近幾年來，微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展開創(chuàng)了消費(fèi)電子設(shè)備的新時(shí)代。在世界各地，使用這些設(shè)備現(xiàn)在是日常生活的一部分。這種增長是由“隨時(shí)隨地”獲取信息的消費(fèi)者需求，以及企業(yè)對(duì)設(shè)備接受度的提升所驅(qū)動(dòng)。移動(dòng)產(chǎn)品目前代表著消費(fèi)電子產(chǎn)品制造業(yè)最大的細(xì)分市場之一[1]，像智能手機(jī)和平板電腦都在不斷快速發(fā)展。隨著設(shè)備變得更小、更快、更輕和更便宜，它們正變得越來越難以制造并且更加復(fù)雜，需要組件的小型化和精密制造。對(duì)于關(guān)鍵部件，如半導(dǎo)體芯片、微電子封裝、觸摸屏顯示器以及印刷電路板（PCB），該行業(yè)繼續(xù)面臨推高成品率和產(chǎn)量，同時(shí)降低成本的挑戰(zhàn)。結(jié)果是已經(jīng)越來越多地應(yīng)用激光加工來推動(dòng)移動(dòng)設(shè)備的制造。目前一代的微加工激光器已經(jīng)證明了在24/7的生產(chǎn)環(huán)境下，以更高的產(chǎn)量和更低的運(yùn)營成本生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品的能力。但由于日益復(fù)雜的設(shè)備需要越來越多的復(fù)雜制造工藝，也需要激光光源的進(jìn)步。
高速精密激光制造工藝受到各種激光參數(shù)，包括波長、脈寬、平均功率、光束質(zhì)量（M2）、脈沖重復(fù)頻率（PRF）和脈沖與脈沖間能量穩(wěn)定性的強(qiáng)烈影響。較新型的更先進(jìn)的激光器還可以在工藝參數(shù)集中添加脈沖整形和脈沖分裂。具有更短波長、更短脈寬和小的M2的激光器，通過形成一個(gè)緊聚焦點(diǎn)以及最小化熱影響區(qū)（HAZ），來改進(jìn)微加工工藝。較高能量吸收，尤其在紫外（UV）波長和短脈寬下，使材料迅速氣化以減少熱影響區(qū)和炭化。小的聚焦光斑使得激光加工得以實(shí)現(xiàn)更高的精度、更小地加工特征。更高的功率、更高的激光重復(fù)頻率、脈沖整形和脈沖分裂能力，都可以有助于提高微加工的吞吐量。同時(shí)，保持恒定的更穩(wěn)定的脈沖與脈沖間穩(wěn)定性，確保了工藝的可重復(fù)性，并有助于實(shí)現(xiàn)更高的合格率。
傳統(tǒng)的紫外調(diào)Q（Q-SW）二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器已經(jīng)為滿足復(fù)雜的制造需求履行了合理的職責(zé)，但它們在實(shí)現(xiàn)更高的加工速度上確實(shí)有局限性。一種提高加工速度的常見方法，是通過增加激光器的激光重復(fù)頻率，同時(shí)保持其它工藝參數(shù)。然而，對(duì)于一臺(tái)典型的Q-SW DPSS激光器，這實(shí)在是不可能的。對(duì)于這些激光器，隨著激光重復(fù)頻率的增加，平均功率和脈沖能量非常迅速地降低。此外，激光的脈寬和脈沖與脈沖間的能量波動(dòng)趨于顯著增加。因?yàn)檫@些激光參數(shù)的變化會(huì)影響微加工速度、特征尺寸和可實(shí)現(xiàn)的精度，當(dāng)試圖提升吞吐量時(shí)，簡單地增加激光重復(fù)頻率往往不足以保持工藝結(jié)果?？朔@些限制的真正解決方案，是不僅在更高激光重復(fù)頻率下保持高平均功率，還能繼續(xù)提供更短脈寬以及更小的脈沖與脈沖間能量變化的激光器。加上脈沖整形和脈沖分裂的能力，激光工藝開發(fā)工程師可以開始開發(fā)既有更高吞吐量又有更清潔消融效果的工藝。
認(rèn)識(shí)到對(duì)這種新型激光技術(shù)的需求，Spectra-Physics公司已經(jīng)開發(fā)出Quasar®紫外混合光纖激光器。圖1顯示了新型Quasar 355-60W激光器產(chǎn)品。它是在更高激光重復(fù)頻率下兼具更高功率和短脈寬獨(dú)特組合的激光器。Spectra-Physics于2013年推出了功率40瓦的紫外激光器產(chǎn)品（250kHz、355nm），并在2014年將功率進(jìn)一步拓展到了60瓦（200~300kHz），提升了產(chǎn)品的平均功率和脈沖能量。與此同時(shí)，其最小脈沖寬度已經(jīng)從5ns減少到2ns、最大脈沖重復(fù)頻率從1.7MHz增加到3.5MHz。如圖1所示，這些輸出特性使得工程師能夠利用新的更廣泛的激光加工參數(shù)。
