01 Увод
Уз континуирани напредак науке и технологије и широку примену нових материјала, савремена производња се брзо развија ка лаким, минијатуризованим и високо{0}}прецизним правцима. У областима као што су микроелектроника, оптоелектроника и микро-електромеханички системи (МЕМС), повезивање и интеграција микро-нано структура су посебно важне. Традиционалне методе обраде, као што су дуго-пулсна ласерска обрада или обрада електричним пражњењем, често долазе са значајним зонама-захваћеним топлотом (ХАЗ), које могу лако довести до деформације материјала, микропукотина или преобликованих слојева, што отежава испуњавање захтева високе{7}}прецизне међуповезивања на микро- и наноскали. Ултрабрзи ласери, који се обично односе на ласере са ширинама импулса у опсегу фемтосекунде (фс) или пикосекунде (пс), пружају ново решење за прецизну производњу због своје изузетно велике вршне густине снаге и ултра{10}}кратког времена интеракције. Посебно, ултрабрзо ласерско микро-нано заваривање (Нано Велдинг) може да превазиђе ограничења топлотне дифузије традиционалног заваривања и постигне прецизне везе на микро-нано скали. Ова технологија користи нелинеарне ефекте ултрабрзе ласерске интеракције са материјалима како би се постигло топљење и везивање у екстремно малим областима уз избегавање оштећења околних структура. Заснован на најновијим достигнућима у ултрабрзи ласерској обради микроструктуре, овај рад се фокусира на објашњење основних принципа ултрабрзог ласерског микро-нано заваривања, кључних параметара процеса и његове типичне примене у различитим системима материјала.
02 Ултра-Принцип брзог ласерског заваривања
Основни механизам ултрабрзог ласерског микро-нано заваривања лежи у термодинамичком процесу и ефекту повећања локалног поља. Основни принцип је да кроз интеракцију између ултрабрзог ласера и материјала, контактни интерфејс микроструктура које се заварују подлеже локалном топљењу, чиме се елиминишу празнине и формира стабилна веза. У процесу заваривања за структуре подталасне дужине као што су наножице, фемтосекундно ласерско зрачење може да изазове локализовану плазма резонанцу, која генерише локализована високотемпературна поља на укрштаним тачкама или контактним површинама наножица, омогућавајући повезивање, сечење или преобликовање наножица. Значајна предност ове технологије је њена изузетно висока термичка локализација. Због ултракратке ширине импулса ултрабрзог ласера (обично на фемтосекундној скали), дифузија топлоте је значајно потиснута, што омогућава да укупна температура достигне равнотежу у року од 10⁻¹² секунди. Овај ултрабрзи механизам термалне релаксације осигурава да су високе температуре ограничене само на локалне регионе у којима се јавља плазма резонанца, док подручја структуре нано жице изван зоне резонанце нису оштећена високом температуром, чиме се одржава укупни структурни интегритет уређаја. Поред тога, избор параметара процеса заваривања има одлучујући утицај на квалитет шава. Истраживања су показала да коришћење велике брзине понављања импулса у комбинацији са ниском пулсном енергијом може ефикасно да смањи формирање крхких интерметалних једињења, смањи појаву дефеката завара и спречи прекомерну аблацију металног материјала.
Слика 1. Шематски дијаграм нелинеарне јонизације, еволуције плазме и термодинамичких механизама ултрабрзе ласерске интеракције са силицијумом.
Слика 2. Поређење механизама депоновања енергије и процеса фазне трансформације метала и не-материјала у ултрабрзим ласерским микро-нано заваривањем.
03 Ултрабрзе апликације за ласерско заваривање
Тренутно се ултрабрза ласерска микро-нано технологија заваривања широко примењује за повезивање различитих проводљивих микро-нано структура. У зависности од карактеристика материјала, углавном се може категорисати на заваривање металних микро-нано структура, заваривање полупроводничких наноматеријала и заваривање хетероспојница различитих материјала. У ова три сценарија примене, ултрабрзи ласери су показали значајне предности у односу на традиционалне процесе.
