用波長和脈沖寬度更短以及低的M2（光束質(zhì)量）的激光器能創(chuàng)造一個聚焦更集中的光斑，并能保持最小的熱影響區(qū)（HAZ），從而實(shí)現(xiàn)更精密的微加工。高的能量吸收，尤其是在紫外（UV）波長和短脈沖范圍，材料將被迅速汽化，從而減少熱影響區(qū)和炭化。較小的聚焦光斑可以實(shí)現(xiàn)精度較高、尺寸較小的加工。高功率、高脈沖重復(fù)頻率（PRF）、脈沖整形和脈沖分裂都可以為提高微加工的生產(chǎn)率做出貢獻(xiàn)。持續(xù)的較高的脈沖穩(wěn)定性能確保過程的可重復(fù)性，幫助實(shí)現(xiàn)更高的良品率。 

        傳統(tǒng)的紫外Q開關(guān)二極管泵浦固體（DPSS）激光器能合理地滿足精密制造的要求，但是它們在實(shí)現(xiàn)更高的加工速度和較高的微加工質(zhì)量方面還有所欠缺。提高加工速度的常用方法是在保持其他工藝參數(shù)不變的同時提高激光的脈沖重復(fù)頻率。然而，對于典型的Q開關(guān)DPSS激光器來說，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。這些激光器的平均功率和脈沖能量會隨著脈沖重復(fù)頻率的增加而迅速下降。此外，在脈沖重復(fù)頻率較高時，激光脈沖寬度和脈沖能量波動往往會大幅增加。 

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       為了克服這些限制，需要研發(fā)新的激光技術(shù)，因此Spectra-Physics公司在2013年推出了一款獨(dú)特的高功率和短脈沖寬度的高重復(fù)頻率紫外混合光纖激光器，功率為40W（250kHz、355nm波長），之后又在2014年擴(kuò)展到60W（200-300kHz），并在平均功率和脈沖能量方面都有提高。同時，它的最小脈沖寬度從5ns下降至2ns，最大的脈沖重復(fù)頻率從500kHz增至3.5MHz。這些輸出特性為工程師們提供了新的物理?xiàng)l件來實(shí)現(xiàn)更廣闊的激光工藝參數(shù)空間。 

      本文將高脈沖重復(fù)頻率下，高功率和獨(dú)立可調(diào)的紫外激光脈沖寬度以及先進(jìn)的脈沖調(diào)控技術(shù)結(jié)合起來，并將其應(yīng)用于各種微電子材料的微加工中，包括硅（在芯片制造中的應(yīng)用）、氧化鋁（在微電子封裝制造中的應(yīng)用）、玻璃（觸摸顯示屏制造中的應(yīng)用）和銅（印刷電路板和微電子封裝制造中的應(yīng)用）。 

      用激光刻劃硅片可以替代傳統(tǒng)的精密鋸切割。由于晶片變得越來越薄，同時激光變得更強(qiáng)大，因而和鋸切割相比，激光的優(yōu)勢進(jìn)一步加強(qiáng)。要想與傳統(tǒng)的鋸切割競爭，實(shí)現(xiàn)更高上海激光刻字速度和更好的切割質(zhì)量是至關(guān)重要的。 

      我們使用Quasar激光器對厚度小于100μm的拋光單晶硅片進(jìn)行熱損傷最小的高速刻劃。在圖1中，曲線顯示，隨著劃刻速度的增加，劃刻深度會降低（200 kHz、25ns單脈沖）。在較高的重復(fù)頻率下使用較高的功率，同時TimeShift技術(shù)可以用軟件設(shè)置范圍廣泛的脈沖能量和脈沖寬度，最終我們可以看到，刻劃速度提高了差不多3倍（25ns單脈沖，50μm的刻劃深度）。

 

   氧化鋁（Al2O3）陶瓷具有高的介電性能，再加上高強(qiáng)度、耐腐蝕性、高穩(wěn)定性和相對較低的成本，得以廣泛用于微電子封裝。在典型的制造過程中，具有多個模塊的大尺寸氧化鋁基板最終要被分離成單個的模塊（切單）。在常用的刻劃技術(shù)中（“劃片并斷開”），使用激光器在基板上進(jìn)行深的刻劃，然后通過機(jī)械加壓來使

    類似于硅刻劃，我們可以看到，當(dāng)使用Quasar激光器以較高的速度進(jìn)行氧化鋁刻劃時，可以借助較高的功率和TimeShift技術(shù)來實(shí)現(xiàn)最小的熱效應(yīng)。圖3顯示，使用了雙脈沖串的微加工比單脈沖加工具有很明顯的優(yōu)勢。將20ns單脈沖能量分裂為兩個子脈沖，燒蝕深度能增加78%。同樣，圖4顯示了雙脈沖模式下進(jìn)行同樣深度的刻劃所使用的能量比單脈沖要少40%，同時上表面的碎片也更少。