圖1：Spectra Physics的新型Quasar 355-60W UV激光器
Quasar還具有TimeShift™技術(shù)，允許各種可軟件設(shè)置的脈沖能量和脈寬。此外，激光脈沖的時(shí)間波形可通過諸如脈沖整形、脈沖分裂和突發(fā)模式操作技術(shù)來進(jìn)行定制。與此同時(shí)，相比于傳統(tǒng)的DPSS激光器，TimeShift還消除了脈寬度對(duì)激光重復(fù)頻率的依賴性，從而能夠在通過增加激光重復(fù)頻率進(jìn)而提升加工效率的情況下，真正使激光器的所有輸出特性保持恒定。
圖2：傳統(tǒng)DPSS調(diào)Q紫外激光器和Quasar可實(shí)現(xiàn)的參數(shù)范圍
正如預(yù)期的那樣，高重復(fù)頻率下的更高功率、獨(dú)立可調(diào)的脈寬以及先進(jìn)的新型脈沖操控能力，使得各種微電子材料的微加工受益匪淺。下文將介紹利用Quasar激光器加工硅（用于芯片制造）、氧化鋁（用于微電子封裝制造）、玻璃（用于觸控面板顯示器制造）和銅（用于PCB和微電子封裝制造）所取得的最新進(jìn)展。
半導(dǎo)體制造中的硅片切割
在半導(dǎo)體芯片制造中，將硅片分離為很多個(gè)單獨(dú)的芯片是一個(gè)關(guān)鍵的加工步驟。用激光切割硅片，作為傳統(tǒng)精密鋸切割的一種替代方案，已經(jīng)在業(yè)界使用了多年之久；并且隨著硅片變得越來越薄，激光切割變得更加強(qiáng)大，其相比于傳統(tǒng)鋸切割的優(yōu)勢更加明顯。此外，通過激光器如Quasar具備的高級(jí)功能，在仍然保持高的微加工吞吐量的同時(shí)，控制對(duì)材料的熱輸入變得容易。這在硅片切割中尤為重要，其中熱效應(yīng)可以導(dǎo)致沿切割芯片邊緣的微裂紋，從而降低機(jī)械強(qiáng)度。
圖3：硅片切割深度與切割速度的曲線圖，圖中顯示了使用TimeShift技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的加工優(yōu)化所帶來的益處。
圖4比較了利用單脈沖和分裂子脈沖切割所產(chǎn)生的碎屑和熱影響區(qū)（HAZ）的外觀情況，圖中顯示的是切割速度為500mm/s時(shí)的圖像。從圖中可以看出，突發(fā)模式切割顯示了較高的消融質(zhì)量，在頂面具有較少的松散碎屑，同時(shí)其切割深度比使用單脈沖增加了25％。
圖4：硅片切割質(zhì)量對(duì)比。（a）利用單脈沖切割的俯視圖，切割深度20mm。（b）利用5個(gè)子脈沖切割的俯視圖，切割深度25mm。
Quasar激光器所具備的高功率、高激光重復(fù)頻率以及TimeShift技術(shù)，顯示了實(shí)現(xiàn)對(duì)硅材料切割質(zhì)量和吞吐量明顯改善的優(yōu)勢。
微電子封裝中的氧化鋁陶瓷劃片
由于具備高介電性、高強(qiáng)度、耐腐蝕性、穩(wěn)定性以及相對(duì)低的成本，氧化鋁（Al2O3）陶瓷廣泛用于微電子封裝。對(duì)許多應(yīng)用而言，它也有合適的熱導(dǎo)率。它為安裝多個(gè)電子組件，以形成單個(gè)模塊提供了良好的基座。在典型的制造方案中，在加工環(huán)節(jié)結(jié)束時(shí)，需要將具有多個(gè)模塊的大尺寸氧化鋁片分離或單片化為獨(dú)立的模塊。單片化的一種常用方法是“劃片和斷裂”。在基于激光的劃片和斷裂工藝中，襯底上的深劃痕由激光建立，然后襯底通過機(jī)械力分離。氧化鋁是一種使用傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)難以加工的材料，但是高功率紫外激光可以為對(duì)該材料劃片提供一種干凈和精確的方式。 #p#分頁標(biāo)題#e#
在Spectra-Physics公司的實(shí)驗(yàn)室中，工程師研究了利用激光器的TimeShift技術(shù)的脈沖分裂能力，在各種工作表面能量密度下，增加氧化鋁陶瓷劃片深度的可能性。改變脈沖能量，工程師在不同能量密度下進(jìn)行激光劃片，而掃描速度保持為500mm/s，重復(fù)頻率重復(fù)頻率保持為200kHz。收集的一組數(shù)據(jù)為脈寬20ns，而第二組具有雙脈沖，兩個(gè)10ns子脈沖的間隔為10ns。
圖5顯示了采用雙脈沖突發(fā)模式微加工相對(duì)單脈沖加工的明顯優(yōu)勢。根據(jù)能量密度水平，通過將單個(gè)20ns脈沖的能量分裂到兩個(gè)子脈沖中，可以實(shí)現(xiàn)消融深度增加高達(dá)78％。
