摘 要：為探究采用液體輔助加工技術(shù)提高飛秒激光直沖式盲孔加工質(zhì)量的可行性，作者設(shè)計(jì)了一種液體輔助激光加工裝置。結(jié)果表明: 在鹽酸乙醇混合溶液中進(jìn)行直沖式盲孔加工，加工出的盲孔孔形相對(duì)規(guī)整，孔口和側(cè)壁的形貌質(zhì)量較高。液體輔助激光加工是提高氮化鋁陶瓷飛秒激光直沖式盲孔加工質(zhì)量的一種有效方法。
氮化鋁陶瓷是一種性能優(yōu)異的陶瓷材料，具有硬度高、禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高以及電阻率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為微電子器件制造等領(lǐng)域的理想材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、5G 通信和大功率半導(dǎo)體等領(lǐng)域。
攝于旭瓷北瓷展臺(tái)
高密度的微孔陣列是微電子器件的核心結(jié)構(gòu)之一，其提供了高密度的內(nèi)部電路互連。氮化鋁陶瓷基板的微孔加工質(zhì)量對(duì)微電子器件的性能起到重要的作用。氮化鋁陶瓷是一種典型的硬脆材料，目前主要有機(jī)械加工、化學(xué)刻蝕和等離子體加工等方法。
機(jī)械加工使用的微型鉆頭極易造成陶瓷基板的斷裂，化學(xué)刻蝕和等離子體加工等特殊加工方式存在加工設(shè)備復(fù)雜和加工效率低等問題。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，飛秒激光因其熱效應(yīng)低、精度高、非接觸加工和加工路徑可控等優(yōu)點(diǎn)成為氮化鋁陶瓷硬脆材料打孔的優(yōu)良工具。
圖 激光切割機(jī) 來源：德中技術(shù)
激光打孔是將極高能量密度的激光聚焦在陶瓷材料表面，以燒蝕的方式去除材料，然而加工出的盲孔會(huì)存在諸如熔濺物堆積、重鑄層附著、孔彎曲以及孔底分叉等缺陷。相比于空氣環(huán)境下的激光燒蝕，液體環(huán)境中的激光加工因其產(chǎn)生液體沖擊等效應(yīng)具有潛在優(yōu)勢(shì)。
實(shí)驗(yàn)在優(yōu)化后的盲孔激光加工參數(shù)基礎(chǔ)上，通過引入液體輔助加工技術(shù)探究提高飛秒激光直沖式盲孔加工質(zhì)量的可行性。為加強(qiáng)陶瓷基板及其封裝行業(yè)上下游交流聯(lián)動(dòng)，艾邦建有陶瓷基板產(chǎn)業(yè)群，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加入。
1 實(shí)驗(yàn)材料和裝置
氮化鋁陶瓷是一種灰白色的硬脆陶瓷材料，實(shí)驗(yàn)中使用的由氮化鋁粉末燒制而成。實(shí)驗(yàn)使用的飛秒激光直寫系統(tǒng)主要由飛秒激光、光束調(diào)制系統(tǒng)和三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成。
由于所使用的激光為紅外飛秒激光，輔助加工液體對(duì)紅外激光的吸收程度較高，故液層的厚度需要控制在相對(duì)較小的范圍之內(nèi)。考慮到較小厚度的液層控制難度較高，故需要單獨(dú)的輔助加工系統(tǒng)對(duì)液層厚度進(jìn)行控制，液體輔助加工系統(tǒng)如圖 1 所示。
圖1 液體輔助加工系統(tǒng)
液體會(huì)吸收部分激光能量，如果液層厚度過大，激光能量將會(huì)被液體完全吸收從而不會(huì)對(duì)氮化鋁陶瓷形成有效燒蝕。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，0.3mm 厚度的液層在保證了對(duì)激光加工起到輔助作用的同時(shí)還能盡可能的降低對(duì)激光能量的吸收。
為防止被激光加工后表面產(chǎn)生的雜質(zhì)影響，對(duì)加工后的表面依次使用無水乙醇和去離子水進(jìn)行超聲清洗并烘干備用。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1 不同加工環(huán)境對(duì)盲孔尺寸的影響