Што се тиче прецизног међусобног повезивања металних микро-нано структура, традиционалне микро-технологије заваривања често се суочавају са озбиљним ефектима термичког преливања када рукују металним жицама у микронском- или нанометарском-омери, због потешкоћа у прецизној контроли уноса топлоте. Ово прекомерно топлотно оптерећење не само да лако топи фине металне жице већ такође има тенденцију да формира крхка интерметална једињења на спојевима различитих метала, што резултира ниском механичком чврстоћом и честим дефектима у заваривању. Насупрот томе, ултрабрзо ласерско заваривање, применом јединствене процесне стратегије која комбинује високе стопе понављања импулса са малом енергијом импулса, ефикасно превазилази ове изазове. Ова синергија високе фреквенције понављања и ниске енергије обезбеђује довољну акумулацију енергије за заваривање док значајно смањује прекомерну аблацију металног материјала, чиме ефикасно потискује стварање крхких интерметалних једињења и минимизира дефекте шава.
У специфичним применама, истраживачи су били први који су користили ову технологију за заваривање Аг микро-жица на Цу супстрате, демонстрирајући њен потенцијал у микроелектронским интерконекцијама. Поред тога, за наножице Аг-Аг хомогене металне наножице, истраживачи су успешно заварили наножице користећи ултракратке импулсе од 35 фс при густини енергије од приближно 90 мЈ/цм². Добијени спојеви нису били само структурно нетакнути, већ су такође одржавали одличну електричну проводљивост и механичку чврстоћу.
У недеструктивном повезивању полупроводничких наноматеријала, конвенционално глобално загревање или процеси контактног заваривања могу лако да оштете кристалну структуру наножица или да изазову термичко оштећење у областима без -заварених делова услед високе кртости и топлотне осетљивости полупроводничких материјала. Ултрабрзо ласерско заваривање решава овај проблем кроз свој јединствени локализовани механизам плазма резонанције. Када се фемтосекундно ласерско зрачење примени на наножице, локализована плазма резонанца се индукује на раскрсницама или спојевима, стварајући локализоване високе температуре да би се постигло заваривање, сечење или преобликовање. Пошто је време деловања ултрабрзог ласера изузетно кратко, дифузија топлоте достиже равнотежу унутар пикосекундног опсега (10^-12 секунди), што значи да је генерисана висока температура стриктно ограничена на локалну резонантну област, остављајући структуре наножица изван резонантне зоне потпуно неоштећене.
На основу овог принципа, истраживачи су успешно постигли заваривање хомогених полупроводничких наножица ЗнО-ЗнО. Под ширином импулса од 35 фс и густином енергије од 77,6 мЈ/цм², након 30 секунди озрачивања, наножице су биле чврсто и недеструктивно повезане. Ово откриће обезбеђује ефикасан и прецизан метод без{6}}бесконтактне обраде за склапање свих-оксидних фотодетектора и сензора.
Ултрабрза ласерска микро-нано технологија заваривања, са изузетно кратком ширином импулса и изузетно великом вршном снагом, превазишла је ограничења традиционалних метода заваривања у контроли термичких ефеката, постајући незаменљив алат у области микро-нано производње. Кроз локализовану плазма резонанцију и механизме нелинеарне апсорпције, ова технологија може да постигне прецизно топљење и везивање материјала на изузетно малим просторним и временским размерама, ефикасно избегавајући топлотно оштећење околних микро-нано структура. Од металних микро жица до полупроводничких наножица, па чак и сложених спојева хетерогених материјала, ултрабрзо ласерско заваривање је показало широку прилагодљивост материјала и одличан квалитет обраде. У будућности, уз дубље истраживање механизама интеракције ласерске-материјале и даљих побољшања у перформансама ласера, очекује се да ултрабрзо ласерско микро-нано заваривање игра још важнију улогу у производњи флексибилне електронике, нано{8}}оптоелектронских уређаја и високо интегрисаних сензора, подстичући микро-нано прецизну технологију производње и већу ефикасност.
