固體紫外激光器在微電子工業(yè)上的應(yīng)用

隨著對(duì)小型電子產(chǎn)品和微電子元器件需求的日益增長(zhǎng)，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)展最快的應(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)激光器的最新技術(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(guò)程中，要求對(duì)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，以及成型電路板的最終裁剪。

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(zhǎng)的交付周期對(duì)小部件的加工和成型而言顯得不實(shí)用且成本高。類(lèi)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(wú)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(duì)于今天的高密度互連電路 (HDI)越來(lái)越重要，但是它們對(duì)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(kāi)填埋的導(dǎo)電墊片等工作。激光微處理 激光獨(dú)一無(wú)二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(guò)聚焦將非常大的能量密度傳遞到精確的加工位置進(jìn)行鉆孔、切割和焊接。兩者間的相互作用的類(lèi)型取決于待處理的材料的特征和激光的波長(zhǎng)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(guò)紅外處理或"熱"處理過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)程從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)不是"熱"處理過(guò)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(lái)的部件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化影響。 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(jí)，從而對(duì)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(lái)，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(guò)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，最大的問(wèn)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(guò)程中一定要使用掩模板。準(zhǔn)分子激光器對(duì)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(shuō)來(lái)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(guò)程必須停止。

固體紫外激光器的應(yīng)用一直以來(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)355nm，平均功率1.5W，最高重頻可達(dá)100kHz，光束質(zhì)量好，非常適合于微處理應(yīng)用場(chǎng)合。好的光束質(zhì)量，從而優(yōu)秀的聚焦能力使您可擺脫掩模板進(jìn)行加工，通過(guò)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(guò)直接刻寫(xiě)的方法執(zhí)行鉆孔、刻線或者切割；當(dāng)圖樣變化時(shí)，無(wú)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(guò)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)，使您可以非常快速和靈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(guò)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(kāi)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(guò)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)上的先進(jìn)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(lèi)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(jiǎn)便，以及對(duì)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。(end)