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用于精密制造的Quasar 60W紫外激光器
材料来源:lfwc           录入时间:2014/7/21 12:12:07

 作者:Rajesh S. PatelJames BovatsekAshwini Tamhankar

 

近几年来,微电子技术的迅猛发展开创了消费电子设备的新时代。在世界各地,使用这些设备现在是日常生活的一部分。这种增长是由随时随地获取信息的消费者需求,以及企业对设备接受度的提升所驱动。移动产品目前代表着消费电子产品制造业最大的细分市场之一[1],像智能手机和平板电脑都在不断快速发展。随着设备变得更小、更快、更轻和更便宜,它们正变得越来越难以制造并且更加复杂,需要组件的小型化和精密制造。对于关键部件,如半导体芯片、微电子封装、触摸屏显示器以及印刷电路板(PCB),该行业继续面临推高成品率和产量,同时降低成本的挑战。结果是已经越来越多地应用激光加工来推动移动设备的制造。目前一代的微加工激光器已经证明了在24/7的生产环境下,以更高的产量和更低的运营成本生产高质量、高精度产品的能力。但由于日益复杂的设备需要越来越多的复杂制造工艺,也需要激光光源的进步。 

                                                                                                                                                                                    

高速精密激光制造工艺受到各种激光参数,包括波长、脉宽、平均功率、光束质量(M2)、脉冲重复频率(PRF)和脉冲与脉冲间能量稳定性的强烈影响。较新型的更先进的激光器还可以在工艺参数集中添加脉冲整形和脉冲分裂。具有更短波长、更短脉宽和小的M2的激光器,通过形成一个紧聚焦点以及最小化热影响区(HAZ),来改进微加工工艺。较高能量吸收,尤其在紫外(UV)波长和短脉宽下,使材料迅速气化以减少热影响区和炭化。小的聚焦光斑使得激光加工得以实现更高的精度、更小地加工特征。更高的功率、更高的激光重复频率、脉冲整形和脉冲分裂能力,都可以有助于提高微加工的吞吐量。同时,保持恒定的更稳定的脉冲与脉冲间稳定性,确保了工艺的可重复性,并有助于实现更高的合格率。

传统的紫外调QQ-SW)二极管泵浦固态(DPSS)激光器已经为满足复杂的制造需求履行了合理的职责,但它们在实现更高的加工速度上确实有局限性。一种提高加工速度的常见方法,是通过增加激光器的激光重复频率,同时保持其它工艺参数。然而,对于一台典型的Q-SW DPSS激光器,这实在是不可能的。对于这些激光器,随着激光重复频率的增加,平均功率和脉冲能量非常迅速地降低。此外,激光的脉宽和脉冲与脉冲间的能量波动趋于显著增加。因为这些激光参数的变化会影响微加工速度、特征尺寸和可实现的精度,当试图提升吞吐量时,简单地增加激光重复频率往往不足以保持工艺结果。克服这些限制的真正解决方案,是不仅在更高激光重复频率下保持高平均功率,还能继续提供更短脉宽以及更小的脉冲与脉冲间能量变化的激光器。加上脉冲整形和脉冲分裂的能力,激光工艺开发工程师可以开始开发既有更高吞吐量又有更清洁消融效果的工艺。

认识到对这种新型激光技术的需求,Spectra-Physics公司已经开发出Quasar®紫外混合光纤激光器。图1显示了新型Quasar 355-60W激光器产品。它是在更高激光重复频率下兼具更高功率和短脉宽独特组合的激光器。Spectra-Physics2013年推出了功率40瓦的紫外激光器产品(250kHz355nm),并在2014年将功率进一步拓展到了60瓦(200~300kHz),提升了产品的平均功率和脉冲能量。与此同时,其最小脉冲宽度已经从5ns减少到2ns、最大脉冲重复频率从1.7MHz增加到3.5MHz。如图1所示,这些输出特性使得工程师能够利用新的更广泛的激光加工参数。