圖5：氧化鋁劃片深度與能量密度的關(guān)系，顯示了TimeShift技術(shù)在提升吞吐量方面的益處。
圖6比較了兩種情況下所產(chǎn)生的碎屑和熱影響區(qū)（HAZ）的外觀情況，圖中顯示的是激光脈沖重復(fù)頻率設(shè)定為200kHz，劃片速度500mm/s時(shí)，使用單脈沖能量170mJ的單個(gè)20ns脈沖，以及能量為101mJ的兩個(gè)間隔為10ns的10ns子脈沖，達(dá)到4mm的同樣劃片深度的圖像。在每脈沖能量比單脈沖情況低40%達(dá)到相同深度的條件下，雙脈沖突發(fā)模式劃片顯示了高消融質(zhì)量，頂面的碎片沒有那么疏松。
圖6：劃片深度為4mm的氧化鋁劃片質(zhì)量對(duì)比。（a）采用單脈沖的頂視圖。（b）采用雙脈沖的頂視圖。
用于平板顯示器的玻璃切割
在顯示器制造過程中，觸摸屏和LCD模塊既需要直線切割獲得單片玻璃，也需要曲線切割來實(shí)現(xiàn)各種特性，如轉(zhuǎn)角、孔和槽（見圖7）。隨著用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品顯示器中的玻璃基板越來越薄、越來越堅(jiān)硬（經(jīng)過化學(xué)處理或熱處理），激光玻璃加工設(shè)備正在實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、高產(chǎn)能加工、同時(shí)減少與常規(guī)機(jī)械加工相關(guān)的產(chǎn)量損失方面，顯示出巨大的潛力。
在Spectra-Physics公司的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室中，工程師已經(jīng)利用Quasar激光器的TimeShift技術(shù)所創(chuàng)建的激光與材料之間的相互作用效應(yīng)，開發(fā)出了玻璃加工工藝。利用Spectra-Physics公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室正在申請專利的加工過程，獨(dú)特的激光脈沖減少了熱負(fù)荷、以及材料中可能出現(xiàn)的碎屑或裂紋。在使用Quasar紫外激光器以超過1.0m/s的直線速度切割康寧Gorilla®、旭硝子Dragontail™和肖特Xensation®等一些化學(xué)強(qiáng)化玻璃時(shí)，均獲得了較高的切割質(zhì)量。在切割鈉鈣玻璃以及康寧 Willow®等先進(jìn)的柔性玻璃時(shí)，也獲得了類似的高切割質(zhì)量；目前工程師正在進(jìn)行切割藍(lán)寶石的工藝開發(fā)工作。圖8顯示了切割0.7mm厚的Gorilla玻璃所獲得的切割效果，該玻璃具有40mm深的化學(xué)強(qiáng)化層（DOL）。俯視圖顯示了干凈的切割邊緣，具有最小的切割碎屑，并且沒有明顯的微裂紋產(chǎn)生。從切割邊緣的側(cè)面圖中可以看到，其切割粗糙度位于典型制造要求所能接受的范圍之內(nèi)。
圖7：利用Quasar紫外激光器的TimeShift技術(shù)實(shí)現(xiàn)0.7mm厚Gorilla玻璃的曲線切割。
圖8：玻璃切割質(zhì)量。（a）使用TimeShift技術(shù)切割玻璃的俯視圖；（b）切割邊緣的橫截面顯示了切割面的粗糙度。
用于先進(jìn)封裝與互連的銅切割
在今天的消費(fèi)電子設(shè)備制造過程中，激光器通常在PCB和柔性互連材料上進(jìn)行各種各樣的加工過程。這些加工過程包括鉆通孔或鉆盲孔、分板（de-paneling）、切削、激光直接刻圖、維修、修邊、打標(biāo)以及刮削等。在通常情況下，PCB和連接線可能由各種不同材料、不同層和不同厚度構(gòu)成。每種材料類型和加工過程，可能都具有其特定的最佳激光加工參數(shù)要求。Spectra-Physics的Quasar 355-60紫外激光器，具備提供定制激光脈沖的靈活性，能夠很好地滿足各種不同材料組分和加工過程的具體要求。
例如，典型的柔性電路分離應(yīng)用中包含清潔和快速切割聚合物襯底上的一層薄銅層（10~20mm）。在很多PCB板上鉆通孔包含消融類似厚度的銅層。為了探討TimeShift技術(shù)在這類應(yīng)用中所具備的更加微妙的潛在效應(yīng)，工程師在Spectra-Physics的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了銅切割的研究。這里，工程師使用的是子脈沖（突發(fā)）加工，以增大激光在銅塊上的切割深度。工程師進(jìn)行了兩組試驗(yàn)。
