白軍信 李宏杰

(西京電氣總公司 西安 710065)

前言

α-96%Al2O3陶瓷基板作為一種電子陶瓷，具有耐高溫、耐高壓、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于厚膜混合集成電路等產(chǎn)品中。

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，需要將陶瓷基板按要求制作成一定的尺寸和形狀，同時(shí)要保證產(chǎn)品尺寸精度。主要方法有：模具的生坯沖壓法；陶瓷基片的激光加工法，這兩種加工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

生坯沖壓法是根據(jù)陶瓷生帶的收縮率，按照產(chǎn)品形狀要求制作相應(yīng)的模具，先對(duì)陶瓷生帶進(jìn)行沖壓，再進(jìn)行燒結(jié)，這種方法生產(chǎn)成本低，適用于大批量生產(chǎn)，但受產(chǎn)品收縮率和燒結(jié)溫度的穩(wěn)定性不足的影響，產(chǎn)品的尺寸精度往往難以保證，且加工周期長(zhǎng)。

激光加工法則是按照產(chǎn)品外形尺寸直接對(duì)陶瓷基片進(jìn)行劃線和切割等。這種加工方法精度高，速度快，適用于小批量、多品種產(chǎn)品的加工和新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)，但單位產(chǎn)品加工成本較高。

筆者以下主要介紹V500型CO2激光機(jī)及其加工Al2O3電子陶瓷基板的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

1 V500型CO2激光機(jī)簡(jiǎn)介

V500型是一種大功率CO2激光機(jī)，由美國(guó)LUMONICS公司設(shè)計(jì)制造，設(shè)備輸入功率為10 kVA，輸出激光功率為475 W，波長(zhǎng)為10.6 μm，激光束最小直徑為0.08 mm，是加工Al2O3電子陶瓷基板的理想設(shè)備。它由激光源、加工平臺(tái)和計(jì)算機(jī)控制3部分組成。其中激光源部分包括3個(gè)基本的單元，即光學(xué)共振腔、活性激光介質(zhì)和激振源，其光學(xué)共振腔如圖1所示。

光學(xué)共振腔由3個(gè)光通道組成，共包含6根等離子體發(fā)射管(等離子管為密封雙層玻璃管，中間為激光介質(zhì)，夾層為高壓冷卻油)，其形狀為“Z”形結(jié)構(gòu)，共振腔包含有4個(gè)光學(xué)表面鏡(反射鏡)，其中右上方為輸出鏡(也叫前鏡)，左下方為后鏡。

光學(xué)共振腔的前后鏡之間注入了激光介質(zhì)，輸出鏡部分反射，激光由此輸出；后鏡幾乎全反射，由此輸出的少部分能量用于對(duì)激光輸出功率的測(cè)量；中間的兩個(gè)鏡為全反射。輸出鏡和后鏡的反射角度可以通過(guò)微型電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 光學(xué)共振腔示意圖

等離子體發(fā)射管是把電子能轉(zhuǎn)換為光能的場(chǎng)所，在等離子體發(fā)射管中的混合氣體吸收電子發(fā)射能,并把它轉(zhuǎn)換為光能。

