固體紫外激光器用于微電子工業(yè)
隨著對小型電子產(chǎn)品和微電子元器件需求的日益增長, 聚合物材料的精密處理日漸成為激光在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)展快的應(yīng)用領(lǐng)域之一。紫外激光是處理廣泛應(yīng)用于微電子元器件工業(yè)中的塑料(如聚酰亞胺)和金屬(如銅)等材料的理想工具。固態(tài)激光器的技術(shù)推動(dòng)了新一代結(jié)構(gòu)緊湊, 全固態(tài)的紫外激光器的發(fā)展, 從而使之成為這個(gè)領(lǐng)域中更加經(jīng)濟(jì)有效的加工手段。 布線, 鉆孔和裁剪電路 在絕緣體和銅材料的層布式電路板的生產(chǎn)過程中, 要求對小型功能性部件進(jìn)行精細(xì)加工, 例如在柔性電路板上加工微形通孔、槽和通路輔助孔,以及成型電路板的終裁剪。
在以往的大批量生產(chǎn)中, 許多小部件都使用機(jī)械硬沖壓成型的模具壓制成型。但是, 硬沖模法大的損耗和長的交付周期對小部件的加工和成型而言顯得不實(shí)用且成本高。類似的加工手段, 如, 使用程控機(jī)械鉆孔機(jī)進(jìn)行鉆孔和布線, 或采用較低成本的鋼尺或喬木模沖孔處理等法等, 也各有局限性； 而在矩形, 三角形或D 形孔的鉆孔以及復(fù)雜曲線的精細(xì)加工中, 這些傳統(tǒng)的方法更顯得無能為力; 同時(shí), 工具的磨損, 粘膠的溢出以及鉆孔造成的材料破碎等也限制了部件的尺寸, 精度和合格率。 用于互連多層的微通道技術(shù)對于的高密度互連電路 (HDI)越來越重要, 但是它們對小尺寸的要求格外嚴(yán)格。通道的直徑范圍通常為1到10密爾(25-250微米), 而傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔和沖孔不適合用于大批量生產(chǎn)直徑在6-8密爾 (150-250微米)以下的通孔, 因?yàn)榫?xì)鉆頭和模具的價(jià)格非常昂貴, 同時(shí)壽命卻非常短暫。此外, 使用這些方法幾乎不可能進(jìn)行盲通道孔的生產(chǎn)和切開填埋的導(dǎo)電墊片等工作。激光微處理 激光的特性使得它成為微處理的理想工具. 激光是非接觸性零磨損工具, 能夠通過聚焦將非常大的能量密度傳遞到的加工位置進(jìn)行鉆孔、切割和焊接。兩者間的相互作用的類型取決于待處理的材料的特征和激光的波長和能量。脈沖式CO2激光器和紅外YAG 激光器是在材料處理中較為常用的紅外激光光源。
但是,許多塑料和一些大量用在柔性電路板基體材料中的特殊聚合物(如聚酰亞胺)不能通過紅外處理或"熱"處理過程進(jìn)行精細(xì)加工。熱會(huì)使塑料變形, 在切割邊緣或者鉆孔邊緣上產(chǎn)生炭化形式的損傷, 而這可能會(huì)導(dǎo)致電路板結(jié)構(gòu)性的削弱和寄生傳導(dǎo)性通路, 從而不得不增加后續(xù)處理工序以改善加工結(jié)果。因此, 紅外激光器不適合于某些柔性電路的處理。除此之外, 即使在高能量密度下, CO2 激光器的波長也不能被銅吸收, 這更加苛刻地限制了它的使用范圍。 相比之下, 紫外激光器的輸出波長在0.4微米以下, 這是適合于處理聚合物材料的主要優(yōu)點(diǎn)。 與紅外加工不同, 紫外微處理過程從本質(zhì)上來說不是"熱"處理過程。大多數(shù)材料吸收紫外光比紅外光更容易, 高能量的紫外光光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵, 這種"冷"加工出來的部件具有光滑的邊緣和限度的炭化影響。 由于紫外光在聚焦上的優(yōu)點(diǎn), 聚焦點(diǎn)可小到亞微米數(shù)量級, 從而對金屬和聚合物的微處理更具優(yōu)越性, 可以進(jìn)行小部件的加工; 即使在不高的脈沖能量水平下, 也能得到較高的能量密度, 有效地進(jìn)行材料加工。 