在第一組試驗(yàn)中，能量為20mJ和45mJ的激光脈沖，被分為10個(gè)持續(xù)時(shí)間為5ns的子脈沖，子脈沖之間的時(shí)間間隔是變化的。圖9（a）顯示了試驗(yàn)結(jié)果。間隔為10ns的子脈沖，比具有相同能量的單個(gè)脈沖（0ns間隔），能切割出更深的凹槽。然而，將子脈沖之間的間隔增加至25ns時(shí)，其材料去除速率則比單脈沖的情況更低。利用靈活的TimeShift技術(shù)，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)這樣的加工效果。這能使開發(fā)工程師進(jìn)一步了解主導(dǎo)加工結(jié)果的激光與材料之間的相互作用機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)加工速度和加工質(zhì)量更迅速和更全面的優(yōu)化。
在第二組試驗(yàn)中，子脈沖的數(shù)目是變化的，同時(shí)保持每個(gè)脈沖的總能量恒定，并保持子脈沖的時(shí)間間隔也恒定。圖9（b）顯示，對(duì)于一個(gè)5ns的子脈沖持續(xù)時(shí)間，將該脈沖分裂成一個(gè)更大數(shù)目的子脈沖，能實(shí)現(xiàn)更高的材料去除速率。類似于圖4中顯示的硅片切割結(jié)果以及圖6中顯示的氧化鋁劃片結(jié)果，多個(gè)子脈沖能產(chǎn)生更干凈的切口邊緣和更少的碎屑。
圖9：TimeShift技術(shù)在銅切割中所獲得的切割效果。（a）圖顯示了子脈沖時(shí)間間隔變化時(shí)，材料去除速率的變化；（b）圖顯示了子脈沖數(shù)量變化時(shí)，材料去除速率的變化。每個(gè)突發(fā)子脈沖的總能量固定在20mJ或45mJ。
總結(jié)
在當(dāng)今的消費(fèi)電子設(shè)備制造工藝中，激光器通常用于各種材料的微加工。今天，最常用的激光器是調(diào)Q紫外DPSS激光器，這得益于其以高精度產(chǎn)生小特征的能力。雖然這些激光器可以做一些工作，但有一定的使用限制。對(duì)于這些激光器，隨著激光重復(fù)頻率的增加，輸出功率顯著降低，脈寬顯著增加。這限制了工藝工程師以更高激光重復(fù)頻率運(yùn)行激光器的能力，從而限制了微加工的效率、特征尺寸和精度。
為了克服這一限制，Spectra-Physics公司已經(jīng)開發(fā)出了Quasar激光器。Quasar的獨(dú)特之處在于不僅在更高激光重復(fù)頻率下具有更高的功率，而且所具備的TimeShift技術(shù)使得如可調(diào)諧的脈寬、脈沖分裂和脈沖整形等先進(jìn)功能成為可能。Quasar激光器的最新型號(hào)，在200-300 kHz的重復(fù)頻率下提供>60W的輸出功率，同時(shí)保持10ns或更短的脈寬。 #p#分頁標(biāo)題#e#
Quasar 355nm激光器的加工優(yōu)勢，已經(jīng)在幾種常見的微電子材料與現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)過程中得以展示。上述應(yīng)用案例已經(jīng)表明，Quasar紫外激光器能夠在新的加工參數(shù)空間（更高激光重復(fù)頻率下的更高激光功率）操作，并且利用TimeShift技術(shù)提供的先進(jìn)的脈沖分裂和成形特性，能夠顯著改善加工速度和微加工質(zhì)量。從上述加工結(jié)果中不難看出，激光微加工將會(huì)朝著使用Quasar激光器的方向發(fā)展。配合適當(dāng)?shù)膮?shù)優(yōu)化，新型Quasar紫外納秒脈沖激光光源能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)和高吞吐量加工，大大擴(kuò)展了目前的激光微加工能力，以應(yīng)對(duì)制造未來的消費(fèi)電子產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)。
參考文獻(xiàn)
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作者：Rajesh S. Patel，James Bovatsek
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