• по результатам проведенных работ, описанных в предыдущем пункте, сформировать полноценный меандр [5] на заготовке с толщиной металлического слоя 8 мкм одним из вышеуказанных типов лазера, показавшим лучшее качество изготовления резистивного элемента.

Экспериментальные результаты

Все работы выполняли на системе прецизионной обработки материалов электронной техники серии МикроСЕТ [6], оснащенной импульсным волоконным лазером МОРА с длиной волны 1,064 мкм мощностью 30 Вт производства  ООО «НТО «ИРЭ-Полюс» с использованием программного обеспечения MaxiGraf (рис. 2) [7].

Ультрафиолетовый (УФ) и газовый (СО2) лазеры для исследований не применялись, так как, по экспертному мнению специалистов технологического отдела ООО «Лазерный Центр», их использование для обработки материалов заказчика нецелесообразно.

Излучение СО2-лазеров с длиной волны 10,6 мкм хорошо отражается металлическими поверхностями и, кроме того, излучение СО2-лазеров трудно преобразовать в импульсы малой длительности и большой частоты. Стандартные, доступные для обработки материалов СО2-лазеры работают в непрерывном или квазинепрерывном режиме. Это не позволяет производить точно дозированный ввод энергии в материал, в результате чего происходит локальный перегрев материала и управлять таким процессом практически невозможно.

Излучение УФ-лазеров хорошо фокусируется и поглощается большинством металлических материалов, однако достаточно мощные УФ-лазеры с широким диапазоном импульсных характеристик редки, дорого стоят, для их обслуживания требуются специалисты высокой квалификации.

Поэтому в текущей ситуации использование УФ- и СО2-лазеров нецелесообразно как с технической, так и с экономической стороны.

В ходе выполнения экспериментальных работ была проведена лазерная обработка металлических тонкопленочных структур с металлическим слоем различной толщины (3; 8; 10; 20 мкм). Определено, что применение оборудования МикроСЕТ позволяет удалять нанесенный на арамидную ткань, пропитанную лаком ЭП-730, металлический слой. По результатам проведенного исследования на тестовых образцах с различной толщиной металлического слоя получены элементы меандра, примеры которых приведены на рис. 3.

Рис. 3. Элементы меандра фольгового электронагревателя

После изучения полученных элементов меандра и подтверждения отсутствия отслоения резистивного элемента от подложки были изготовлены полноценные меандры, пример которых представлен на рис. 4.

Рис. 4. Полноценный меандр фольгового электронагревателя

Характеристики лазерного излучения и скорость испарения константана.

Во время обработки заготовок лазерным лучом были использованы мульти-проходные режимы с динамически изменяющимися параметрами лазерного излучения, которые приведены ниже:

Минимальный диаметр сфокусированного пучка, мкм …….. 10
Диаметр пучка, мкм ……………………………………………. 10–30
Энергия импульса, мДж ……………………………………….. До 1
Длительность импульса, нс …………………………………… 4–200
Частота следования импульсов, кГц ………………………….. 1,6–1000

Управление пространственно-временными характеристиками излучения позволяет сформировать необходимое тепловое поле в материале и обеспечить эффективное разрушение материала в области взаимодействия с излучением. При этом благодаря мульти-проходным режимам обработки удается избежать перегрева материала подложки и получить чистые не поврежденные излучением поверхности без каких-либо перемычек. Широкий диапазон временных и скоростных характеристик оборудования дает возможность формировать практически любые тепловые поля и получать требуемые скорости выноса (испарения, разрушения) металлического материала.

Скорость испарения в зависимости от толщины константановой фольги составила от 0,952  10–6 до 1,26  10–6 кг/мин. Производительность может быть увеличена путем изменения параметров обработки.

Для получения наиболее качественных образцов изделий без деформации прилегающих областей и отслоения константана от подложки при отработке режимов обработки желательно стремиться использовать минимально возможные длительность импульса (до 50 нс), диаметр пучка и энергию в импульсе с одновременным увеличением частоты следования импульсов, однако производительность при этом снижается.

Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод, что для разных типов и толщин обрабатываемых материалов необходимо разрабатывать отдельные режимы с различными характеристиками лазерного излучения, в зависимости от требуемых качества и производительности.

Оценка степени испарения константана между токопроводящими дорожками. Для исключения короткого замыкания при подключении питания и для достижения равномерного теплового поля фольгового электронагревателя используют один из критериев качества фольговых электронагревателей, которым является степень испарения металла между токопроводящими дорожками, контролируемый с помощью спектрального анализа.

