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。由于移動(dòng)設(shè)備變得越來越小，速度越來越快，重量越來越輕，價(jià)格越來越便宜，同時(shí)也越來越多功能，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。
圖1 ： 硅刻劃的深度和速度曲線， 可以看到TimeShift技術(shù)帶來的優(yōu)化。
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(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(shí)提高激光的脈沖重復(fù)頻率。然而，對(duì)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(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。
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(shí)，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）。
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，曲線顯示，隨著劃刻速度的增加，劃刻深度會(huì)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(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， 可以看到TimeShift技術(shù)帶來的優(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)來創(chuàng)造一個(gè)脈沖串（500mm/s和200 kHz）。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，圖(a)中的刻劃深度為20μm，圖(b)中的刻劃深度為25μm。
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”），使用激光器在基板上進(jìn)行深的刻劃，然后通過機(jī)械加壓來使基板斷開并分離。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(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，顯示了TimeShift技術(shù)對(duì)生產(chǎn)率的影響。
圖4：對(duì)使用TimeShift技術(shù)進(jìn)行氧化鋁劃刻的質(zhì)量進(jìn)行比較。
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(shí)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(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(duì)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。
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、曲線和孔的切割。
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(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(shí)間下，將脈沖總能量分成更多的子脈沖，會(huì)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(gè)子脈沖將會(huì)帶來更干凈的切割邊緣和較少的碎片。
圖6：TimeShift技術(shù)給銅劃刻帶來的影響。圖(a)是改變子脈沖的時(shí)間間隔帶來的不同材料去除率，
圖(b)是改變子脈沖的數(shù)量帶來的不同材料去除率。每一串子脈沖的總能量固定為20或45μJ。
小結(jié)
在消費(fèi)類移動(dòng)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(shí)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(duì)未來對(duì)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(jí)應(yīng)用工程師。
作者：Spectra-Physics公司
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