电子材料紫外激光微加工技术与机理研究

摘要

紫外激光因波长短、部分特定材料吸收率高、热影响区小、可聚焦光斑尺寸小等特点,微加工时容易获得较高的加工精度和质量,已引起电子半导体制造和通讯工程、生物和医学、精密机械、航空航天、国防等领域工程技术人员的高度重视。特别是近十年来迅速发展起来的高功率全固态紫外激光器,电光转换效率高、重复频率高、性能可靠、运行成本低、体积小、光束质量好、功率稳定,在微电子和半导体工业精密制造和微细加工领域中占有重要地位。因此,研制具有自主知识产权的紫外激光微加工设备,特别是研究紫外激光微加工技术、机理和建模对提升我国在微制造领域中的技术水平和核心竞争力具有十分重要的意义。
　　首先,针对现有紫外激光微加工装备采用振镜扫描加工作台运动或静态聚焦加工作台运动的方式,不能同时满足电子行业和半导体行业精密制造和微加工的多功能、高效率、高精度和大幅面要求的现状,本论文研发了一种多功能紫外激光微加工设备,兼有振镜快速扫描和静态短聚焦两种加工方式。根据两种加工方式刻蚀单晶硅片得到的刻缝宽度和深度的标准差对设备稳定性进行了评估,结果表明,多功能紫外激光微加工设备振镜快速扫描加工系统和静态短聚焦加工系统均能稳定工作,能够胜任工业应用的要求。
　　其次,针对传统同心圆扫描或螺旋线扫描钻盲孔加工方法容易产生盲孔底部表面高度不均匀的问题,首次提出了定点-同心圆扫描结合加工方式,即盲孔中心区域采用激光定点钻孔方式去除材料,盲孔周边区域采用同心圆扫描方式去除材料。通过对PI(聚酰亚胺)和铜材料的单脉冲激光刻蚀率和扫描光斑等效脉冲数理论计算,得出了采用定点-同心圆扫描结合方式加工FPC(柔性线路板)盲孔时激光脉冲能量密度、激光频率、扫描速度与同心圆扫描间距之间的关系式。根据该关系式对多层FPC钻一阶盲孔参数进行了优化设置,获得了底部整洁光泽、锥度小、结构理想的盲孔(直径200μm),测得盲孔底面最大高度差为7.16μm,孔底表面粗糙度Ra为1.06μm,符合电子行业要求。
　　再次,采用355nmNd:YVO4激光器和1064nmNd:YAG激光器对CCL(覆铜箔层压板)和FPC进行了刻蚀、切割加工对比实验,比较了不同波长激光对加工质量的影响,分析了紫外激光能量密度和扫描速度对FPC主要材料铜、PI刻缝宽度、深度的影响,并对紫外激光切割FPC金手指进行了研究。
　　然后,对纳秒脉冲紫外激光刻蚀铜材料的去除过程进行了有限元模拟和实验对比研究,模拟过程中首次采用将激光脉宽作用时间分段计算,并且将激光功率密度始终加载在已形成的盲孔或凹槽表面的方式,这种方式比目前ANSYS模拟激光去除加工研究中普遍采用的根据加载激光能量一段时间后的温度场分布进行材料去除的方式更符合实际情况,使得模拟结果更准确。将不同能量密度下刻蚀铜模拟值与实验值比较得出,刻缝宽度和深度的误差最大值分别为4.5μm和2μm;对不同扫描速度的情况模拟时,刻缝宽度和深度的误差最大值分别为2μm和3.5μm;不同扫描次数条件下,当扫描速度分别为100mm/s和200mm/s时模拟刻缝深度的误差最大值分别为1μm和2μm。实验结果表明该数学模型的模拟结果具有较高的准确性,可对紫外激光刻蚀铜进行预测和理论指导。激光扫描刻蚀FPC材料时,模拟铜和PI的刻蚀宽度以及铜刻蚀深度较为准确,误差值分别为0.1μm、0.6μm和1μm;但对PI的刻蚀深度误差较大,其原因是PI材料与紫外激光相互作用机理复杂且热物理性质参数尚不完善。
　　最后,采用紫外激光精密切割和化学腐蚀相结合的方法研究了一种125μm厚超薄Al2O3陶瓷微势阱芯片基底层的制备技术。利用正交实验获得了Al2O3陶瓷激光精密切割的关键影响因素和优化参数,研究分析了关键影响因素对精密切割尺寸精度和切口边缘质量的影响规律以及高温浓硫酸对激光切缝周围残余颗粒和刻缝侧壁表面重熔层的相互作用机理。实验结果表明,采用紫外激光精密切割和化学腐蚀相结合的方法,不但可以获得高精度激光加工尺寸,而且还可获得刻缝侧壁表面无重熔层、表面粗糙度可达0.16μm的高质量超薄Al2O3陶瓷微结构,完全满足后续金属沉积工艺要求。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 全固态紫外激光微加工特点

1.3 国内外全固态紫外激光微加工设备与技术发展概况

1.4 课题来源、课题意义、研究内容、主要创新点和技术路线

2 纳秒脉冲紫外激光与材料相互作用机理

2.1 前言

2.2 纳秒脉冲激光与固体材料相互作用过程

2.3 双温模型在纳秒脉冲条件下的简化

2.4 纳秒脉冲紫外激光与物质相互作用机理

2.5 本章小结

3 多功能紫外激光微加工设备设计、性能及可靠性研究

3.1 前言

3.2 多功能紫外激光微加工设备设计

3.3 多功能紫外激光加工设备稳定性评价

3.4 本章小结

4 紫外激光多层FPC钻盲孔工艺改进与机理研究

4.1 前言

4.2 材料特性和紫外激光作用机理

4.3 紫外激光定点－同心圆扫描结合钻盲孔方式、理论模型和结果

4.4 本章小结

5 紫外激光刻蚀CCL、FPC研究

5.1 前言

5.2 实验装置、材料与方法

5.3 355nm紫外激光刻蚀CCL、FPC研究

5.4 本章小结

6 紫外激光刻蚀FPC材料数学模型

6.1 前言

6.2 脉冲紫外激光刻蚀加工数学模型模拟过程

6.3 铜箔紫外激光钻孔、刻蚀模拟结果与实验结果对比分析

6.4 FPC金手指紫外激光切割模拟

6.5 本章小结

7 紫外激光精密切割超薄氧化铝陶瓷及质量控制

7.1 前言

7.2 实验装置、材料和方法

7.3 实验结果

7.4 分析与讨论

7.5 本章小结

8 全文总结与展望

8.1 主要总结

8.2 问题与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文