电子陶瓷基板表面激光孔加工-毫秒和纳秒激光加工

电子陶瓷基板主要包括氧化铝和氮化铝基板,具有硬度、导热性、电阻率和热稳定性高,介电常数低,热膨胀系数与芯片匹配等特点,是新一代微电子器件或系统的首选,在高端大功率电子元件中具有广阔的应用前景。为实现电子系统的高密度互联,需要在陶瓷基板表面进行多尺寸、多间距的盲、通孔加工,且孔质量需满足芯片导通和引脚固定的封装要求。

然而,氧化铝和氮化铝陶瓷是典型的硬脆材料,传统的机械加工极易导致基板断裂,而特种加工方法也存在极大限制,如:化学刻蚀和超声波加工氧化铝、氮化铝陶瓷材料的去除效率低;电火花不能加工陶瓷等非导电材料;电子束加工设备昂贵,且会产生极大的热效应,损伤陶瓷基板;磨料水射流不仅加工精度低而且噪声大等等。

激光作为一种非接触式的高能束精密加工技术,具有高效可控、热影响区小、无切削作用力、无“刀具”磨损,以及可加工高硬度、高脆性、高熔点等难加工材料的特点。激光的脉冲宽度是一个重要参数,是指单个激光脉冲释放能量即真正作用于材料的时间。

对于脉冲激光加工,根据脉冲宽度可将其分为以毫秒激光(MPL,通常指脉冲宽度为1～1000 ms)为代表的长脉冲激光加工、以纳秒激光(NPL,通常指脉冲宽度为1～1000 ns)为代表的短脉冲激光加工和超短脉冲激光加工(UPL,通常指脉冲宽度≤10 ps)。

其中:超短脉冲激光因加工效率低、稳定性不够、激光设备昂贵等原因目前还无法满足陶瓷基板工业化加工的要求;而毫秒激光和纳秒激光具有较为成熟的理论基础和适宜的经济性,加工柔性和稳定性好,极易与装备的数控系统融合,非常适合用于电子陶瓷基板表面的群孔加工。电子陶瓷基板激光孔加工的工业化应用刚刚起步,人们对毫秒和纳秒激光加工工艺的研究及其在陶瓷基板领域产业化应用的认知还不十分成熟,对利用这两种激光进行装备开发、选型等存在困惑。

毫秒和纳秒激光烧蚀氧化铝和氮化铝陶瓷基板的材料去除机理和各激光加工参数对孔尺寸的影响规律,为激光陶瓷基板群孔加工的工业化应用提供支持。

毫秒和纳秒激光加工技术更加成熟,而且激光器的性能稳定、成本较低,人们在陶瓷基板孔加工烧蚀理论与实验探索等方面已有丰富的经验。然而,毫秒和纳秒激光加工电子陶瓷基板表面孔的工业化应用仍面临巨大挑战,主要表现在三个方面。

1) 加工精度与加工质量

由于毫秒和纳秒激光的脉冲宽度和功率均较高,在实际加工中无法避免产生严重的热量积累,从而会破坏加工区域材料的形貌和性能,因此加工精度和加工质量无法做到精准调控。此外,采用毫秒和纳秒激光在陶瓷材料表面进行工业化大面积群孔加工时,受热裂纹的影响,需要以牺牲加工效率的方式来保证成品基片的完整,而且可加工陶瓷基板的厚度也受到了一定限制。

2) 高深径比微孔加工

随着电子系统集成化程度的提高,微器件微结构层出不穷,陶瓷基板表面孔的尺寸不断减小,高深径比微孔加工对加工方案提出了极高的要求。在几百微米厚的陶瓷材料上加工几十微米甚至十几微米直径的盲孔、通孔,且要保证孔锥度、圆度、位置精度、重铸层厚度、孔壁粗糙度及微裂纹等符合要求,这对毫秒和纳秒等非超短脉冲激光加工提出了巨大挑战。

因此,当前一些研究工作对纳秒激光加工采取了与其他能场复合的方式来改进深孔加工中等离子体屏蔽带来的问题,以达到高深径比微孔加工的目的。如:将激光光束与水射流复合,以实现水助激光切割的深孔切割;采用超声波与激光加工复合的方式,以解决深孔加工中的排屑问题。

3) 激光加工系统的集成化

毫秒和纳秒激光在实际应用领域将与加工平台、在线检测、机械装备、通信系统和加工软件等构成一体化的智能化激光加工数控装备。光学系统与机械系统的协调控制,激光路径与工件运动的动态耦合,以及各部分间的通信连接和软件系统都对整体装备的集成化提出了一定要求。

近年来,超快激光的研究与应用日趋成熟,已成为微纳加工领域的研究热点,其中皮秒激光在工业应用领域已开始崭露头角。与毫秒和纳秒激光相比,超短脉冲激光有着更短的脉冲宽度和更大的峰值功率,其与陶瓷材料的作用机理是一种非线性吸收的过程,同时可以超越衍射极限的特性带来了极小的加工尺度,实现超精细的纳米级加工。超快激光加工被称为“冷加工”,其加工区域的热量积累极小,有望消除孔壁上的重铸层和微裂纹,实现陶瓷基板上高质量、大面积群孔的加工。

但超快激光在陶瓷材料表面加工孔的烧蚀机理以及孔进化过程方面的研究相对较少,加之超快激光器昂贵,使用、维护条件苛刻,加工效率较低,因此其实际工业化应用还需要一段较为漫长的过程。

除此之外,围绕激光时空整形、双脉冲调控、等离子体调控等方法的探索已成为另一个提高陶瓷材料表面孔加工质量的方向。通过光路系统的优化调整(如脉冲延迟、偏振状态调控等),结合多种加工设备(如扫描振镜、光束整形器等),对激光焦点作用在材料上的烧蚀区域和耦合脉冲时序进行调控,可减小等离子体屏蔽效应,提高孔的深径比。

另外,多种加工方式组合的激光复合加工也可以有效提高陶瓷表面孔的加工质量,精准调控孔形貌,如化学刻蚀激光复合加工、超声振动激光复合加工等。激光器的发展日新月异,更短的波长和脉冲宽度、更高的功率,以及搭配集成化的系统和完善的加工工艺,使得毫秒和纳秒激光将在陶瓷基板表面孔加工领域具有广阔的前景。

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