 

    在顯示器制造過程中，觸摸屏和LCD的玻璃塊的剝離需要直線切割，而創(chuàng)建角、孔和槽則需要曲線切割。消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用的玻璃基板通過各種化學(xué)或者熱處理而變得越來越薄，強(qiáng)度也越來越高，因而用激光加工玻璃在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的切割和高的生產(chǎn)率方面顯示出巨大的潛力，同時還能減少傳統(tǒng)的機(jī)械劃刻和剝離工藝所帶來的產(chǎn)量損失。 

    我們開發(fā)的TimeShift技術(shù)是一種利用了激光與物質(zhì)間相互作用的效應(yīng)來進(jìn)行玻璃加工的技術(shù)。該技術(shù)正在申請專利中。在該技術(shù)中，對單個激光脈沖進(jìn)行修改，可以減少熱負(fù)荷和造成的材料碎塊或碎片。這在化學(xué)強(qiáng)化玻璃的切割中可以實(shí)現(xiàn)較好的切割質(zhì)量以及超過1.5m/s的線切割速度，例如康寧大猩猩玻璃（Corning Gorilla）、旭硝子龍尾系列玻璃（Asahi Dragontail）和肖特（Schott）Xensation玻璃。在鈉鈣玻璃和先進(jìn)的柔性玻璃（例如康寧Willow玻璃）的加工中能得到類似的結(jié)果，而對于藍(lán)寶石加工的工藝開發(fā)也正在進(jìn)行中。圖5顯示了在0.7mm厚的康寧大猩猩玻璃中的加工結(jié)果，該玻璃具有40μm厚的化學(xué)強(qiáng)化層（DOL）。從圖中可以看出，切割的邊緣非常干凈，并且具有很少的碎片，也沒有可見的微細(xì)裂紋。

 

    對聚合物基板上的薄的（10-20μm)銅層進(jìn)行干凈而快速的切割，這是一個典型的柔性電路分板切割的應(yīng)用。此外，PCB結(jié)構(gòu)中的鉆孔包括了對類似厚度的銅層進(jìn)行燒蝕。我們研究了TimeShift技術(shù)在這些應(yīng)用中的潛在效用，主要是通過使用子脈沖（脈沖串）來進(jìn)行銅的刻劃，以提高刻槽的深度。 

    圖6a顯示了同樣能量下，相比單脈沖（0納秒的脈沖間隔），用10ns脈沖間隔能創(chuàng)建更深的溝槽。然而，將脈沖間隔增加到25ns時，會導(dǎo)致材料去除率比單脈沖更低。這些影響可以借助TimeShift技術(shù)的靈活性來輕易消除。從而能為研發(fā)工程師考慮激光材料相互作用的機(jī)制帶來靈感，因而可以獲得更快速和更全面的工藝優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)更高的速度和更好的質(zhì)量。 

    圖6b顯示了在5ns子脈沖持續(xù)時間下，將脈沖總能量分成更多的子脈沖，會帶來更高的材料去除率。類似圖1中的硅和圖3中的氧化鋁，多個子脈沖將會帶來更干凈的切割邊緣和較少的碎片。

 

    小結(jié) 

    在消費(fèi)類移動電子設(shè)備的制造工藝中，常常使用激光來進(jìn)行各種材料的微加工。我們發(fā)現(xiàn)，將具有較高的脈沖重復(fù)頻率的高功率紫外激光與TimeShift可編程脈沖整形技術(shù)（Quasar激光器）結(jié)合起來，可以大大提升微加工的加工效果。 

 

將紫外激光用于多種常見的微電子材料（包括硅、陶瓷、玻璃、銅）的大批量加工，可以帶來很多益處。通過擴(kuò)大工藝參數(shù)空間（在較高的脈沖重復(fù)頻率下提高功率），再加上先進(jìn)的脈沖分裂和整形技術(shù)，我們可以在提高加工速度的同時獲得微加工質(zhì)量的提升。通過適當(dāng)?shù)膮?shù)優(yōu)化，使用這種新的紫外納秒脈沖激光源可以獲得更好的質(zhì)量和更高的生產(chǎn)率，從而提升如今激光微加工的能力，以面對未來對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品制造提出的更高挑戰(zhàn)。 

 

    說明 

     Quasar是Spectra-Physics公司的注冊商標(biāo)。RAJESH PATEL(raj.patel@spectra-physics.com）是Spectra-Physics公司（總部位于加利福尼亞州圣克拉拉）的戰(zhàn)略營銷與應(yīng)用總監(jiān)，JAMES BOVATSEK是該公司的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理，ASHWINI TAMHANKAR是高級應(yīng)用工程師。

作者：Spectra-Physics公司