固體器件優(yōu)越性 一直以來, 準(zhǔn)分子激光器在紫外"冷加工" 應(yīng)用領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位, 但是, 準(zhǔn)分子技術(shù)有許多固有的缺點(diǎn): 所有的準(zhǔn)分子激光器都要使用有毒氣體, 而特殊氣體的更換, 存儲(chǔ)和調(diào)整過程非常麻煩. 同時(shí), 它們的體積龐大, 價(jià)格昂貴, *作和維修費(fèi)用高; 不僅如此, 的問題在于準(zhǔn)分子激光器的輸出光束大而方, 空間質(zhì)量較差, 這嚴(yán)重地限制了光束的聚焦性, 使得在微處理過程中一定要使用掩模板。準(zhǔn)分子激光器對一步鉆出相同形狀的孔和重復(fù)性的工作是不錯(cuò)的 (如加工噴墨打印機(jī)磁鼓噴嘴上的孔), 但總的說來效率并不高, 只有1%的脈沖能量作用于加工表面, 而其它約99% 的光能量損失于模板。此外, 掩模法的靈活性有限, 如果圖形變化需要更換掩模板時(shí), 整個(gè)加工過程必須停止。
固體紫外激光器的應(yīng)用一直以來受限于輸出功率不夠大, 不能夠滿足加工需要。隨著更可靠的半導(dǎo)體泵浦固體技術(shù), 以及更為可靠的三倍頻機(jī)理的發(fā)展, 情況已有所改變。新的三倍頻半導(dǎo)體泵浦固體激光器成為準(zhǔn)分子激光器的競爭者, 能量密度水平相當(dāng), 但重復(fù)頻率更高, 光束質(zhì)量更好。Coherent 公司生產(chǎn)的AVIA 355-1500 型半導(dǎo)體泵浦固體激光器, 輸出波長355nm, 平均功率1.5W, 重頻可達(dá)100kHz, 光束質(zhì)量好, 非常適合于微處理應(yīng)用場合。好的光束質(zhì)量, 從而的聚焦能力使您可擺脫掩模板進(jìn)行加工, 通過計(jì)算機(jī)控制的掃描振鏡系統(tǒng)將光束傳導(dǎo)到工作臺(tái)上的任何位置), 使用CAD/CAM 軟件通過直接刻寫的方法執(zhí)行鉆孔、刻線或者切割; 當(dāng)圖樣變化時(shí), 無須更換硬件。鉆孔實(shí)驗(yàn)表明, 比聚焦點(diǎn)大的任意尺寸和形狀的鉆孔和切割都可以通過反復(fù)雕琢的方式進(jìn)行。 高重復(fù)頻率是現(xiàn)代DPSS 激光器的又一突出優(yōu)點(diǎn)。準(zhǔn)分子激光器的重復(fù)頻率一般在幾百赫茲. 而AVIA 的重頻可達(dá)100kHz。高的重復(fù)頻率在低密度孔分布應(yīng)用中以及布線或切割加工中可大大提高生產(chǎn)量。例如, 在2密爾(50微米)厚的KaptonTM 聚酰亞胺材料上鉆30微米直徑的孔大約需要200個(gè)脈沖, 能量密度為0.2J/cm2。AVIA 工作在50kHz 重頻時(shí)1秒鐘可以打大約250個(gè)孔, 而工作在200Hz重復(fù)頻率下的準(zhǔn)分子激光器打出一個(gè)相同參數(shù)的孔需要整整1秒鐘。 AVIA 脈沖重復(fù)頻率從單脈沖到100kHz 可調(diào), 使您可以非?？焖俸挽`活地控制脈沖能量和平均功率。用這些方法, 可以在要求高的加工過程中主動(dòng)改變重要的加工參數(shù), 比如選擇性地去除聚合物涂層金屬, 反之亦然。在很多應(yīng)用中, 例如鉆盲通道孔、切開聚合物絕緣材料露出填埋導(dǎo)電墊片、切割電路板等, 這種功能是非常有用的。 在加工要求高的大批量生產(chǎn)環(huán)境下, 不允許過多的維修或停工, 紫外半導(dǎo)體泵浦固體激光器在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)上的性, 使之成為系統(tǒng)集成的理想選擇. 全固態(tài)封離式的設(shè)計(jì), 結(jié)構(gòu)緊湊, 堅(jiān)固耐用, 使得這類激光器非常容易與高效的生產(chǎn)環(huán)境相配合; 同時(shí), 可靠性高, 作簡便, 以及對水電設(shè)施要求低等優(yōu)點(diǎn), 使得它們?nèi)諠u成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中廣為使用的設(shè)備。
