陶瓷基片加工

光纖雷射機:陶瓷晶圓劃線
一月 20, 2016
感謝來自MCDC的資金,Synchron雷射得以擴展
一月 20, 2016
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陶瓷基片加工

陶瓷基片加工

能在劃刻和顯微加工陶瓷使用近紅外線纖維雷射機的新技術

Brett Moon, Richard Budd, Jack Gabzdyl, and Gregory Flinn

Laser technology has been widely used for processing alumina (Al2O3) and aluminum nitride 雷射技術已經在電子工業被廣泛用於處理氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)的陶瓷基板有30年的時間,用於將陶瓷基板分離為單獨的組分,使用雷射來刻劃(鑽頭)的一系列局部部分(盲孔),即為高耐受性的孔。由此產生的孔穿透基板大約三分之一的深度,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。(參照圖1)。

Figure 1: A typical low density electronics substrate showing vias, alignment cuts and holes as well as the scribes used to separate the individual pieces. The number of vias totals some hundreds-high-density substrates can have more than 2000 vias.

圖1:典型的低密度電子基板展示通孔,對準切口和孔洞以及用於分隔各個部分的劃線。通孔的數量總共大約數百名高密度基板可以有超過2000通孔。

由於最常用的陶瓷的吸收性能,CO2雷射機已成為雷射機的普遍選擇。一個脈衝CO2雷射束的能量於短相互作用長度在陶瓷的表面被吸收,造成局部加熱,熔化和氣化。圖2描繪切斷氧化鋁0.0045英寸劃線俯視圖,並顯示出期間所使用相對較長的脈衝時間的高斯束分佈曲線在低能翼下造成的部分熔融造成的熱影響區(HAZ)(取決於厚度,大約75-300微秒)。

Figure 2: Whole and fractured scribes have been cut in alumina with a CO2 laser. The pits are approximately 0.0045 in. in diameter, while the HAZ extends for approximately 0.0075 in.

圖2:使用CO2雷射機切割氧化鋁產生的整體和破裂的刻線。凹坑是大約是0.0045英吋直徑,而HAZ延伸大約0.0075英吋。

在一年的時間過程,一個流動氣體的CO2雷射運行在氣體和能源方面會消耗大量的資源,也會需要一個保養計劃。此外,用於此方式的典型脈衝參數意味著密封管CO2雷射技術在這種應用並不適合。在一般情況下,儘管這麼多年來它們也有顯著的改善,CO2雷射機在可靠性和維護問題方面仍然落後於其替代技術。它們也容易保養間隔之間的光束品質的漂移;可達到的最小點尺寸也受到長波長影響。僅此一項陶瓷雷射的吸收特性,已使該技術主宰能這個市場這麼久。

嶄新的劃線技術

以前在這種應用使用Nd:YAG雷射機的嘗試失敗是因為它在1.064微米處的吸收太弱;沉積在表面層的能量不足以產生預期的效果。為了解決這個問題,Synchron雷射服務公司(美國密西根南利昂)開發出一種表面處理可提高這些較短波長的雷射光線在陶瓷的吸收。該過程很快速,僅稍微滲透入陶瓷的表面,在足夠短的距離為近紅外雷射脈衝提高能量的沉積,以產生必要的熔化和汽化。從英國南安普敦SPI雷射機在專利申請中的表面處理和光纖雷射機技術的結合,產生了一個遠遠超過使用CO 2雷射機所能達到的過程(參照圖3)。

Figure 3: Scribes shown in Fig. 2 are compared alongside those cut using the new fiber laser-assisted process. The holes are roughly 0.00075 in. and HAZ 0.002 in.

圖3:於圖2所示的劃線與使用新的光纖雷射輔助加工的切割的比較。
孔徑大致維0.00075英寸,HAZ則為0.002英寸。

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入以起始鑽孔過程。雷射脈衝和材料表面之間的相互作用,與客製的,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。(參見圖4)。Synchron也考慮過一些可以產生更精細的細節的其它可用雷射技術,但得到了那些技術無法給予其獨特的方法提供額外速度的結論,在某些情況下是至少慢10倍。

Figure 4: Side view shows scribes made in a 0.027-inch-thick substrate using both CO2 (bottom) and fiber (top) lasers, for the same average power and processing speed. Holes for the CO2 laser are approx. 0.006 in. wide and 0.011 in. deep and have been dyed to improve visibility. The holes from the fiber laser are 0.00175 in. wide and penetrate completely through the substrate.