 

1Spectra Physics的新型Quasar 355-60W UV激光器。

2:传统DPSSQ紫外激光器和Quasar可实现的参数范围。

 

Quasar还具有TimeShift™技术,允许各种可软件设置的脉冲能量和脉宽。此外,激光脉冲的时间波形可通过诸如脉冲整形、脉冲分裂和突发模式操作技术来进行定制。与此同时,相比于传统的DPSS激光器,TimeShift还消除了脉宽度对激光重复频率的依赖性,从而能够在通过增加激光重复频率进而提升加工效率的情况下,真正使激光器的所有输出特性保持恒定。

 

正如预期的那样,高重复频率下的更高功率、独立可调的脉宽以及先进的新型脉冲操控能力,使得各种微电子材料的微加工受益匪浅。下文将介绍利用Quasar激光器加工硅(用于芯片制造)、氧化铝(用于微电子封装制造)、玻璃(用于触控面板显示器制造)和铜(用于PCB和微电子封装制造)所取得的最新进展。

 

半导体制造中的硅片切割

 

在半导体芯片制造中,将硅片分离为很多个单独的芯片是一个关键的加工步骤用激光切割硅片,作为传统精密锯切割的一种替代方案,已经在业界使用了多年之久;并且随着硅片变得越来越薄,激光切割变得更加强大,其相比于传统锯切割的优势更加明显。此外,通过激光器如Quasar具备的高级功能,在仍然保持高的微加工吞吐量的同时,控制对材料的热输入变得容易。这在硅片切割中尤为重要,其中热效应可以导致沿切割芯片边缘的微裂纹,从而降低机械强度。

 

4比较了利用单脉冲和分裂子脉冲切割所产生的碎屑和热影响区(HAZ)的外观情况,图中显示的是切割速度为500mm/s时的图像。从图中可以看出,突发模式切割显示了较高的消融质量,在顶面具有较少的松散碎屑,同时其切割深度比使用单脉冲增加了25%。

3:硅片切割深度与切割速度的曲线图,图中显示了使用TimeShift技术所实现的加工优化所带来的益处。

     

(a)                                                           (b)

4:硅片切割质量对比。(a)利用单脉冲切割的俯视图,切割深度20mm。(b)利用5个子脉冲切割的俯视图,切割深度25mm

Quasar激光器所具备的高功率、高激光重复频率以及TimeShift技术,显示了实现对硅材料切割质量和吞吐量明显改善的优势。

 微电子封装中的氧化铝陶瓷划片

由于具备高介电性、高强度、耐腐蚀性、稳定性以及相对低的成本,氧化铝(Al2O3)陶瓷广泛用于微电子封装。对许多应用而言,它也有合适的热导率。它为安装多个电子组件,以形成单个模块提供了良好的基座。在典型的制造方案中,在加工环节结束时,需要将具有多个模块的大尺寸氧化铝片分离或单片化为独立的模块。单片化的一种常用方法是划片和断裂。在基于激光的划片和断裂工艺中,衬底上的深划痕由激光建立,然后衬底通过机械力分离。氧化铝是一种使用传统机械技术难以加工的材料,但是高功率紫外激光可以为对该材料划片提供一种干净和精确的方式。

Spectra-Physics公司的实验室中,工程师研究了利用激光器的TimeShift技术的脉冲分裂能力,在各种工作表面能量密度下,增加氧化铝陶瓷划片深度的可能性。改变脉冲能量,工程师在不同能量密度下进行激光划片,而扫描速度保持为500mm/s重复频率重复频率保持为200kHz。收集的一组数据为脉宽20ns,而第二组具有双脉冲,两个10ns子脉冲的间隔为10ns

