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激光對(duì)陶瓷基板加工的重要作用有哪些?

80 2019-01-10
陶瓷基板加工

激光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中加工氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板,迄今有30多年的歷史。為了將陶瓷基板分為獨(dú)立部分,可使用激光刻劃(打鉆)一系列局部(未通)高公差孔洞。這些孔洞大約深入基板三分之一,生成后期破裂的優(yōu)先斷層線(xiàn)。使用其它技術(shù),也可以在基板上加工通路、槽孔、確定形貌和精細(xì)圖案。 由于常用陶瓷具有吸收的特性,CO2 激光器已經(jīng)成為激光器的選擇。脈沖CO2 激光器光束的能量在陶瓷表面被吸收,因此產(chǎn)生局部加熱、熔化和汽化。顯現(xiàn)出氧化鋁內(nèi)0.0045英寸劃線(xiàn)的頂視圖,表明在使用相對(duì)較長(zhǎng)脈沖期間(大約 75-300m,視厚度而定),在高斯光束能量分布圖中的低能量邊緣之下,因局部熔化造成的熱影響區(qū)域(HAZ)。

氧化鋁陶瓷板

多年以來(lái),CO2 激光器以長(zhǎng)時(shí)間班次工作時(shí),在氣體和能量方面將消耗大量資源,還要求制定維護(hù)計(jì)劃。另外,典型用于這種應(yīng)用的脈沖參數(shù)意味著密封管CO2 激光器技術(shù)不太合適。整體來(lái)說(shuō),在經(jīng)過(guò)多年大量改進(jìn)時(shí),CO2 激光器在可靠性和維護(hù)問(wèn)題方面仍然位于其它技術(shù)之后。在維護(hù)期間,這些激光器的光束質(zhì)量還是易于變化;可以達(dá)到的最小光點(diǎn)大小也易于受到長(zhǎng)波影響。單獨(dú)來(lái)講,陶瓷的激光器光束吸收特性使這種技術(shù)影響該市場(chǎng)領(lǐng)域很長(zhǎng)時(shí)間。

新劃線(xiàn)技術(shù)   

以前試圖將Nd:YAG激光器應(yīng)用于劃線(xiàn)工藝中沒(méi)有成功,因?yàn)?.064 μm的吸收太弱;沒(méi)有足夠能量沉積在表面層產(chǎn)生需要的效果。為此,Synchron Laser Service公司(位于美國(guó)密執(zhí)安州South Lyon)開(kāi)發(fā)了表面處理技術(shù),以在更短波長(zhǎng)范圍內(nèi)加強(qiáng)陶瓷對(duì)激光器光線(xiàn)的吸收。這種工藝快速并微微浸入陶瓷表面并在足夠短的距離加強(qiáng)近紅外激光器脈沖的沉積能量,以產(chǎn)生必要的熔化和汽化。將這種正在申請(qǐng)專(zhuān)利的表面處理技術(shù)和SPI Lasers(位于英國(guó)Southampton)的光纖激光器技術(shù)相組合,其實(shí)現(xiàn)的工藝性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出使用CO2 激光器所能達(dá)到的工藝性能

表面處理大大加強(qiáng)了光纖激光器光束融入到陶瓷頂部表面之內(nèi),以開(kāi)始打鉆過(guò)程。激光器脈沖與材料表面之間相互作用的加強(qiáng)動(dòng)力,結(jié)合了確保表面光點(diǎn)大小持續(xù)一致的定制高解析度光束傳遞系統(tǒng),這意味著現(xiàn)在可以在陶瓷基板實(shí)現(xiàn)更小的形貌。Synchron也考慮了一些現(xiàn)有其它激光器技術(shù),希望可以加工甚至更精細(xì)的劃線(xiàn);但結(jié)論是:沒(méi)有一種技術(shù)能以其獨(dú)特方式達(dá)到目標(biāo)速度,在一些情況下至少要慢10倍。 與CO2 激光器相比,光纖激光器展示出更佳的一致性和可靠性,可以加工更精細(xì)的形貌,包括破裂之后邊緣質(zhì)量提高三倍以上。圖5進(jìn)一步展示了可以達(dá)到的邊緣質(zhì)量,在此描述切割箭頭形狀產(chǎn)生的原邊緣。重要的是,新工藝甚至可以達(dá)到采用CO2 激光器時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)速度。 在0.0150英寸厚的氧化鋁基板上,劃線(xiàn)速度現(xiàn)在每分鐘超過(guò)1300英寸,大約是CO2 激光器的兩倍(都深入30%);但機(jī)加工速度至少是平均值,在大多數(shù)情況下速度超過(guò)CO2 激光器。根據(jù)Synchron的情況,是由于采用移動(dòng)控制系統(tǒng)而非激光器,才導(dǎo)致產(chǎn)量受限。   

