光纖雷射機:陶瓷晶圓劃線

陶瓷基片加工
一月 20, 2016
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光纖雷射機:陶瓷晶圓劃線

光纖雷射機:陶瓷晶圓劃線

使用光纖雷射機的陶瓷基板的處理
傳統上,陶瓷晶片是以CO2雷射技術處理,但有一家公司已成功地將光纖雷射機使用在高亮度的專利製程上。三年來,其結果不言自明。

Brett Moon, Richard Budd, Andy Appleyard

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Figure 1: Comparison of the scribe pits generated by CO2 and fiber lasers.

圖1: 由 CO2雷射機和光纖雷射機產生的劃線凹陷比較。

氮化鋁和氧化鋁陶瓷的劃線和顯微加工在過去30年一直被CO2雷射機所壟斷。簡單的原因是在10.6微米波長一直是最適合用於處理這些類型的材料。然而,用於電子應用的陶瓷基板的形體尺寸和表面質量在過去20年中變化不大。

時代正在快速變化,LED和汽車行業在整合到他們的組裝陶瓷子組件中,嚴格的要求小型化,更高的精確度和更大的靈活性。

陶瓷雷射劃線

若要將陶瓷基板分離為單獨的組件,我們是使用雷射來劃(鑽)出一系列局部部分(盲孔),即高耐受性的盲孔(圖1)。由於一般陶瓷的吸收特性,CO2雷射技術已經被證實是足以處理的,這裡的脈衝能量陶瓷的表面上吸收一個夠短的接觸長度,從而產生局部加熱、熔化和氣化。由此產生的孔穿透基板大約為三分之一的深度,並建立一個後續用以折斷的優先斷層線。使用其他技術,通孔,凹槽,定位特徵和精巧的圖樣,也可以加工到基板上。

然而,CO 2雷射技術不是沒有缺點。相對寬的聚焦點周邊部份熔融所引起的熱影響區(HAZ),是解析度和可重複性相對較低的的一個主要原因。

 

劃線的新方法

Synchron很快意識到,在從電子工業日益嚴格的要求下,CO2雷射技術所存在的侷限性。Nd:YAG雷射機的初始測試證明了對於這種應用,1微米下的吸收力太弱了 – 沉積在表面層的能量不足以產生預期的效果。

Synchron因而後續開發一種表面處理,以提高這些更短波長的雷射在陶瓷上的吸收。處理稍微滲透到表面,並增強了近紅外雷射脈衝在夠短的距離上能量的沉積,以產生必要的熔化和汽化。為了優化他們的製程,Synchron採用了英國SPI公司的高亮度光纖雷射機。SPI多年來一直在開發工業市場用的光纖雷射機,主要用於例如微焊接和微切削等材料加工應用,也用於標記應用。

Figure 2: Kerf edge on a form cut from a ceramic wafer.

圖 2: 陶瓷片切割的切痕邊緣。

Synchron的表面處理實質上增強了光纖雷射束在陶瓷頂部表面的耦合,以起始鑽孔過程。雷射脈衝和材料表面之間的相互作用,與客製且高解晰度的束傳遞系統連接在一起所增強的動力,意味著現在可以在陶瓷基片上作出更小的特徵。(圖2)

三年後

經過三年多的發展,結果不言自明。現在效能好的>低端<陶瓷加工新系統,已經能輕鬆匹敵最先進的CO2技術的產量。

然而,更大的利益是Synchron光纖雷射機製程所生產的更高精度和更精細的形體尺寸,提供了CO2製程不可能做到的幾何功能。電路設計人員現在可以顯著提高電路密度,同時保持相同或更好的生產速度。

產業的標準正在迅速提高 – 當前製造公差大約是10微米,但現在公差的要求日益嚴格,特別是高亮度LED單元和陣列的製造商。

Synchron的雷射-材料相互作用的性能精度和可重複性,目前被其使用的運動系統所限制。高性能線性馬達對半徑小於50微米的特徵保持位置公差為1微米或更小,而動態幾何公差為3微米,較大的特徵則為1〜2微米(圖3和4)。

 

Figure 3: A typical 75 μm diameter ›trepanned‹ via, round to within 2.5 μm and with 11 μm of HAZ

圖3: 典型的 75 μm 直徑›環鑽術‹ 通孔,
四捨五入到HAZ的 2.5 μm 和 11 μm 。Figure 4: Flat cut into corner of substrate – the curves reduce chipping when loading substrates圖 4: 平切成基板的角落 – 裝載基板時曲線減少崩刀。

光纖雷射機的優點

已被廣泛報導,光纖雷射機在廣泛的材料加工應用範圍上提供了一系列獨特的效能優點。高品質的光束剖面可在任何脈衝參數範圍內的所有的輸出功率上使用,從而允許很大的工作距離(遠離狀態)。高光束的品質,在焦點與高端光學系統耦合後轉化為高輻照(亮度),從而實現高精度加工和最小的熱影響區,以及使用傳統上認為不適合用於近紅外線雷射技術的製程。

服務於批量,大規模生產市場

在一個已成為生產消費電子產品的重要組成部分,卻與其他材料加工行業之先進技術無法匹敵的行業上,Synchron的專利技術無疑是新的突破。

Synchron現在生產雙束和四束光纖雷射加工系統,其中多數是用在台灣。目前的系統被供應非常大量的消費電子電路的客戶,安裝在全天候運行的批量生產環境上,到目前已經超過18個月,並可兼容每月每系統生產幾百萬單位的速度。

總結

CO2雷射機以前主導了電子行業中陶瓷基板的生產,但現在一個新的進程提供了現在技術根本無法達到的生產速度和功能精密度。Synchron的製程將會撼動一個過去20年在成品組件幾乎沒有真正發展的市場 – 這是史上的重要進展。

作者

Brett Moon有國際業務的背景在雷射界有近二十年的經驗。自2000年以來,他是美國密西根Synchron雷射的總裁

Richard Budd電子設計和物理科學背景,並且是Synchron高級工程師。

Andy Appleyard是英國南安普敦SPI公司的CW /模組光纖雷射機雷射機產品線經理。