2 激光加工原理及影響激光加工質(zhì)量的因素

2.1 激光加工原理

激光加工陶瓷基片是利用高能激光束作用于其表面，使其吸收激光能量而瞬間發(fā)生熔融、汽化，從而達(dá)到對(duì)其進(jìn)行劃線和切割的目的。

2.2 影響激光加工質(zhì)量的因素

影響激光加工的主要因素是激光輸出功率和激光束的質(zhì)量，這些因素主要取決于光學(xué)共振腔、激光光路及激光聚焦等。

如前所述，光學(xué)共振腔是產(chǎn)生激光的場(chǎng)所，因此，等離子體管內(nèi)的激光介質(zhì)的成分比例和氣壓、“Z”形結(jié)構(gòu)中3部分光路的直線性、4個(gè)反射鏡的曲度和角度、高壓控制系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等都決定和影響著激光輸出功率和激光束的質(zhì)量。V500型激光機(jī)使用固定的共振腔設(shè)計(jì)技術(shù)，激光輸出為“DOT”或“TEM00”模型，具有較高的峰值。對(duì)于共振腔的調(diào)節(jié)，要求在最小的電流時(shí)，能有最大限度的功率輸出，且輸出激光束的形狀要盡可能接近圓形，這樣的光束質(zhì)量最佳。換句話說(shuō)，當(dāng)輸出激光束的形狀接近實(shí)心圓形形狀時(shí)，其加工效果最好。這2種激光加工陶瓷基片所形成的孔型的示意圖如圖2所示。

(a) (b)

從圖2可以看出，激光作用于陶瓷基片所形成的孔的深寬比越大，其加工效果就越好。

3 V500型CO2激光系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

要確保激光系統(tǒng)高效工作，必須對(duì)激光系統(tǒng)進(jìn)行以下幾方面的調(diào)節(jié)：

1)真空系統(tǒng)。光學(xué)共振腔注入激光介質(zhì)前，必須保證其真空度要小于8 mBar。

2)激光介質(zhì)。光學(xué)共振腔內(nèi)激光介質(zhì)由CO2、N2和He這3種氣體混合而成，通過(guò)流量開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)，控制其輸入比例接近5%∶15%∶80%。

3)激光系統(tǒng)光路。激光系統(tǒng)光路的矯直是一件極其復(fù)雜而細(xì)致的工作，光路的直線性是激光機(jī)正常工作的根本保證。首先通過(guò)對(duì)光學(xué)共振腔內(nèi)輸出鏡和后鏡的調(diào)節(jié)，保證其最大能量的輸出，并具有最為完整接近圓形的輸出光斑。其次調(diào)節(jié)機(jī)外光路反射鏡，使激光傳輸至工作臺(tái)面，且輸出激光光斑形狀保持不變。

4)在實(shí)施加工前，還要確保激光設(shè)備冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 加工技術(shù)

陶瓷基片對(duì)于10.6 μm的激光輻射吸收強(qiáng)烈，能量利用率較高，而對(duì)于1.06 nm的激光輻射反射強(qiáng)烈，加工效率低，因此CO2激光機(jī)是加工陶瓷基片的最佳設(shè)備。

1)為了確保不同方向(如橫向、豎向等)加工尺寸的一致性及基片斷面的光滑平整，要求激光束必須盡量調(diào)節(jié)至光束呈垂直狀態(tài)(見(jiàn)圖2)。

2)在激光加工過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)節(jié)激光脈沖的寬度、高度和輸出功率來(lái)調(diào)節(jié)加工的深度。同時(shí)，對(duì)于不同厚度的基片，在加工時(shí)，需要調(diào)節(jié)激光加工焦距，即對(duì)激光輸出口的高度進(jìn)行微調(diào)，以保證加工時(shí)最合適的焦距。

3)為了改善劃線的可掰性和切割的效果，可以通過(guò)設(shè)置不同的加工速度來(lái)保證。在相同條件下，加工速度越慢，作用于基片的激光脈沖點(diǎn)就越密，劃線后的基片越容易分離；反之，則激光脈沖點(diǎn)就越疏。在實(shí)際加工中應(yīng)視基片的厚度、單片尺寸的大小以及激光設(shè)備的狀態(tài)來(lái)確定加工的速度。一般情況下，當(dāng)基片越厚、尺寸越小或激光狀態(tài)較差時(shí)，應(yīng)該將加工速度設(shè)置慢些。

4)激光輸出口(位于激光聚焦鏡下)所配置的壓縮空氣，其作用主要是對(duì)被加工部位進(jìn)行快速冷卻并吹散熔融物，其壓力也對(duì)加工效果有一定的影響。