5显示了采用双脉冲突发模式微加工相对单脉冲加工的明显优势。根据能量密度水平,通过将单个20ns脉冲的能量分裂到两个子脉冲中,可以实现消融深度增加高达78%。

5:氧化铝划片深度与能量密度的关系,显示了TimeShift技术在提升吞吐量方面的益处。

6比较了两种情况下所产生的碎屑和热影响区(HAZ)的外观情况,图中显示的是激光脉冲重复频率设定为200kHz,划片速度500mm/s时,使用单脉冲能量170mJ的单个20ns脉冲,以及能量为101mJ的两个间隔为10ns10ns子脉冲,达到4mm的同样划片深度的图像。在每脉冲能量比单脉冲情况低40%达到相同深度的条件下,双脉冲突发模式划片显示了高消融质量,顶面的碎片没有那么疏松。

 

(a)                                                                         (b)

图6:划片深度为4mm的氧化铝划片质量对比。(a)采用单脉冲的顶视图。(b)采用双脉冲的顶视图

用于平板显示器的玻璃切割

 

在显示器制造过程中,触摸屏和LCD模块既需要直线切割获得单片玻璃,也需要曲线切割来实现各种特性,如转角、孔和槽(见图7)。随着用于消费类电子产品显示器中的玻璃基板越来越薄、越来越坚硬(经过化学处理或热处理),激光玻璃加工设备正在实现高品质、高产能加工、同时减少与常规机械加工相关的产量损失方面,显示出巨大的潜力

Spectra-Physics公司的应用实验室中,工程师已经利用Quasar激光器的TimeShift技术所创建的激光与材料之间的相互作用效应,开发出了玻璃加工工艺。利用Spectra-Physics公司应用实验室正在申请专利的加工过程,独特的激光脉冲减少了热负荷、以及材料中可能出现的碎屑或裂纹。在使用Quasar紫外激光器以超过1.0m/s的直线速度切割康宁Gorilla®、旭硝子Dragontail™和肖特Xensation®等一些化学强化玻璃时,均获得了较高的切割质量。在切割钠钙玻璃以及康宁 Willow®等先进的柔性玻璃时,也获得了类似的高切割质量;目前工程师正在进行切割蓝宝石的工艺开发工作。图8显示了切割0.7mm厚的Gorilla玻璃所获得的切割效果,该玻璃具有40mm深的化学强化层(DOL)。俯视图显示了干净的切割边缘,具有最小的切割碎屑,并且没有明显的微裂纹产生。从切割边缘的侧面图中可以看到,其切割粗糙度位于典型制造要求所能接受的范围之内。

 

 

 7:利用Quasar紫外激光器的TimeShift技术实现0.7mmGorilla玻璃的曲线切割。

 

 

8:玻璃切割质量。(a)使用TimeShift技术切割玻璃的俯视图;(b)切割边缘的横截面显示了切割面的粗糙度。

 

用于先进封装与互连的铜切割

 

在今天的消费电子设备制造过程中,激光器通常在PCB和柔性互连材料上进行各种各样的加工过程。这些加工过程包括钻通孔或钻盲孔、分板(de-paneling)、切削、激光直接刻图、维修、修边、打标以及刮削等。在通常情况下,PCB和连接线可能由各种不同材料、不同层和不同厚度构成。每种材料类型和加工过程,可能都具有其特定的最佳激光加工参数要求。Spectra-PhysicsQuasar 355-60紫外激光器,具备提供定制激光脉冲的灵活性,能够很好地满足各种不同材料组分和加工过程的具体要求。

 

例如,典型的柔性电路分离应用中包含清洁和快速切割聚合物衬底上的一层薄铜层(10~20mm)。在很多PCB板上钻通孔包含消融类似厚度的铜层。为了探讨TimeShift技术在这类应用中所具备的更加微妙的潜在效应,工程师在Spectra-Physics的应用实验室中进行了铜切割的研究。这里,工程师使用的是子脉冲(突发)加工,以增大激光在铜块上的切割深度。工程师进行了两组试验。

 

