработки. В этом случае по команде компьютера 14 может быть изменена плотность тока на электродах 11, 16 через потенциостат 9, изменена величина тока питания в блоке питания 15, что изменяет плотность мощности лазерного излучения. Тем самым вносятся коррективы в процесс электрохимического осаждения (травления). Монитор компьютера 14 обеспечивает возможность наблюдения за процессом обработки как в режиме реального времени, так и в режиме воспроизведения процесса, записанного в память компьютера цифровой видеокамерой 7. Для обеспечения возможности автоматического контроля качества обработки и регулирования процесса обработки используется метод эталона. В качестве эталона с помощью видеокамеры 7 в память компьютера 14 записывается эталонный процесс обработки, на основе цифровой обработки изображений вырабатывается программа управления процессом и контролируется качество текущей и окончательной обработки изделия. Корректировку в программу обработки и контроля может вносить оператор с помощью клавиатуры компьютера. Система циркуляции электролита 12 может быть выполнена в виде циркуляционного насоса, резервуаров с электролитом, регенерационных и термостатирующих устройств и т.п. Благодаря указанным достоинствам установки для лазерной электрохимической обработки она может быть использована в электротехнической промышленности при производстве печатных плат, а также в других отраслях, где требуется размерная электрохимическая обработка. Источники информации 1. Заявка Японии 7018022, МПК С 23 1/02, 1998. 2. Серянов Ю.В., Аравина Л.В. Лазерно-химические реакции для получения элементов ИЭТ. Обзоры по электронной технике Серия 7. Технология, организация производства и оборудование. Вып. 11(1544). - М. ЦНИИ, Электроника, 1990. - С. 35-36. 3. Серянов Ю.В., Аравина Л.В. Лазерно-химические реакции для получения элементов ИЭТ. Обзоры по электронной технике Серия 7. Технология, организация производства и оборудование. Вып. 11(1544). - М. ЦНИИ, Электроника, 1990. - С. 38-39. 4..-// Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4