圖4:側視圖顯示了使用CO 2(底部)和光纖(頂部)雷射機以相同的平均功率和處理速度在0.027英寸厚的基片作出的劃線。CO2雷射的孔約為0.006英寸寬0.011英寸深,且已被染色以提高可見度。光纖雷射的孔是在0.00175英寸寬並完全穿透基板。

相較於CO2雷射機,光纖雷射機表現出更好的一致性和可靠性,並提供了更佳的特徵,包括一個破裂後改善三倍的邊緣品質(參照圖3和4)。圖5顯示可達到的邊緣品質,這裡描繪了切割出的箭頭形狀所產生的毛邊。重要的是,新的製程在CO2雷射機所無法達到的生產速度下提供了這些結果。

Figure 5: Raw features cut into a 0.040-inch-thick substrate show the entrance side for the laser beam-each arrow measures approx. 0.010 × 0.010 in. (left), while the detail photo also contains scribe pits 0.00125 in. in diameter (right).

圖5:切成0.040英寸厚的基片的原始特徵顯示入口側約雷射束的每個箭頭的面積約為0.010×0.010英寸(左),而細節照片還包含劃線凹坑0.00125英寸的直徑(右)。

在0.0150英寸厚的氧化鋁基片,現在劃線速度超過每分鐘1300英寸,大致比CO2快兩倍(都為30%穿透),在加工速度與CO2至少相提並論,且在大多數情況下比CO2更快。據Synchron表示,是所使用的運動控制系統在限制處理的產量而非雷射。

氧化鋁和氮化鋁陶瓷都可以以這種方式進行處理。在氧化鋁上,此方法僅限於0.060英吋或以下厚度的基板,雖然較長期而言處理較厚的材料以用於更嚴格的物理應用是有必要的。較厚的基材也提供了更佳的散熱,比如用於高亮度LED的應用。

氮化鋁陶瓷通常比氧化鋁更難處理,因為它的導熱率要大得多,它需要更大比例的功率。另一方面,只有最高強度的光束達到期望中的處理,可以實現更精細的特徵細節,而材料的高導電性在光束輪廓下最大限度地減少熱影響區。使用這種新方法的初步結果是理想的,這種材料的過程仍在進行微調。

製程增強

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。例如,一個可靠的高斯束分佈曲線(TEM00)是達到並保持在表面平面焦點尺寸一致的關鍵。光纖雷射機在這個方面很卓越,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)。進一步的優點是,該小的聚焦光點尺寸和高光束質量在焦點轉化為高輻照度,使處理可靠並達到高精度和最小的HAZ。

光纖雷射機已經顯示可透過降低維修費用,沒有對準或校準要求,更長的運行時間,並在更高產量下改善生產品質,來降低運營成本。他們也很小巧和堅固,且因此適合用於最具挑戰性的工業環境。

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。在相對較少的主要參與者的細分市場,且一方面須非常具有成本競爭力,但另一方面也需要對客戶的需求保持彈性,任何製程的優勢可能會導致顯著的市場收益。

光纖雷射機和專利的表面變更製程的結合使特徵尺寸縮小,為在電子等級的陶瓷上做更精細細節的大量生產–通常每月超過1000萬件–用在像是大眾消費類電子產品如手機,音樂播放器,背光用高強度LED和汽車應用的需求。事實上,一些行業正在指定在陶瓷基板鑽精度高於0.0005英吋的0.003英吋通孔–一個用CO2不容易實現的解析度水平,但Synchron的新方法已經在大量生產的環境下輕鬆地實現(參照圖6)。

Figure 6: Mass production grade vias cut, not drilled, at >3 holes/s require minimal post-processing (diameter 0.0045 inch, tolerance ±0.0002 inch). Compare to the same size pits for CO2 in Fig. 2, for which the tolerance is 4X larger and where the technology is at its limit. Synchron’s fiber laser process can go even finer and still retain consistency.

圖6:量產級切通孔,非鑽孔,在>3孔的情況下需要最少的後處理(直徑0.0045英寸,公差±0.0002英寸)。比較圖2 CO2相同尺寸凹陷,該公差是4X更大,其中該技術是在它的極限。 Synchron光纖雷射機的過程可能會更精細,並仍保持一致性。

Synchron的表面處理可噴塗,浸漬,或軋製且不需要任何顯著乾燥時間。陶瓷表面處理的應用的過程不一定增加額外的步驟,因為某種塗層步驟(通常是抗濺射層)是CO2驅動既定的共同製程。此外,新製程大幅減少產生碎片,完全消除飛濺的問題。

在相當高的量產速度,在陶瓷基板產生顯著較細特徵的能力提供了電子工業在設計,性能和成本方面的效益。光纖雷射機有助於在實現所需的可行競爭力的主要標準之間取得更好的平衡:通常是透過複雜的有效光學性能、製程靈活性、高產品良率,系統長期正常運行和卓越的可靠性等組合。Synchron光纖雷射機已經幫助實現了在陶瓷上前所未有的製程性能水平。


Brett Moon是Synchron 雷射服務公司(美國密西根南利昂; www.Synchron laser.com)的總裁,而Richard Budd是高級工程師; Jack Gabzdyl是英國SPI雷射公司(英國南安普敦; www.spilasers.com)的業務開發經理;而Gregory Flinn則負責對與Photon進行協調(慕尼黑,德國; www.gregory flinn.net)。

轉自工業雷射解決方案