電子材料紫外激光微加工技術(shù)與機(jī)理研究.pdf

1、紫外激光因波長短、部分特定材料吸收率高、熱影響區(qū)小、可聚焦光斑尺寸小等特點(diǎn),微加工時容易獲得較高的加工精度和質(zhì)量,已引起電子半導(dǎo)體制造和通訊工程、生物和醫(yī)學(xué)、精密機(jī)械、航空航天、國防等領(lǐng)域工程技術(shù)人員的高度重視。特別是近十年來迅速發(fā)展起來的高功率全固態(tài)紫外激光器,電光轉(zhuǎn)換效率高、重復(fù)頻率高、性能可靠、運(yùn)行成本低、體積小、光束質(zhì)量好、功率穩(wěn)定,在微電子和半導(dǎo)體工業(yè)精密制造和微細(xì)加工領(lǐng)域中占有重要地位。因此,研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紫外激光微

2、加工設(shè)備,特別是研究紫外激光微加工技術(shù)、機(jī)理和建模對提升我國在微制造領(lǐng)域中的技術(shù)水平和核心競爭力具有十分重要的意義。
　　首先,針對現(xiàn)有紫外激光微加工裝備采用振鏡掃描加工作臺運(yùn)動或靜態(tài)聚焦加工作臺運(yùn)動的方式,不能同時滿足電子行業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)精密制造和微加工的多功能、高效率、高精度和大幅面要求的現(xiàn)狀,本論文研發(fā)了一種多功能紫外激光微加工設(shè)備,兼有振鏡快速掃描和靜態(tài)短聚焦兩種加工方式。根據(jù)兩種加工方式刻蝕單晶硅片得到的刻縫寬度和深度的

3、標(biāo)準(zhǔn)差對設(shè)備穩(wěn)定性進(jìn)行了評估,結(jié)果表明,多功能紫外激光微加工設(shè)備振鏡快速掃描加工系統(tǒng)和靜態(tài)短聚焦加工系統(tǒng)均能穩(wěn)定工作,能夠勝任工業(yè)應(yīng)用的要求。
　　其次,針對傳統(tǒng)同心圓掃描或螺旋線掃描鉆盲孔加工方法容易產(chǎn)生盲孔底部表面高度不均勻的問題,首次提出了定點(diǎn)-同心圓掃描結(jié)合加工方式,即盲孔中心區(qū)域采用激光定點(diǎn)鉆孔方式去除材料,盲孔周邊區(qū)域采用同心圓掃描方式去除材料。通過對PI(聚酰亞胺)和銅材料的單脈沖激光刻蝕率和掃描光斑等效脈沖數(shù)理論計(jì)

4、算,得出了采用定點(diǎn)-同心圓掃描結(jié)合方式加工FPC(柔性線路板)盲孔時激光脈沖能量密度、激光頻率、掃描速度與同心圓掃描間距之間的關(guān)系式。根據(jù)該關(guān)系式對多層FPC鉆一階盲孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置,獲得了底部整潔光澤、錐度小、結(jié)構(gòu)理想的盲孔(直徑200μm),測得盲孔底面最大高度差為7.16μm,孔底表面粗糙度Ra為1.06μm,符合電子行業(yè)要求。
　　再次,采用355nmNd:YVO4激光器和1064nmNd:YAG激光器對CCL(覆銅箔

5、層壓板)和FPC進(jìn)行了刻蝕、切割加工對比實(shí)驗(yàn),比較了不同波長激光對加工質(zhì)量的影響,分析了紫外激光能量密度和掃描速度對FPC主要材料銅、PI刻縫寬度、深度的影響,并對紫外激光切割FPC金手指進(jìn)行了研究。
　　然后,對納秒脈沖紫外激光刻蝕銅材料的去除過程進(jìn)行了有限元模擬和實(shí)驗(yàn)對比研究,模擬過程中首次采用將激光脈寬作用時間分段計(jì)算,并且將激光功率密度始終加載在已形成的盲孔或凹槽表面的方式,這種方式比目前ANSYS模擬激光去除加工研究中普

6、遍采用的根據(jù)加載激光能量一段時間后的溫度場分布進(jìn)行材料去除的方式更符合實(shí)際情況,使得模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。將不同能量密度下刻蝕銅模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較得出,刻縫寬度和深度的誤差最大值分別為4.5μm和2μm;對不同掃描速度的情況模擬時,刻縫寬度和深度的誤差最大值分別為2μm和3.5μm;不同掃描次數(shù)條件下,當(dāng)掃描速度分別為100mm/s和200mm/s時模擬刻縫深度的誤差最大值分別為1μm和2μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該數(shù)學(xué)模型的模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性

7、,可對紫外激光刻蝕銅進(jìn)行預(yù)測和理論指導(dǎo)。激光掃描刻蝕FPC材料時,模擬銅和PI的刻蝕寬度以及銅刻蝕深度較為準(zhǔn)確,誤差值分別為0.1μm、0.6μm和1μm;但對PI的刻蝕深度誤差較大,其原因是PI材料與紫外激光相互作用機(jī)理復(fù)雜且熱物理性質(zhì)參數(shù)尚不完善。
　　最后,采用紫外激光精密切割和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的方法研究了一種125μm厚超薄Al2O3陶瓷微勢阱芯片基底層的制備技術(shù)。利用正交實(shí)驗(yàn)獲得了Al2O3陶瓷激光精密切割的關(guān)鍵影響因素和