氧化鋁陶瓷pcb 

可以采用這種時(shí)新的方式加工氧化鋁和氮化鋁陶瓷。采用氧化鋁時(shí),工藝限制于最多達(dá)到大約0.060英寸的基板厚度,雖然在更長(zhǎng)時(shí)間需要加工條件嚴(yán)苛應(yīng)用中的的更厚材料。更厚的基板也可以提供更多散熱,例如對(duì)于高亮度LED應(yīng)用中的情況。 氮化鋁陶瓷一般比氧化鋁更難加工,因?yàn)闊醾鲗?dǎo)性更好,因此加工要求具有成比例的更大功率。另一方面,可以達(dá)到更精細(xì)的形貌,因?yàn)橹挥泄馐淖罡呙芏炔糠植拍墚a(chǎn)生需要的工藝,而材料的高導(dǎo)熱性最低程度降低了光束能量分布圖兩側(cè)的HAZ。使用這種新方法的初步結(jié)果優(yōu)良,采用這種材料的工藝仍然可以微調(diào)

工藝改進(jìn)    

光纖激光器可以提供一系列獨(dú)特的性能,應(yīng)用于廣泛的材料加工。例如,可靠的高斯光束分布圖(TEM00)對(duì)于表面達(dá)到和維護(hù)持續(xù)一致的光點(diǎn)大小十分重要。光纖激光器在這一方面表現(xiàn)良好,所有輸出功率展示出特別優(yōu)質(zhì)的光束分布,因此允許工作距離大(獨(dú)立)。另一種優(yōu)點(diǎn)是小光點(diǎn)尺寸和優(yōu)質(zhì)光束轉(zhuǎn)換為焦點(diǎn)的高亮度光,實(shí)現(xiàn)可靠加工,精確度高,HAZ最小。光纖激光器能通過(guò)以下幾種方式共同實(shí)現(xiàn)最大程度的降低運(yùn)營(yíng)成本:降低維護(hù)成本、沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)或校準(zhǔn)要求、更長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間以及在更高產(chǎn)量時(shí)提高生產(chǎn)質(zhì)量。光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊,結(jié)實(shí)耐用,因此適合最具挑戰(zhàn)的工業(yè)環(huán)境。

Synchron的專(zhuān)有技術(shù)突破了工業(yè)中技術(shù)進(jìn)步的新領(lǐng)域,即在消費(fèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)中不能匹配其它材料的加工。行業(yè)巨頭相對(duì)較少,一方面競(jìng)爭(zhēng)成本高,另一方面還需要對(duì)客戶(hù)需求保持靈活變化,面對(duì)這種境況,任何工藝進(jìn)步都可能導(dǎo)致贏(yíng)得重要市場(chǎng)。    組合光纖激光器和專(zhuān)有表面修改工藝實(shí)現(xiàn)的形貌尺寸降低,為電子產(chǎn)品級(jí)陶瓷加工更精細(xì)劃線(xiàn)開(kāi)啟了大門(mén),每月產(chǎn)量通常超過(guò)1000萬(wàn)件,輕松滿(mǎn)足蜂窩式電話(huà)和音樂(lè)播放器以及用于背光和汽車(chē)應(yīng)用的高密度LED的大規(guī)模消費(fèi)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。事實(shí)上,一些工業(yè)正在要求陶瓷基板孔洞<0.003英寸,精確度優(yōu)于0.0005英寸,采用CO2 激光器不容易達(dá)到這種解析度,但是Synchron的新方法已經(jīng)在大規(guī)模生產(chǎn)中達(dá)到這種水平(圖6)。    表面處理可以采用噴涂、浸入或輥壓,不需要大量烘干時(shí)間。應(yīng)用陶瓷表面處理不會(huì)增加其它工藝步驟,因?yàn)橐恍╊?lèi)型的涂布步驟(通常是防飛濺層)對(duì)于已經(jīng)建立的CO2 加工工藝比較常見(jiàn)。另外,新工藝產(chǎn)生的殘余物活性更低,數(shù)量更少,只會(huì)消除飛濺問(wèn)題。

以更高速度加工陶瓷基板更精細(xì)的形貌,在設(shè)計(jì)、性能和成本方面為電子工業(yè)帶來(lái)了優(yōu)點(diǎn)。光纖激光器可以幫助在可行的競(jìng)爭(zhēng)要求的重要標(biāo)準(zhǔn)之中達(dá)到更好平衡:通常是有效光學(xué)性能、工藝靈活性、高產(chǎn)量、長(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)正常運(yùn)行以及可靠性。對(duì)于Synchron的情況,光纖激光器有助于確保達(dá)到以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的陶瓷加工性能水平。更多陶瓷基板的工藝需求可以咨詢(xún)金瑞欣特種電路。

 


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