圖 2 所示為不同加工環(huán)境對(duì)飛秒激光氮化鋁陶瓷直沖式盲孔加工的影響。
由圖 2(a) 可知，在液體輔助的加工環(huán)境下的盲孔孔口直徑普遍大于在空氣中直接加工的盲孔。在液體環(huán)境的輔助作用下，阻礙激光加工的因素均得到不同程度的抑制，液體的加工環(huán)境和其自帶的冷卻作用會(huì)進(jìn)一步抑制高溫等離子體對(duì)激光加工的影響，從而使更多的激光能量被直接作用于孔口，孔口直徑變大。
不同的加工環(huán)境不僅影響孔口直徑，還影響盲孔深度。圖 2(b) 所示為不同加工環(huán)境對(duì)盲孔孔深的影響。由圖可知在不同的加工環(huán)境下，盲孔的孔深均隨著脈沖數(shù)的增大而增大，直至孔深增大速率減慢，孔深趨于定值。在液體輔助加工的條件下，激光穿透液體時(shí)會(huì)有部分激光能量被液體吸收，從而使得作用在氮化鋁陶瓷表面的能量有所減少，降低了盲孔的深度。
2.2 不同加工環(huán)境對(duì)盲孔孔口形貌的影響
當(dāng)脈沖數(shù)較高時(shí)，激光與液體的作用時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)生的微氣泡數(shù)量增多，微氣泡的輔助作用持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，可以及時(shí)去除加工熔濺物。同時(shí)，較長(zhǎng)的加工時(shí)間，使得激光在液體中發(fā)生了自聚焦現(xiàn)象，從而使得盲孔得到了一定的孔形修正，最終使得盲孔在孔口直徑增大的同時(shí)趨于圓形。
圖 3 不同加工環(huán)境對(duì)盲孔孔口形貌的影響
2.3 不同加工環(huán)境對(duì)盲孔側(cè)壁形貌的影響
在液體環(huán)境中加工時(shí)，由于液體能吸收激光及激光能量，使得作用在氮化鋁陶瓷上的激光能量大大減少，最終導(dǎo)致盲孔孔深減小。
圖 4 不同加工環(huán)境對(duì)盲孔側(cè)壁形貌的影響
綜上可得：在加工質(zhì)量方面，75% 乙醇溶液和鹽酸乙醇混合溶液輔助加工的盲孔具有孔形趨于圓形、孔口無熔濺物堆積、側(cè)壁無重鑄層附著、內(nèi)壁無組織分區(qū)以及孔底無分叉等優(yōu)勢(shì)，相較于在空氣中和純水中加工的盲孔質(zhì)量更為優(yōu)秀；在加工效率方面，受到所使用的激光種類的影響，液體輔助加工中液層的厚度難以精準(zhǔn)控制，溶液種類和配比的選擇較為麻煩，加工后的液體需要經(jīng)常更換以保證成分比例的精準(zhǔn)，影響加工效率，因此在空氣中加工效率更高。
3 結(jié)語
實(shí)驗(yàn)表明液體輔助激光加工可以改善氮化鋁陶瓷盲孔的加工質(zhì)量，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，未來可以在液體種類和液層厚度控制等方面繼續(xù)探索，以優(yōu)化液體輔助激光盲孔加工技術(shù)。
為加強(qiáng)陶瓷基板及其封裝行業(yè)上下游交流聯(lián)動(dòng)，艾邦建有陶瓷基板產(chǎn)業(yè)群，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加入。
長(zhǎng)按識(shí)別二維碼關(guān)注公眾號(hào)，點(diǎn)擊下方菜單欄左側(cè)“微信群”，申請(qǐng)加入群聊
參考文獻(xiàn)：DOI: 10.3969/j.issn.1005-2895.2023.06.012
推薦活動(dòng)：【邀請(qǐng)函】2024年半導(dǎo)體陶瓷產(chǎn)業(yè)論壇（2024年4月12日·泉州）
2024年半導(dǎo)體陶瓷產(chǎn)業(yè)論壇
The Semiconductor Ceramics Industry Forum
2024年4月12日
泉州
一、暫定議題
序號(hào) | 暫定議題 | 擬邀請(qǐng)企業(yè) |
