激光微细熔覆电子浆料柔性布线技术与设备

摘要

在国家自然科学基金及国家“863”高技术发展研究计划项目的资助下，本文在国内外率先提出了激光微细熔覆电子浆料柔性布线技术，实现了在陶瓷基板、玻璃基板和有机环氧板等绝缘基材表面制备导线及线路板，并系统研究了导线制备过程中的关键科学问题，在此基础上集成制造了激光微细熔覆设备。本文体现了该项目的部分研究成果。主要研究结果总结如下: 在国内外率先提出了采用激光微细熔覆电子浆料直写导线的工艺，即通过匀胶一一烘干一一激光处理，形成导电图形一一有机溶剂清洗未辐照浆料区域一一烧结固化的工序，可以在各种基板表面制备导线。根据上述新工艺，利用光纤激光器聚焦后辐照均匀预置的导电浆料层，分别在陶瓷基板、玻璃基板和有机环氧树脂基板上制备出了最小线宽为20μm, 50 μm和80 μm的银导线，大幅度地突破了现有丝网印刷或者模板印刷厚膜工艺所能制备的极限线宽;并且与同类的激光柔性布线技术相比，其导线制备效率提高了2-3个数量级。通过对所制备的导线进行表面形貌分析与性能测试，结果表明，所制备的导线表面光滑，与基板的结合强度均可达MPa数量级;树脂基板和玻璃基板的电阻率可达10<'-5>Ω.cm，陶瓷基板的电阻率可达10<'-6>Ω.cm，这和纯块状银在同一数量级，导电性能优良。上述结果表明，采用激光微细熔覆电子浆料技术在绝缘基板表面制备导线的导电率以及导电层与基板的结合力都能够满足工业应用的要求。 系统研究了激光工艺参数对所制备导线厚度及宽度这两个最重要物理量的影响规律。研究结果表明，激光功率密度和扫描速度对导线的厚度影响不大，但是对导线的宽度影响十分明显。特别是激光光斑直径的大小对导线的宽度存在重要的影响，光斑直径越小，导线越细。一般来说，降低功率密度、提高扫描速度可以减小导线的宽度。但功率密度和扫描速度都存在着极限范围，只有使用处于此范围内的参数才能得到质量较好的导线。根据热力学原理，定性分析了该现象出现的原因。 通过对电子浆料及所制备导线进行差热分析、热重分析、SEM形貌观察以及EDS能谱分析等，系统研究并初步掌握了激光微细熔覆电子浆料技术中导线成型、与基板结合以及导电的机理，建立了激光微细熔覆柔性布线技术的理论模型。即:激光的热作用使得导电浆料中的有机粘结剂及部分无机粘结相发生作用，将导电金属粒子粘结起来，形成导电图形，通过有机溶剂的清洗过程完成图形转移的功能;在后续的烧结过程中，一方面发生有机粘结剂的挥发，另一方面无机粘结剂成分下沉至基板附近，使导线与基板牢固地结合起来。研究结果还表明，由于所使用的基板及后续烧结温度的差别，不同基板上所形成导体的机理是不同的:对于有机树脂基板而言，导体层由许多微小的串联和并联的银粉颗粒组成的结构复杂的立体导电网络构成，导电的银粉颗粒之间结合基本上是一种纯粹的颗粒接触状态，通过有机粘结剂使导线和基板牢固地结合在一起;对于玻璃基板上所制备的导体来说，导体中银颗粒已经转变成通过高温扩散作用而紧密结合成网状的准连续导电膜;而对于陶瓷基板来说，银导体甚至成为具有冶金结合形貌的连续膜。 根据激光微细熔覆柔性布线技术的基本特点，研究并开发出相应的柔性布线设备。该设备主要分别由两台激光器(一台50W光纤激光器和一台30WC0:激光器)和三维工作台组成，通过双光路导光系统将激光束传输至工作台表面，由数控系统控制飞行光路的运动速度与方向，完成激光微细熔覆工作。并针对该控制系统开发了具有自主知识产权控制软件。其中，控制系统采用PC机+专业运动控制卡的开放式数控结构，适应数控系统发展的潮流，使整个激光柔性布线系统具有很大的灵活性和可移植性。控制软件不仅具有微型CAD以及常用运动控制功能，而且，用户可以将通用软件如AutoCAD, Protel所绘制的图形文件直接转换为加工文件，从而大大提高了加工的效率以及扩展了系统了使用范围，使系统操作更加简单、方便。该系统还可以供其它激光精密加工与微细加工使用。