Качественный и количественный анализ химического состава фольгового электронагревателя космического аппарата, изготовленного с использованием лазерного излучения, производился атомноэмиссионным спектрометром с лазерным возбуждением СПЕКС ЛАЭС МАТРИКС [8, 9]. В указанном спектрометре применена оптическая схема Пашена — Рунге с длиной оптического пути 250 мм, с дифракционной решеткой 2400 штр/мм и шестью ПЗС-детекторами фирмы «Тошиба», диапазон длин волн 180…780 нм.

Образец исследования представлял собой резистивный элемент, выполненный из фольги в форме меандра с высоким удельным сопротивлением и нанесенный на диэлектрический материал. В качестве диэлектрического материала использовалась арамидная ткань, пропитанная лаком ЭП-730. Общий вид образца представлен на рис. 5.

Рис. 5. Общий вид исследуемого образца с указанием исследуемых на нем зон: 1 — эталонная зона, представляющая собой подложку (арамидная ткань, пропитанная лаком ЭП-730); 2 — исследуемая зона, представляющая собой подложку с нанесенным на нее слоем из константановой фольги; 3–6 — зоны, подверженные абляции лазером

Зоны, в которые был направлен пучок лазера спектрометра для возбуждения спектроплазмы, показаны на рис. 5. Получены спектры пробы, на которых выбраны спектральные линии искомых элементов с соответствующей длиной волны (λ). При анализе спектра пробы оценивалась интенсивность спектральной линии (I) от концентрации элементов в пробе. На рис. 6-8 приведены спектры пробы, полученные в результате абляции лазером образца согласно схеме, представленной на рис. 5.

Черным цветом на рис. 6–8 показаны спектры пробы, полученные при спектральном исследовании резистивного элемента, а цветными кривыми — при исследовании зон, подвергаемых абляции лазером в процессе формирования резистивного элемента..

Рис. 6. Полученный путем абляции образца лазером спектр пробы, на котором спектральная линия Mn с длиной волны λ = 403,46 нм

Рис. 7. Спектр пробы, на котором спектральная линия Ni с длиной волны λ = 341,49 нм

Рис. 8. Спектр пробы, на котором спектральная линия Cu с длиной волны λ = 327,42 нм

В таблице приведены основные интенсивности спектра на длинах волн соответствующих элементов в исследуемых зонах 1–6. Пред- ставленные результаты свидетельствуют о наличии в исследуемых зонах образца таких элементов, как Mn (λ = 403,46 нм), Ca (λ = = 393,36 нм), Ni (λ = 341,49 нм), Cu (λ = 327,42 нм), C (λ = 247,86 нм).

Интенсивность спектра химических элементов на различной длине волны

При спектральном анализе образцов отмечено, что ширина зоны 6 меньше, чем диаметр лазерного прожига. В связи с этим наблюдается значительный разброс по интенсивностям, обусловленный захватом материала резистивного элемента. По этой причине интенсивности, полученные в зоне 6, не были учтены при анализе, однако они приведены в таблице.

Особое внимание следует уделить таким элементам, как Ni, Mn и Cu. В частности, на рис. 6–8 и по данным в таблице видно, что в зонах 3–5 (подвергаемых абляции при изготовлении) уровень интенсивности спектров элементов Ni, Mn и Cu, которые являются основными элементами резистивного элемента, сопоставим с уровнями интенсивности самой арамидной ткани, пропитанной лаком ЭП-730 (зона 1). Таким образом, результаты спектрального анализа позволили сделать вывод, что при изготовлении фольгового электронагревателя с использованием лазерного излучения присутствующие в материале резистивного элемента фольгового электронагревателя Ni, Mn и Cu отсутствуют в зонах, подверженных абляции лазером.

Оценка целостности и диэлектрических свойств подложки.

Оценка целостности и диэлектрических свойств подложки из арамидной ткани, пропитанной лаком ЭП-730, проводилась методом визуально-оптического контроля и измерением сопротивления изоляции. Визуально-оптический контроль проводился с использованием стереоскопического микроскопа МБС-2, предназначенного для исследования объектов в проходящем и отраженном свете. При изучении зон, подверженных лазерной абляции, на предмет целостности подложки полученных образцов под микроскопом не были обнаружены: микротрещины, сколы, оплавление, прожиг и прочие поверх- ностные и объемные дефекты. Увеличенная под микроскопом МБС-2 часть элемента меандра приведена на рис. 9.