1 | 半導(dǎo)體設(shè)備及陶瓷零部件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) | 擬邀請(qǐng)?zhí)沾闪悴考髽I(yè)/高校研究所 |
2 | 半導(dǎo)體用高超精密陶瓷部件研制與應(yīng)用 | 擬邀請(qǐng)?zhí)沾闪悴考髽I(yè)/高校研究所 |
3 | 半導(dǎo)體引線鍵合用陶瓷劈刀制備技術(shù) | 擬邀請(qǐng)劈刀企業(yè)/高校研究所 |
4 | 大功率電力電子器件用陶瓷封裝基板的研究進(jìn)展 | 擬邀請(qǐng)?zhí)沾苫迤髽I(yè)/高校研究所 |
5 | 第三代功率半導(dǎo)體封裝用AMB陶瓷覆銅基板 | 擬邀請(qǐng)AMB企業(yè)/高校研究所 |
6 | 多孔陶瓷的研究進(jìn)展及在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用 | 擬邀請(qǐng)多孔陶瓷企業(yè)/高校研究所 |
7 | LTCC技術(shù)在半導(dǎo)體晶圓探針卡中的應(yīng)用 | 擬邀請(qǐng)?zhí)结樋ㄆ髽I(yè)/高校研究所 |
8 | CVD用絕緣高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷加熱器的研發(fā) | 擬邀請(qǐng)?zhí)沾杉訜岜P企業(yè)/高校研究所 |
9 | 耐等離子腐蝕的氧化釔陶瓷的開發(fā)與應(yīng)用 | 擬邀請(qǐng)氧化釔陶瓷企業(yè)/高校研究所 |
10 | 高強(qiáng)度高耐磨的氮化硅陶瓷材料的開發(fā) | 擬邀請(qǐng)氮化硅陶瓷企業(yè)/高校研究所 |
11 | 碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件在集成電路制造關(guān)鍵裝備中的應(yīng)用 | 擬邀請(qǐng)?zhí)蓟杼沾善髽I(yè)/高校研究所 |
12 | 半導(dǎo)體裝備用陶瓷靜電卡盤關(guān)鍵技術(shù) | 擬邀請(qǐng)靜電卡盤企業(yè)/高校研究所 |
13 | 高純氧化鋁陶瓷制備工藝及其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用 | 擬邀請(qǐng)氧化鋁陶瓷企業(yè)/高校研究所 |
14 | 真空釬焊設(shè)備在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用 | 擬邀請(qǐng)真空釬焊企業(yè)/高校研究所 |
15 | 高精度復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷制備工藝研究 | 擬邀請(qǐng)?zhí)蓟杼沾善髽I(yè)/高校研究所 |
16 | 半導(dǎo)體設(shè)備用陶瓷的成型工藝技術(shù) | 擬邀請(qǐng)成型設(shè)備企業(yè)/高校研究所 |
17 | 高強(qiáng)度氮化硅粉體制備工藝技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化 | 擬邀請(qǐng)氮化硅粉體企業(yè)/高校研究所 |
18 | 高性能氮化鋁粉體連續(xù)式生產(chǎn)關(guān)鍵工藝技術(shù) | 擬邀請(qǐng)氮化鋁粉體企業(yè)/高校研究所 |
19 | 覆銅陶瓷基板的失效機(jī)理分析及可靠性設(shè)計(jì) | 擬邀請(qǐng)?zhí)沾苫迤髽I(yè)/高校研究所 |
20 | 特種陶瓷高溫?zé)Y(jié)工藝技術(shù) | 擬邀請(qǐng)熱工裝備企業(yè)/高校研究所 |
21 | 半導(dǎo)體設(shè)備用陶瓷零部件表面處理技術(shù) | 擬邀請(qǐng)表面處理/陶瓷零部件企業(yè) |
二、報(bào)名方式
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦陶瓷展）：?液體輔助氮化鋁陶瓷飛秒激光直沖式盲孔加工
長(zhǎng)按識(shí)別二維碼關(guān)注公眾號(hào)，點(diǎn)擊下方菜單欄左側(cè)“微信群”，申請(qǐng)加入交流群。
