Лазерное управляемое термораскалывание – технология прецизионной резки мирового уровня.

Кондратенко Владимир Степанович

Директор Физико-технологического института Московского технологического университета.

Доктор технических наук, профессор, академик Международной академии технологических наук, академик РАЕН, академик АИН им. А.М. Прохорова,

Лауреат премии Совмина СССР (1990 г.) и дважды премии Правительства РФ в области науки и техники (2005 и 2012 гг.),

Лауреат Национальной премии им. Петра Великого (2010 г.),

Лауреат Международной премии ВОИС «Лучший изобретатель» (2014 г.),

Почетный работник науки и техники РФ (2015 г.),

Почетный изобретатель г. Москвы (2010 г.).

Лазерное управляемое термораскалывание – технология прецизионной резки мирового уровня

С ростом технического прогресса доля использования таких хрупких материалов, как стекло, сапфир, керамика, кварц, кремний и других полупроводниковых материалов резко возрастает практически во всех отраслях производства, растет и номенклатура изделий их использующих. К таким изделиям относятся элементы  остекления транспортных средств и стеклоизделия архитектурного назначения, твердотельные полупроводниковые приборы, оптические элементы, изделия микро- и оптоэлектроники.  Существующие традиционные технологии обработки хрупких неметаллических материалов, такие как,  резка механическим способом с помощью метода лазерного скрайбирования уже обеспечивают все возрастающие требования к качеству обработки.

В последнее десятилетие бурное развитие и применение в различных промышленных областях находит метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ), автором и патентообладателем которого является выдающийся ученый с мировым именем в области разработки физических основ прецизионной лазерной и алмазной обработки широкого класса хрупких неметаллических материалов профессор В.С. Кондратенко.

Успешное преодоление  недостатков, свойственных традиционным способам резки хрупких материалов, позволило технологии ЛУТ сформироваться в самостоятельное научное направление и уже более двадцати лет примеры ее применения удивляют не только потребителей, но и специалистов.

Основателем научной школы лазерной обработки широкого класса материалов методом ЛУТ является выдающийся ученый с мировым именем, директор Физико-технологического института Московского технологического университета, заведующий кафедры оптических и биотехнических систем и технологий Физико-технологического института, доктор технических наук, профессор, действительный член РАЕН, лауреат премий Совмина СССР (1989 г.) и дважды премии Правительства РФ в области науки и техники (2005 и 2012 гг.), Национальной премии им. Петра Великого (2010 г.), Международной премии ВОИС «Лучший изобретатель» (2014), почетный изобретатель г. Москвы Кондратенко Владимир Степанович. Своей целеустремленностью, верой в перспективность этого способа разделения (резки) таких широко используемых материалов, как стекло, сапфир, керамика, кварц, кремний,  полупроводниковые материалы Кондратенко В.С. не только доказал эффективность метода ЛУТ, но и добился мирового признания этой уникальной технологии.

На протяжении всей своей научной деятельности Владимир Степанович Кондратенко использует каждую возможность для популяризации этого метода лазерной резки и с удовольствием делится своими знаниями об уникальных возможностях ЛУТ.

Как пояснил автор технологии, физическая модель метода ЛУТ заключается в том, что сфокусированный на поверхности разделяемого материала луч лазера сначала нагревает поверхностные слои и в них возникают силы сжатия, а затем хладагент из форсунки, движущейся вслед за лучом лазера, резко охлаждает нагретую поверхность и за счет возникающих сил растяжения возникает трещина, которая и разделяет материал с нулевой шириной реза и идеальной бездефектной кромкой, — подчеркивает рассказчик.

Рис.  Схема образования микротрещины в процесс ЛУТ:
1 – лазерный пучок, 2 — обрабатываемая пластина, 3 – фокусирующий объектив,
4 – форсунка, 5 – хладагент, 6 – микротрещина

Результаты научных исследований, представленные в многочисленных научных работах профессора Кондратенко В.С. (а их у автора более 500), объективно демонстрируют преимущества метода ЛУТ по сравнению с традиционными способами резки, а именно:

• высокая производительность, за счет высокой скорости резки (до 1000 мм/с);
• резкое снижения уровня брака при разделении, например, приборных пластин на чипы;
• чистота процесса резки, за счет безотходности технологии (нулевая ширина реза);
• повышение прочности вырезанного изделия до 5 раз, по сравнению с механической резкой, за счет отсутствия дефектов на кромке.

Особое внимание следует обратить на безотходность и экологичность  процесса ЛУТ, так как при раскалывании материала не теряется ни одной молекулы вещества и, следовательно, не требуется специального оборудования по удалению отходов из зоны резания, как у традиционных методов резки. Технология ЛУТ идеально подходит, например, для резки в чистых зонах кремниевых приборных пластин на электронные чипы – будущие элементы микроэлектроники.

