電子陶瓷基板主要包括氧化鋁和氮化鋁基板,具有硬度、導(dǎo)熱性、電阻率和熱穩(wěn)定性高,介電常數(shù)低,熱膨脹系數(shù)與芯片匹配等特點,是新一代微電子器件或系統(tǒng)的首選,在高端大功率電子元件中具有廣闊的應(yīng)用前景。為實現(xiàn)電子系統(tǒng)的高密度互聯(lián),需要在陶瓷基板表面進行多尺寸、多間距的盲、通孔加工,且孔質(zhì)量需滿足芯片導(dǎo)通和引腳固定的封裝要求。

然而,氧化鋁和氮化鋁陶瓷是典型的硬脆材料,傳統(tǒng)的機械加工極易導(dǎo)致基板斷裂,而特種加工方法也存在極大限制,如:化學(xué)刻蝕和超聲波加工氧化鋁、氮化鋁陶瓷材料的去除效率低;電火花不能加工陶瓷等非導(dǎo)電材料;電子束加工設(shè)備昂貴,且會產(chǎn)生極大的熱效應(yīng),損傷陶瓷基板;磨料水射流不僅加工精度低而且噪聲大等等。

激光作為一種非接觸式的高能束精密加工技術(shù),具有高效可控、熱影響區(qū)小、無切削作用力、無“刀具”磨損,以及可加工高硬度、高脆性、高熔點等難加工材料的特點。激光的脈沖寬度是一個重要參數(shù),是指單個激光脈沖釋放能量即真正作用于材料的時間。

對于脈沖激光加工,根據(jù)脈沖寬度可將其分為以毫秒激光(MPL,通常指脈沖寬度為1～1000 ms)為代表的長脈沖激光加工、以納秒激光(NPL,通常指脈沖寬度為1～1000 ns)為代表的短脈沖激光加工和超短脈沖激光加工(UPL,通常指脈沖寬度≤10 ps)。

其中:超短脈沖激光因加工效率低、穩(wěn)定性不夠、激光設(shè)備昂貴等原因目前還無法滿足陶瓷基板工業(yè)化加工的要求;而毫秒激光和納秒激光具有較為成熟的理論基礎(chǔ)和適宜的經(jīng)濟性,加工柔性和穩(wěn)定性好,極易與裝備的數(shù)控系統(tǒng)融合,非常適合用于電子陶瓷基板表面的群孔加工。電子陶瓷基板激光孔加工的工業(yè)化應(yīng)用剛剛起步,人們對毫秒和納秒激光加工工藝的研究及其在陶瓷基板領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的認(rèn)知還不十分成熟,對利用這兩種激光進行裝備開發(fā)、選型等存在困惑。

毫秒和納秒激光燒蝕氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板的材料去除機理和各激光加工參數(shù)對孔尺寸的影響規(guī)律,為激光陶瓷基板群孔加工的工業(yè)化應(yīng)用提供支持。

毫秒和納秒激光加工技術(shù)更加成熟,而且激光器的性能穩(wěn)定、成本較低,人們在陶瓷基板孔加工燒蝕理論與實驗探索等方面已有豐富的經(jīng)驗。然而,毫秒和納秒激光加工電子陶瓷基板表面孔的工業(yè)化應(yīng)用仍面臨巨大挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在三個方面。

1) 加工精度與加工質(zhì)量

由于毫秒和納秒激光的脈沖寬度和功率均較高,在實際加工中無法避免產(chǎn)生嚴(yán)重的熱量積累,從而會破壞加工區(qū)域材料的形貌和性能,因此加工精度和加工質(zhì)量無法做到精準(zhǔn)調(diào)控。此外,采用毫秒和納秒激光在陶瓷材料表面進行工業(yè)化大面積群孔加工時,受熱裂紋的影響,需要以犧牲加工效率的方式來保證成品基片的完整,而且可加工陶瓷基板的厚度也受到了一定限制。

2) 高深徑比微孔加工

隨著電子系統(tǒng)集成化程度的提高,微器件微結(jié)構(gòu)層出不窮,陶瓷基板表面孔的尺寸不斷減小,高深徑比微孔加工對加工方案提出了極高的要求。在幾百微米厚的陶瓷材料上加工幾十微米甚至十幾微米直徑的盲孔、通孔,且要保證孔錐度、圓度、位置精度、重鑄層厚度、孔壁粗糙度及微裂紋等符合要求,這對毫秒和納秒等非超短脈沖激光加工提出了巨大挑戰(zhàn)。

因此,當(dāng)前一些研究工作對納秒激光加工采取了與其他能場復(fù)合的方式來改進深孔加工中等離子體屏蔽帶來的問題,以達(dá)到高深徑比微孔加工的目的。如:將激光光束與水射流復(fù)合,以實現(xiàn)水助激光切割的深孔切割;采用超聲波與激光加工復(fù)合的方式,以解決深孔加工中的排屑問題。

3) 激光加工系統(tǒng)的集成化

毫秒和納秒激光在實際應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑴c加工平臺、在線檢測、機械裝備、通信系統(tǒng)和加工軟件等構(gòu)成一體化的智能化激光加工數(shù)控裝備。光學(xué)系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,激光路徑與工件運動的動態(tài)耦合,以及各部分間的通信連接和軟件系統(tǒng)都對整體裝備的集成化提出了一定要求。

近年來,超快激光的研究與應(yīng)用日趨成熟,已成為微納加工領(lǐng)域的研究熱點,其中皮秒激光在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已開始嶄露頭角。與毫秒和納秒激光相比,超短脈沖激光有著更短的脈沖寬度和更大的峰值功率,其與陶瓷材料的作用機理是一種非線性吸收的過程,同時可以超越衍射極限的特性帶來了極小的加工尺度,實現(xiàn)超精細(xì)的納米級加工。超快激光加工被稱為“冷加工”,其加工區(qū)域的熱量積累極小,有望消除孔壁上的重鑄層和微裂紋,實現(xiàn)陶瓷基板上高質(zhì)量、大面積群孔的加工。

但超快激光在陶瓷材料表面加工孔的燒蝕機理以及孔進化過程方面的研究相對較少,加之超快激光器昂貴,使用、維護條件苛刻,加工效率較低,因此其實際工業(yè)化應(yīng)用還需要一段較為漫長的過程。

除此之外,圍繞激光時空整形、雙脈沖調(diào)控、等離子體調(diào)控等方法的探索已成為另一個提高陶瓷材料表面孔加工質(zhì)量的方向。通過光路系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整(如脈沖延遲、偏振狀態(tài)調(diào)控等),結(jié)合多種加工設(shè)備(如掃描振鏡、光束整形器等),對激光焦點作用在材料上的燒蝕區(qū)域和耦合脈沖時序進行調(diào)控,可減小等離子體屏蔽效應(yīng),提高孔的深徑比。

另外,多種加工方式組合的激光復(fù)合加工也可以有效提高陶瓷表面孔的加工質(zhì)量,精準(zhǔn)調(diào)控孔形貌,如化學(xué)刻蝕激光復(fù)合加工、超聲振動激光復(fù)合加工等。激光器的發(fā)展日新月異,更短的波長和脈沖寬度、更高的功率,以及搭配集成化的系統(tǒng)和完善的加工工藝,使得毫秒和納秒激光將在陶瓷基板表面孔加工領(lǐng)域具有廣闊的前景。

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