低㎡紫外激光器在微電子材料的微加工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)_－PCB

    移動(dòng)設(shè)備例如智能手機(jī)和平板電腦正在以迅猛的速度增長(zhǎng)。由于移動(dòng)設(shè)備變得越來(lái)越小，速度越來(lái)越快，重量越來(lái)越輕，價(jià)格越來(lái)越便宜，同時(shí)也越來(lái)越多功能，并且更復(fù)雜，因而零部件的制造也向小型化和精密化發(fā)展。對(duì)于一些關(guān)鍵的零部件，如半導(dǎo)體芯片、微電子封裝、觸摸顯示屏和印刷電路板（PCBs），它們將繼續(xù)面臨挑戰(zhàn)，例如提高良品率和生產(chǎn)率，同時(shí)還要降低成本。這推動(dòng)了激光在移動(dòng)設(shè)備制造中的廣泛應(yīng)用。由于設(shè)備日益復(fù)雜，因而需要更多和更復(fù)雜的制造工藝，同時(shí)對(duì)激光光源的研究進(jìn)展也提出了更高要求。

　　用波長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)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(guò)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(kāi)關(guān)二極管泵浦固體（DPSS）激光器能合理地滿(mǎn)足精密制造的要求，但是它們?cè)趯?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(shí)提高激光的脈沖重復(fù)頻率。然而，對(duì)于典型的Q開(kāi)關(guān)DPSS激光器來(lái)說(shuō)，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(huì)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(shí)，激光脈沖寬度和脈沖能量波動(dòng)往往會(huì)大幅增加。

　　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(lái)，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）。

　　半導(dǎo)體制造中的硅刻劃

　　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(lái)越薄，同時(shí)激光變得更強(qiáng)大，因而和鋸切割相比，激光的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)。要想與傳統(tǒng)的鋸切割競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)更高的劃刻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(duì)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(xiàn)顯示，隨著劃刻速度的增加，劃刻深度會(huì)降低（200kHz、25ns單脈沖）。在較高的重復(fù)頻率下使用較高的功率，同時(shí)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）。

圖1：硅刻劃的深度和速度曲線(xiàn)，可以看到TimeShift技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)化。

    圖2顯示了刻劃產(chǎn)生的碎片和熱影響區(qū)，它是在單脈沖和能量相同的情況下使用TimeShift技術(shù)來(lái)創(chuàng)造一個(gè)脈沖串（500mm/s和200kHz）。使用這種技術(shù)的劃刻可以實(shí)現(xiàn)較高的燒蝕質(zhì)量，并且在上表面會(huì)產(chǎn)生較少的碎片，不過(guò)劃刻的深度要比使用單脈沖的深度高出25%。

圖2：使用單脈沖TimeShift技術(shù)進(jìn)行刻劃的效果

    氧化鋁陶瓷的刻劃

　　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(duì)較低的成本，得以廣泛用于微電子封裝。在典型的制造過(guò)程中，具有多個(gè)模塊的大尺寸氧化鋁基板最終要被分離成單個(gè)的模塊（切單）。在常用的刻劃技術(shù)中（“劃片并斷開(kāi)”），使用激光器在基板上進(jìn)行深的刻劃，然后通過(guò)機(jī)械加壓來(lái)使基板斷開(kāi)并分離。高功率紫外激光器可以實(shí)現(xiàn)干凈、精確的高速刻劃。

　　類(lèi)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(shí)，可以借助較高的功率和TimeShift技術(shù)來(lái)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(shì)。將20ns單脈沖能量分裂為兩個(gè)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(shí)上表面的碎片也更少。

圖3：氧化鋁的刻劃深度vs能量注量曲線(xiàn)，顯示了TimeShift技術(shù)對(duì)生產(chǎn)率的影響。

圖(a)是使用了單脈沖模式（170μJ/脈沖）的上表面視圖，
　　圖(b)是使用了雙脈沖模式（170μJ/脈沖）的上表面視圖。這兩種情況中的劃刻深度都是4μm。

    平板顯示器中的玻璃切割

　　在顯示器制造過(guò)程中，觸摸屏和LCD的玻璃塊的剝離需要直線(xiàn)切割，而創(chuàng)建角、孔和槽則需要曲線(xiàn)切割。消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中使用的玻璃基板通過(guò)各種化學(xué)或者熱處理而變得越來(lái)越薄，強(qiáng)度也越來(lái)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(shí)還能減少傳統(tǒng)的機(jī)械劃刻和剝離工藝所帶來(lái)的產(chǎn)量損失。

    我們開(kāi)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(lái)進(jìn)行玻璃加工的技術(shù)。該技術(shù)正在申請(qǐng)專(zhuān)利中。在該技術(shù)中，對(duì)單個(gè)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(guò)1.5m/s的線(xiàn)切割速度，例如康寧大猩猩玻璃（CorningGorilla）、旭硝子龍尾系列玻璃（AsahiDragontail）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(lèi)似的結(jié)果，而對(duì)于藍(lán)寶石加工的工藝開(kāi)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(méi)有可見(jiàn)的微細(xì)裂紋。

圖5：使用Quasar激光器的TimeShift技術(shù)在0.7mm厚的康寧大猩猩玻璃（具有40μm厚的化學(xué)強(qiáng)化層）上進(jìn)行直線(xiàn)、曲線(xiàn)和孔的切割。

    先進(jìn)封裝和互連中的銅切割

　　對(duì)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(gè)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(duì)類(lèi)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(guò)使用子脈沖（脈沖串）來(lái)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(shí)，會(huì)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(lái)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(lái)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(shí)間下，將脈沖總能量分成更多的子脈沖，會(huì)帶來(lái)更高的材料去除率。類(lèi)似圖1中的硅和圖3中的氧化鋁，多個(gè)子脈沖將會(huì)帶來(lái)更干凈的切割邊緣和較少的碎片。

圖6：TimeShift技術(shù)給銅劃刻帶來(lái)的影響。圖(a)是改變子脈沖的時(shí)間間隔帶來(lái)的不同材料去除率，
　　圖(b)是改變子脈沖的數(shù)量帶來(lái)的不同材料去除率。每一串子脈沖的總能量固定為20或45μJ。

    小結(jié)

　　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(lái)，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(jiàn)的微電子材料（包括硅、陶瓷、玻璃、銅）的大批量加工，可以帶來(lái)很多益處。通過(guò)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(shí)獲得微加工質(zhì)量的提升。通過(guò)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(duì)未來(lái)對(duì)于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品制造提出的更高挑戰(zhàn)。