Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação – FEEC
Pós-Graduação
Tópicos em Engenharia de Computação I
Métodos de Pesquisa em Engenharia de Computação (IA364-M) Prof. Dr. Ivan Ricarte
Atividade 7 – Revisão de Literatura
Aluna: Patrícia Domingues
Revisão de Literatura
A revisão de literatura está organizada do seguinte modo: inicialmente são definidos os conceitos básicos e termos da área de processamento de materiais com laser ultravioleta, logo após, é separada a seção de materiais e por fim há uma breve explicação do processo de desenvolvimento do software (que será detalhado no capítulo _) e dos dispositivos que serão manufaturados e controlados com a utilização do software e que receberão o o feixe do laser.
Lasers são largamente utilizados no processamento de materiais, diversas vantagens podem ser expostas para escolha do seu uso em detrimento de outros processos alternativos de tecnologia: permitem precisão na manufatura, não há necessidade de manusear diretamente os dispositivos, evitando danos mecânicos e, além de permitir trabalhar com componentes muito pequenos, uma série de tipos de substratos podem receber o feixe do laser: alumina, silício, sílica, polímeros, vidros, aço e metais a exemplo do alumínio. Estas peças podem ser tratadas isoladamente ou ainda contarem com a deposição de filmes finos de óxidos ou metais como ouro, platina, cobre, titânio e outros. Para escolha do tipo de laser, o primeiro passo é escolher o comprimento de onda, na faixa visível, ultravioleta ou infravermelha. O comprimento de onda é determinante na taxa de absorção do laser no material. Outro fator importante tem relação ao tipo do laser, se é pulsado ou contínuo. Lasers pulsados proporcionam maior flexibilidade no controle do processo, uma vez que ao alterar a frequência dos pulsos obtém-se a potência incidente na peça e, ainda geram menor stress térmico, com menor aquecimento do substrato. Outros parâmetros de controle são a velocidade de movimentação da escrita do laser, o número de pulsos, a duração em nanosegundos de cada pulso, a taxa de repetição (quantas vezes o feixe irá incidir no mesmo ponto) e o ajuste focal das lentes.
O laser utilizado no trabalho é pulsado e com pulso de duração de 45 nanosegundos, logo é denominado ultra-rápido (mas pode ser ajustado via programação). Lasers com duração pequena do pulso possuem ablação fria, ou seja, o substrato sofre menos stress térmico e o resultado da escrita com laser é melhor (Cheng et. al.).
Processamento de Materiais
Através da incidência do feixe do laser na superfície do material para descrever trajetórias e da interação com diversos tipos de substratos pode-se obter os seguintes tipos de efeitos:
• Ablação (remoção de material): o Corte o Marcação o Perfuração. • Modificação: o inchamento de polímeros o escrita o estruturação.
• Deposição de filmes.
• Síntese de nanopartículas e nanoestruturas. • Ataque químico com líquidos e gases. • Fotopolimerização:
o Fotolitografia
o Prototipagem Rápida (microestereolitografia).
Desenvolvimento de Software
O desenvolvimento do software de controle foi realizado em módulos baseados nos requisitos do sistema, conforme especificações da engenharia de software. Logo após seguiram as etapas de testes, tanto de caixa branca como testes de caixa-preta. Para validação dos módulos foram treinados usuários, aptos a utilização dos equipamentos, capazes de realizar recomendações cujas algumas features foram acrescentadas ao software.
Aplicações e Manufatura de peças através da utilização do software desenvolvido
Para utilização de todos equipamentos (controladora de movimentos, manipuladores de precisão, laser pulsado UV e o software desenvolvido) de forma integrada foi necessário o estudo dos possíveis métodos para controle dos parâmetros de trabalho do laser e das plataformas de translação que compõem o sistema e também o estudo dos métodos para sincronização dos pulsos do laser com a posição e o movimentção dos posicionadores.
Com relação à programação dos módulos dos softwares de controle e a sincronização dos dois equipamentos (laser e controladora de movimentos), os programas desenvolvidos possibilitaram o uso do laser ultravioleta no processamento de materiais e operações de micromaquinação. Os trabalhos que foram realizados com o uso do laser UV: escrita direta, cortes, marcações, perfurações e inchamento de polímeros (utilizado para a construção de moldes de microfluídica). Foram fabricados em silício, vidro, polímero e cerâmica, respectivamente, com o controle pelo software, canais para microfluídica, máscara de sombra para deposição localizada (via sputtering) de nanoestruturas, moldes em PMMA para chip de microfluídica e eletrodos para sensores de gás. Ainda foram realizados cortes de células fotovoltaicas (silício policristalino) para painés fotovoltaicos customizados.
Silício
O silício foi utilizado para produçao direta de canais de microfluídica através da ablação com o laser. CHOO e colaboradores realizaram a ablação de silício tanto no ar quanto imerso em água. A absorção UV é fraca para semicondutores, toda energia é concentrata próxima à superfície. Desta forma, a ablação no silício é rápida, a transferência de calor é pequena devido aos pulsos do lager e então tem-se um substrato com poucos danos. Os resultados obtidos dos autores mostram
uma taxa de remoção maior e concentrada no centro do feixe quando o ambiente é o ar, já imerso em água, a superfície é uniforme, devido ao menor aquecimento do substrato.
