激光微细加工在电子行业中若干应用的研究

摘要

激光与核能、半导体、计算机并称为20世纪的四大发明，对人类社会的发展产生了深远影响。激光具有单色性好、相干性强、方向性好的优点，通过聚焦可以得到高功率密度细束斑的激光束，从而对材料进行精细加工，与现代计算机数控技术相结合，激光微细加工技术拥有传统加工技术无法比拟的优势，成为当代工业生产的一项重要技术。
　　 本论文探索了激光微细加工技术在电子工业中的若干应用，重点对激光微调石英晶振频率、激光刻蚀GPS介质加载四臂螺旋天线、激光制作高密度柔性印刷电路板进行了研究，论文工作取得的主要成果有：
　　 1．采用激光刻蚀技术对石英晶振进行了频率微调，优化了激光参数，使这一技术达到实用化。
　　 石英晶振需要有高精准的频率，频率微调是制造晶振的关键工艺之一。现有的调频技术主要是镀膜调频和离子刻蚀调频，其缺陷在于只能一片一片进行调频，生产效率低下，很难满足现代化生产需求，并且需要掩膜板和真空设备，膜层结合力也很差，所以调频工艺已经成为目前制约晶振生产的瓶颈。本课题将激光微细刻蚀技术应用于石英晶振的频率微调，用一定能量的激光束对石英晶振的电极膜进行刻蚀减薄，使晶振频率精确地升高到标称值，由于激光束能在很宽的尺寸范围进行快速扫描，并且能实时控制通断，因而可实现多组石英晶片同时调频，大幅度提高生产效率。
　　 通过大量实验，研究了不同工作电流和Q脉冲宽度的激光束对晶振频率的微调量和其它电性能参数的影响，优化了工艺参数，在此参数下，晶振的频率微调量与刻蚀次数近似呈线性关系，微调量易于控制，而晶振的动态电阻动态电感等其它电性能参数不会产生大的改变。这一研究在国内尚属首次，有重要应用价值，相关研究成果发表在“真空科学与技术月报”(EI)上，并获得“2009华东三省一市真空学术年会”的优秀论文奖。
　　 2．提出了一种磁控溅射与激光刻蚀相结合来制备介质加载四臂螺旋天线的完整工艺技术。
　　 四臂螺旋天线是全球定位系统中的重要部件，负责射频信号的收发。介质加载四臂螺旋天线的结构是在圆柱形陶瓷侧面布置四条螺旋线形金属导体，顶部布置馈电电路，这种立体结构图形几乎无法采用常规的光刻工艺进行制备。本课题将激光束扫描于步进马达带动的镀有金属层的陶瓷圆柱上，刻蚀出螺旋图形，成功地解决了这一技术难题。
　　 论文还用移相芯片实现馈电信号的正交，使用ADS软件对GPS介质加载四臂螺旋天线进行了设计与仿真，设计结果比较理想，四个馈电信号主要S参数的幅值分布在0.433—0.467之间，理想值为0.5，相位最大偏差小于1°，误差在可以接受的范围内。
　　 3．开发出了一种激光制作高密度柔性印刷电路板的绿色工艺方法。
　　 芯片级封装(CSP)、多芯片模块(MCM)以及柔性线路板上芯片封装(COF)等都要用到柔性线路，柔性线路板是增长速度位居第二的新型集成电路封装。柔性覆铜板是在聚酰亚胺衬底上压覆或镀覆铜膜而成，现有柔性电路板的制作工艺大多仍沿用传统的光刻技术，工艺复杂，成本昂贵，还存在三废污染。
　　 本论文开发出一种能够在柔性覆铜板上快速制备高密度柔性印刷电路板的绿色工艺方法，利用铜和聚酰亚胺的域值不同、对激光波长的敏感度不同，将激光束按照事先编好的程序扫描于柔性覆铜板上，使某部分的铜膜气化，从而制备出印刷电路板，由于激光束可以聚焦到几个微米，所以能制备出高密度的柔性线路。这一工艺的优越性在于工艺简单快捷，成本低廉，没有三废污染。此外，我们还提出了一种利用激光在透明基体上直接精确地生成所需电路图案的工艺，该方法的创新之处在于将薄膜制备和薄膜成形合二为一，目前尚未见到类似方法的报到。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第1章绪论

1.1引言

1.1.1激光加工技术

1.1.2其它高能束加工技术

1.2选题背景和研究动机

1.3本论文的研究内容

1.4论文的章节安排

第2章激光的产生及激光微加工机理

2.1激光的产生原理

2.1.1激光产生原理

2.1.2激光的产生条件和激光器

2.1.3影响激光刻蚀效果的参数

2.2激光加工机理及物理模型

2.2.1激光微加工物理机理

2.2.2激光刻蚀的数学模型

2.3本章小结

第3章激光刻蚀在石英晶振频率微调中的应用

3.1传统的石英晶振频率微调技术

3.2石英晶振激光调频技术

3.3石英晶振频率微调原理

3.4石英晶振激光调频实验研究

3.4.1实验条件

3.4.2工作电流对微调结果的影响

3.4.3激光脉冲宽度对微调结果的影响

3.4.4微调后电极平整性分析

3.4.5微调后晶体结构分析

3.4.6实验总结

3.5本章小结

第4章激光技术在四臂螺旋天线研制中的应用

4.1 GPS介质加载四臂螺旋天线

4.2介质加载四臂螺旋线的制备

4.2.1激光直接刻蚀金属层工艺

4.2.2改进的工艺

4.3正交馈电网络

4.3.1正交馈电网络的设计与仿真

4.3.2馈电网络的制作

4.4完整的GPS介质加载四臂螺旋天线

4.5本章小结

第5章激光快速布线技术

5.1柔性电路板的激光微加工

5.2目前的布线技术

5.3透明基体上激光快速布线技术

5.4本章小结

第6章总结

6.1论文研究的主要内容

6.2论文的主要创新点

6.3论文的不足和下一步工作

参考文献

作者简历及在校期间所取得的科研成果