在第一组试验中,能量为20mJ45mJ的激光脉冲,被分为10个持续时间为5ns的子脉冲,子脉冲之间的时间间隔是变化的。图9a)显示了试验结果。间隔为10ns的子脉冲,比具有相同能量的单个脉冲(0ns间隔),能切割出更深的凹槽。然而,将子脉冲之间的间隔增加至25ns时,其材料去除速率则比单脉冲的情况更低。利用灵活的TimeShift技术,能够很容易地实现这样的加工效果。这能使开发工程师进一步了解主导加工结果的激光与材料之间的相互作用机制,以实现加工速度和加工质量更迅速和更全面的优化。

 

在第二组试验中,子脉冲的数目是变化的,同时保持每个脉冲的总能量恒定,并保持子脉冲的时间间隔也恒定。图9b)显示,对于一个5ns的子脉冲持续时间,将该脉冲分裂成一个更大数目的子脉冲,能实现更高的材料去除速率。类似于图4中显示的硅片切割结果以及图6中显示的氧化铝划片结果,多个子脉冲能产生更干净的切口边缘和更少的碎屑。

 

 

9TimeShift技术在铜切割中所获得的切割效果。(a)图显示了子脉冲时间间隔变化时,材料去除速率的变化;(b)图显示了子脉冲数量变化时,材料去除速率的变化。每个突发子脉冲的总能量固定在20mJ45mJ

 

总结

 

在当今的消费电子设备制造工艺中,激光器通常用于各种材料的微加工。今天,最常用的激光器是调Q紫外DPSS激光器,这得益于其以高精度产生小特征的能力。虽然这些激光器可以做一些工作,但有一定的使用限制。对于这些激光器,随着激光重复频率的增加,输出功率显著降低,脉宽显著增加。这限制了工艺工程师以更高激光重复频率运行激光器的能力,从而限制了微加工的效率、特征尺寸和精度。

 

为了克服这一限制,Spectra-Physics公司已经开发出了Quasar激光器。Quasar的独特之处在于不仅在更高激光重复频率下具有更高的功率,而且所具备的TimeShift技术使得如可调谐的脉宽、脉冲分裂和脉冲整形等先进功能成为可能。Quasar激光器的最新型号,在200-300 kHz的重复频率下提供>60W的输出功率,同时保持10ns或更短的脉宽。

 

Quasar 355nm激光器的加工优势,已经在几种常见的微电子材料与现代大规模生产过程中得以展示。上述应用案例已经表明,Quasar紫外激光器能够在新的加工参数空间(更高激光重复频率下的更高激光功率)操作,并且利用TimeShift技术提供的先进的脉冲分裂和成形特性,能够显著改善加工速度和微加工质量。从上述加工结果中不难看出,激光微加工将会朝着使用Quasar激光器的方向发展。配合适当的参数优化,新型Quasar紫外纳秒脉冲激光光源能够实现高品质和高吞吐量加工,大大扩展了目前的激光微加工能力,以应对制造未来的消费电子产品所面临的挑战。

 

参考文献

[1]  “Global Consumer Electronics Market Outlook 2015," http://www.reportlinker.com/p01103485/Global-Consumer-Electronics-Market-Outlook.html.

[2]  P.R. Herman, R. Marjoribanks, A. Oettl, "Burst-Ultrafast Laser Machining Method,"  U.S. Patent No. 6,522,301 2003.

[3]  W. Hu, Y.C. Shin, G. King, "Modeling of multi-burst mode pico-second laser ablation for improved material removal rate," Applied Physics A, February 2010, Volume 98, Issue 2, pp 407-415.

[4]  R. Knappe, H. Haloui, A. Seifert, A. Weis, A. Nebel, "Scaling ablation rates for picosecond lasers using burst micromachining," Proc. SPIE 7585, Laser-based Micro- and Nanopackaging and Assembly IV, 7585, 2010. 


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