Vidro
Vidros foram utilizados para a fabricação de máscaras de sombra para deposição localizada via sputtering de nanoestruturas e para a fabricação de canais de microfluídica. RAMIL e equipe realizam ablação em soda lime (utilizado na fabricação de vidros usados em painéis touchscreens, fotomáscara e substrato para placas de circuito impresso).
Polímeros
Utilizados na fabricação de chips e moldes para microfluídica. O polymethylmethacrylate (PMMA) pode ser usado para a fabricação de moldes para esses chips. Alguns autores realizam a escrita direta de canais de microfluídica com um laser UV. A equipe de TEIXIDOR menciona que os parâmetros do laser afetam fortemente a largura e altura dos canais.
Cerâmicas
Usadas devido à sua rididez, capacidade de suportar altas temperaturas e resistência à corrosão. A exemplo de CAPPELLI e colaboradores, do tratamento com laser UV em alumina é obtida uma rugosidade muito baixa e praticamente nenhum defeito na superfície. Como aplicação do software desenvolvido, foram desenhados eletrodos e estes foram escritos com laser em um substrato de alumina com deposição de 20nm de titânio e 200nm de ouro ou platina. Tais substratos foram utilizados para sensores de gás.
Outras aplicações apresentadas na literatura
Outras combinações de materiais também podem ser usadas. Alguns exemplos na literatura mencionam o uso de poliimida juntamente com filme fino de cobre, que possuem alta condutividade além de necessitar de baixas potências para obter uma remoção de material sem a formação de defeitos no substrato (SHIN, B. S.; OH, J. Y.; SOHN, H, 2007).
Além disto, a combinação de diversos filmes de óxido de silício, ferro, carbono e térbio é investigada por (PFLEGING, W. et al.). Estes autores enfatizam a importância dos parâmetros do laser para obtenção de bons resultados na remoção de materiais. O que é notável é a necessidade de realização de testes para cada tipo de susbtrato variável no processo, logo após é necessária a caracterização de microscopia ótica e/ou eletrônica e por perfilometria para analisar os resultados obtidos e somente após manufaturar a peça desejada.
Não somente a remoção de material é utilizada no processamento de materiais. KOPITKOVAS e equipe fabricam microlentes em safira, quartzo, fluoreto de cálcio e fluoreto de bário imersos em pireno com acetona para realização de etching. O laser passa por uma máscara de sombra e é depositdo fotoresiste na superfície dos substratos imersos. Neste caso uma série de interações são investigadas, por exemplo, a formação de bolhas no substrato devido a que o uso
do laser fez exceder 60° na solução e evaporou a acetona ocasionando a formação de bolhas. Outras propriedades mecânicas e termais são relevantes.
Os autores HE e NAMBA apresentam resultados considerando metais, semicondutores e isolantes na maquinação com laser no espectro ultravioleta. Neste ponto há a importância de realizar a comparação com outras fontes de laser (visível e infravermelho assim como obter dados de absorção destes diferentes materiais).
Por fim, LI e equipe utilizam laser ultravioleta para obtenção de nanopartículas de prata via ablação de substrato imerso em ambiente líquido e produzem nanotubos de carbono pela ablação de Nitrogênio em ambiente de gás acetileno (C2H2).
Uma série de aplicações podem ser realizadas com o uso de lasers na indústria. O trabalho tem por finalidade o desenvolvido de softwares que possibilitem a fabricação de dispositivos para microeletrônica, especificamente voltados para microfluídica e na manufatura de cerâmicas e silício. Os softwares possibilitarão a inclusão de novas features à medida que novos trabalhos surjam e serão hábeis para construção de diversos componentes para aplicações importantes na área de pesquisa.
Referências
CAPPELLI, E. et al. Ceramic surface modifications induced by pulsed laser treatment. Applied Surface Science, v. 154-155, p. 682–688, fev. 2000.
CHENG, J. et al. A review of ultrafast laser materials micromachining. Optics & Laser Technology, v. 46 p.88 - 102, mar. 2013.
CHOO, K. L. et al. Micromachining of silicon by short-pulse laser ablation in air and under water. Materials Science and Engineering: A, v. 372, n. 1-2, p. 145–162, maio 2004.
HE, L.; NAMBA, Y. Spectroscopic analysis for machining of inorganic materials with the harmonics of a Nd:YAG laser. Precision Engineering, v. 24, n. 4, p. 357–363, out. 2000.
KOPITKOVAS, G. et al. Surface micromachining of UV transparent materials. Thin Solid Films, v. 453-454, p. 31–35, abr. 2004.
LI, L. et al. Laser nano-manufacturing – State of the art and challenges. CIRP Annals - Manufacturing Technology, v. 60, n. 2, p. 735–755, jan. 2011.
PFLEGING, W. et al. Laser micromachining for applications in thin film technology. Applied Surface Science, v. 154-155, p. 633–639, fev. 2000.
RAMIL, A. et al. Micromachining of glass by the third harmonic of nanosecond Nd:YVO4 laser. Applied Surface Science, v. 255, n. 10, p. 5557–5560, mar. 2009.
SHIN, B. S.; OH, J. Y.; SOHN, H. Theoretical and experimental investigations into laser ablation of polyimide and copper films with 355-nm Nd:YVO4 laser. Journal of Materials Processing Technology, v. 187-188, p. 260–263, jun. 2007.
TEIXIDOR, D. et al. Nanosecond pulsed laser micromachining of PMMA-based microfluidic channels. Journal of Manufacturing Processes, v. 14, n. 4, p. 435–442, out. 2012.