Рис. 9. Увеличенная часть элемента меандра

Диэлектрические свойства подложки определялись путем измерения сопротивления изоляции между резистивным элементом нагревателя и корпусом обогреваемого объекта. Измерения производились мегаомметром Е6-32 при значении испытательного напряжения 500 В в зонах, неподверженных абляции лазером (принятыми за эталонные показания), и в зонах, подверженных абляции. Все зоны схематично приведены на рис. 10. Диапазон значений сопротивления изоляции, полученных при измерениях в зонах 1, составил от 481 ⋅ 10⁹ до 1 ⋅ 10¹² Ом. Результаты измерений, проведенных в зонах 2, не вышли за пределы такого же диапазона.

Рис. 10. Схема проведения измерений сопротивления изоляции в зонах, неподверженных 1 и подверженных 2 абляции лазерома

Таким образом, по результатам визуально-оптического контроля и измерения сопротивления изоляции сделан вывод, что целостность и диэлектрические свойства подложки в зонах, подверженных абляции лазером, не нарушены.

Заключение.

Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что согласно экспертной оценке [3, 6] лазерная технология изготовления электронагревателей для космических аппаратов позволяет:

– сократить сроки и трудоемкость технологического процесса изготовления электронагревателя;
– повысить точность конструктивных параметров;
– уменьшить влияние предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны на персонал в случае перевода некоторых технологических операций от фотолитографических к лазерным методам.

На основе предварительного анализа результатов проведенных экспериментальных работ можно сделать вывод о возможности применения лазерного излучения в отдельных технологических операциях [10] при производстве тонких металлопленочных устройств для обеспечения теплового режима космического аппарата.

Благодарности. Авторы благодарны ведущему инженеру АО «НПО Лавочкина» Тамаре Степановне Аптуковой за помощь в обработке полученных результатов.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Тулин Д.В., Ефремова Т.Н., Плугарь С.М., Шабарчин А.Ф. Система обеспечения теплового режима телескопа Т-170 и научной аппаратуры. Вест- ник НПО имени С.А. Лавочкина, 2014, № 5, с. 97–103.

[2] Вятлев П.А., Шеманов А.Г., Харитонов С.Г., Мишин Ю.Н. К вопросу изготовления фольговых электронагревателей космического аппарата лазер- ными технологиями. Вестник НПО имени С.А. Лавочкина, 2020, № 1 (47), с. 68–74.

[3] Медведев А.М. Лазерная литография в производстве печатных плат. Тех- нологии в электронной промышленности, 2006, № 5 (11), с. 22–26.

[4] Вятлев П.А., Сергеев Д.В., Сысоев В.К. Механизм образования отверстий при лазерной перфорации металлизированных пленок экранно-вакуумной тепловой изоляции. Вестник Московского авиационного института, 2018, т. 25, № 2, с. 37–42.

[5] Володин Н.М., Павлинова Е.Е. Гибкий фольговый электронагреватель. Патент на полезную модель РФ №136944 U1. Опубл. 20.01.2014. Бюл. № 2. [6] Васильев О.С., Вейко В.П., Горный С.Г., Рузанкина Ю.С. Лазерная установка для микроструктурирования поверхности металла с использованием волоконного лазера. Оптический журнал, 2015, т. 82, № 12, с. 70–77.

[7] МикроСЕТ — система прецизионной лазерной микрообработки материа- лов электронной техники. Лазерный центр. URL: https://www.newlaser.ru/laser/lc/microset.php (дата обращения 31.01.22).

[8] Баранов А.В., Вишневский М.Е., Савилов С.В. Лазерная эмиссионная спектроскопия — эффективный метод анализа материалов, модифицированных наноразмерными объектами. Нанотехнологии: наука и производство, 2011, № 1 (10), с. 44–50.

[9] Баранов А.В., Вишневский М.Е., Савилов С.В., Черторыльская Е.Г. Быстрый и надежный качественный анализ микропримесей в производстве, экологии и криминалистики. Нанотехнологии: наука и производство, 2012, № 3 (18), с. 11–15.

[10] Гапоненко О.В. Основные направления развития прорывных технологий в космической деятельности России и проблемы их разработки и внедрения. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, вып. 6. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2019-6-1893

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:
Вятлев П.А., Шеманов А.Г., Горный С.Г., Юдин К.В., Григорьев П.С., Мишин Ю.Н. Анализ качества меандра фольгового электронагревателя космического назначения, изготовленного с использованием лазерного излучения. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, вып. 9.
http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2022-9-2208