Именно преимущества метода ЛУТ, в которых Кондратенко В.С. был абсолютно уверен, позволили ему в сложное для России время начала 90-х годов принять непростое, но, как оказалось в последствии, правильное решение, — приступить к патентованию метода ЛУТ сначала в России, а затем и за рубежом в экономически развитых странах: США, Японии, ФРГ. Очевидно, что в условиях резкого снижения экономической активности отечественной промышленности, отсутствия внутреннего спроса на новые технологии, единственной возможностью сохранить и развить полученные научные результаты – это было предложить технологию ЛУТ зарубежным высокотехнологичным компаниям.

Опыт применения технологии ЛУТ такими лицензиатами как «Jenoptik AT» (ФРГ), «Mitsuboshi Diamond Indastrial Co., Ltd» (Япония), «Foxconn Technology Group» (Тайвань) доказал не только превосходство метода ЛУТ над традиционными технологиями резки, но и его незаменимость при решении задач массового производства высокотехнологичной продукции.

Президент компании «Foxconn Technology Group» (Тайвань) г-н Терри Гоу вручает сертификат научного консультанта компании профессору В.С. Кондратенко

Наибольший масштаб применения технология ЛУТ получила в компании «Foxconn Technology Group» (Тайвань) – производителе  известных гаджетов Apple. Реализация таких высокотехнологичных операций как вырезание экрана со снятием фаски в одном технологическом цикле позволила добиться высочайшей производительности, удовлетворяющей постоянно растущий спрос на популярные гаджеты.                        

Рис. Экранная панель телефона iPhone

Как патриот своей страны, Кондратенко В.С., много усилий приложил к внедрению технологии ЛУТ и в России. Примерами внедрений могут служить:

• создание и размещение на флоат-линии Саратовского института стекла первой промышленной установки для резки стекла методом ЛУТ в процессе выработки;
• разработка и внедрение на предприятии космической отрасли ОАО «Сатурн» промышленной установки для резки тонкого покровного стекла в производстве солнечных батарей;
• создание участков резки стекла и сапфира на ОАО «Швабе-Фотосистемы» в рамках федеральной программы по созданию высокотехнологичных производств.

Участие коллектива ученых научной школы Кондратенко В.С. в выполнении этой  программы, позволил разработать и создать первую в России промышленную установку МЛП1-1060/355 для прецизионной резки подложек из сапфира и других хрупких неметаллических материалов.

За два года с помощью этой установки в Физико-технологическом институте выполнен большой объем научных исследований и экспериментальных работ, получены значимые научно-практические результаты. Основными из них являются:

• резка сапфировых приборных пластин на кристаллы, в том числе на чипы, критичные к внешним воздействиям;
• резка кремниевых приборных пластин с органическими светодиодными структурами;
• резка узких сапфировых элементов для светодиодных ламп нового поколения;
• резка трубок круглого сечения и дисков различного диаметра для миниатюрной вакуум-плотной стеклянной кюветы для атомных часов;
• резка трубок квадратного сечения и прямоугольных элементов из боросиликатного стекла для создания кубических стеклянных кювет для гироскопов на ядерном магнитном резонансе;
• нанесение сеток на поверхность оптических элементов и др.

Вместе с тем, несмотря на полученные результаты и их освещение в научных трудах, промышленные предприятия России не проявляет должной активности и заинтересованности во внедрении технологии ЛУТ в свои производства. Главная причина, как считает Кондратенко В.С., заключается в отсутствии в нашей стране массовых производств и задач, связанных с резкой больших объемов хрупких неметаллических материалов.

В заключение, Кондратенко В.С. представил краткую информацию и о других прикладных научных направлениях Физико-технологического института, которые он успешно возглавляет:

• технология химико-механического шлифования связанным алмазным абразивным инструментом, также показавшую свою высокую эффективность в утонении экранов гаджетов Apple;
• сорбционный паро-гидросенсорный кабель и система раннего обнаружения протечек воды и прорывов пара на его основе;
• замена алюминия на теплопроводный полимерный композит в радиаторных системах охлаждения электронных устройств;
• наноионизированная вода с рН-12,5, обладающая рядом уникальных свойств и применений в промышленности и в быту;
• золь-гель технология, формирующая наноразмерные защитные покрытия на поверхности широкого круга материалов, как с повышенными прочностными, так и водозащитными электроизолирующими свойствами.

Результаты исследований по всем представленным научным направлениям имеют мировой уровень новизны и защищены патентами либо «ноу-хау».

Как патриот своей страны, Кондратенко В.С. не теряет надежды на широкомасштабное внедрение технологии ЛУТ и других научных разработок в различные отрасли российской промышленности.

Он уверен, что только внедрение технологий, превосходящих мировые аналоги, позволит российской экономике успешно развиваться, преодолеть технологическое отставание в отдельных отраслях, а отечественным продуктам и услугам успешно конкурировать на мировых рынках.

 Заместитель директора Физико-технологического института по инновационному развитию А.Ю. Рогов