激光加工陶瓷基片包括劃線和切割兩種方式。對(duì)于不同的方式，有不同的參數(shù)和加工工藝。

4.1 劃線

劃線時(shí)激光設(shè)置為脈沖輸出，一般設(shè)置輸出脈沖頻率為500～1 000 Hz，速度為50～200 mm/s。

陶瓷基片厚度一般在0.4～1.2 mm，激光劃線深度一般要求達(dá)到基片厚度的1/4至1/3，劃線較淺時(shí)不容易分片，過(guò)深時(shí)容易造成在印刷時(shí)碎裂。

由于受毛刺的影響，基片在分開(kāi)后，其外形尺寸一定會(huì)大于設(shè)定尺寸，特別是對(duì)于較厚的基片，由于其毛刺較大，因而其尺寸超差就會(huì)越大，為了保證多聯(lián)片分開(kāi)后單片的外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求，在編程時(shí)要對(duì)原圖紙單片尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s小(根據(jù)聯(lián)片的多少和基片厚度不同，尺寸為0.02～0.08 mm)，但必須保證整個(gè)聯(lián)片的外形尺寸在要求的公差范圍內(nèi)。

4.2 切割或打孔

切割時(shí)脈沖頻率為1 000～2 000 Hz，速度為2～10 mm/s。頻率越高、脈寬越寬，切割深度效果就越好。當(dāng)激光頻率和脈寬設(shè)定合適時(shí)，切割斷面就會(huì)越光滑。

為了保證切割效果，必須采取以下措施：

1)在激光輸出部位加裝一個(gè)專(zhuān)用的錐形激光嘴，用于增強(qiáng)切割部位壓縮空氣的壓力。其作用主要是對(duì)加工部位迅速冷卻，并且立即清除熔融物。如果不能保證合適的空氣壓力，則會(huì)使陶瓷基片因?yàn)樯釂?wèn)題而破裂，同時(shí)使本來(lái)已經(jīng)熔融的部分陶瓷物質(zhì)不能迅速脫離基片，導(dǎo)致本來(lái)已經(jīng)切割開(kāi)的2個(gè)面又重新粘連在一起。

2)要保證整個(gè)切割部位懸空，即切割部位下面不能直接與加工平臺(tái)相接觸，應(yīng)該具有5 mm以上的懸空距離，并且該部分空間必須保證壓縮空氣的流通和熔融物易于排出。

3)如果單位面積基片上打孔或切割密度過(guò)大，則要控制好激光輸出參數(shù)、加工速度以及壓縮空氣的壓力，否則容易導(dǎo)致基片的破裂。

4.3 切割和劃線

一般情況下，凡是需要進(jìn)行切割或打孔的基片，都需要通過(guò)劃線使其分離來(lái)保證其外形尺寸，以滿(mǎn)足使用要求。在加工這類(lèi)基片時(shí)，除了劃線和切割的參數(shù)(脈沖頻率、脈寬、速度)設(shè)置不同外，其余如激光焦距、激光嘴的安裝以及壓縮空氣的壓力均應(yīng)在加工之前調(diào)節(jié)好。

由于激光加工時(shí)，使陶瓷基片瞬間熔融蒸發(fā)，蒸發(fā)的陶瓷物質(zhì)很快會(huì)凝聚在聚焦鏡片及相關(guān)部件下部，造成鏡片的污染，因此，必須定時(shí)對(duì)聚焦鏡進(jìn)行清理。

5 結(jié)語(yǔ)

影響激光加工陶瓷基片的因素很多，在實(shí)際加工過(guò)程中可能會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。因此，首先要使激光設(shè)備始終保持在良好的工作狀態(tài)，同時(shí)對(duì)于不同厚度、尺寸、形狀要求的基片，要根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)調(diào)節(jié)不同的參數(shù)和條件，來(lái)滿(mǎn)足加工的要求。