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紫外激光切割技術(shù)在高端產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2018-07-13 來(lái)源:元祿光電

隨著消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)需求量大幅增加,產(chǎn)品小型化、快速化及零件價(jià)格高昂,傳統(tǒng)加工方式已經(jīng)無(wú)法滿足客戶對(duì)精度和良率的更高的要求,激光切割技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。伴隨著紫外激光器的逐漸成熟,且穩(wěn)定度增加,激光加工產(chǎn)業(yè)已從紅外激光轉(zhuǎn)向紫外激光。同時(shí),也因?yàn)樽贤饧す馄鞯膽?yīng)用越來(lái)越普及,使得激光應(yīng)用邁向更廣闊的領(lǐng)域。

 

激光經(jīng)過(guò)聚焦后照射到材料上,使被切割材料溫度急速升高,然后使之熔化或汽化。隨著激光與被切割材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在切割材料上形成切縫從而達(dá)到切割的目的。傳統(tǒng)二氧化碳(CO2)激光切割由于光斑大、熱影響范圍大、切邊不平滑、發(fā)黑,因此主要用于木材、布料、塑料及較厚的金屬材料加工,而且熱效應(yīng)較大。在切割更精密的材料時(shí)通常選擇紫外激光作為切割光源,與YAGCO2激光通過(guò)熱效應(yīng)來(lái)切割不同,紫外激光直接破壞被加工材料的化學(xué)鍵,從而達(dá)到切割目的, 這是一個(gè)“冷”過(guò)程,熱影響區(qū)域??;另外紫外激光的波長(zhǎng)短、能量集中,切縫寬度小,因此在精密切割和微加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

 

激光切割的切縫寬度同光束模式、偏振性和聚焦后光斑直徑有直接的關(guān)系。實(shí)際切割中采用TEM00模,圓偏振,但激光的模式通常都并非理想的基模,當(dāng)功率增大或者使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化。光斑直徑是指光強(qiáng)降落到中心值的1/e2的點(diǎn)所確定的范圍,這個(gè)范圍內(nèi)包含了光束能量的86.5%,理想情況下直徑范圍內(nèi)的激光可以實(shí)現(xiàn)切割,范圍外的不與材料發(fā)生作用,則切縫寬度等于光斑直徑。但實(shí)際中由于材料的導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等參數(shù)的不同,以及激光功率的變化,切縫寬度是不等于光斑直徑的,它們的關(guān)系要依據(jù)激光能量的輸入和材料性質(zhì)而定。但在絕大多數(shù)情況下,切縫寬度是略大于光斑直徑,減小光斑直徑,就減小了切縫的寬度。

 

在激光切割中,聚焦后的光斑直徑當(dāng)然是越小越好,這樣切縫寬度就會(huì)越小,相同的條件下就可以使晶圓做到更高的集成度。設(shè)激光的束腰半徑為ω0,光束質(zhì)量因子為M2,激光波長(zhǎng)為λ,聚焦鏡焦距為f,擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直倍率為A,由激光原理可得激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡后和聚焦鏡后,束腰半徑和焦深分別為:

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式中激光的波長(zhǎng)λ和光束質(zhì)量因子M2由激光器來(lái)決定,可以選擇短波長(zhǎng)和較小M2的激光器來(lái)減小光斑尺寸,另一方面通過(guò)減小聚焦鏡的焦距和調(diào)整擴(kuò)束鏡倍數(shù)來(lái)得到較小的光斑尺寸。但是減小聚焦鏡焦距的同時(shí)焦深會(huì)縮短,不過(guò)在劃片切割時(shí)并不需要太大的焦深,只有當(dāng)穿透切割較厚的晶圓時(shí)需要考慮焦深的問(wèn)題,因此要根據(jù)實(shí)際要求合理地選擇聚焦鏡焦距和擴(kuò)束鏡倍數(shù)。因此紫外激光可達(dá)到更小的光斑(幾個(gè)微米),切割道更窄、熱影響范圍小、切邊平滑,且因?yàn)槊}沖能量高,可對(duì)物體進(jìn)行離子化式切割,故可切割高反射材料。

 

激光的工作模式有兩種,第一種為被加工物放置在XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,激光聚焦后直接加工;第二種為被加工物加工時(shí)不移動(dòng),激光通過(guò)振鏡移動(dòng),在被加工物表面進(jìn)行加工。如圖1所示,圖1(a)因?yàn)榭刹捎媒咕噍^短的聚焦鏡,因此可達(dá)到較小的光斑直徑;圖1(b)因?yàn)檎耒R的運(yùn)動(dòng)速度較平臺(tái)的移動(dòng)速度快,搭配XY移動(dòng)平臺(tái),搭配切割圖檔分圖的技術(shù),可將激光應(yīng)用范圍由打標(biāo)拓展出更廣的應(yīng)用,但由于紫外激光的光斑較小,因此在振鏡及平臺(tái)的精度控制需要達(dá)到微米級(jí)的要求。

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元祿光電一直致力于精密激光切割領(lǐng)域,結(jié)合精密控制與激光加工工藝發(fā)展多種精密切割設(shè)備,經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,具有多項(xiàng)專利技術(shù)及各式精密激光加工設(shè)備。下文將針對(duì)紫外激光切割機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用做一簡(jiǎn)單介紹。

 

紫外激光晶圓切割

藍(lán)寶石基板表面堅(jiān)硬,一般刀輪很難對(duì)其進(jìn)行切割,且磨耗大,良率低,切割道更大于30 μm,不僅降低了使用面積,而且減少了產(chǎn)品的產(chǎn)量。在藍(lán)白光LED產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下,藍(lán)寶石基板晶圓切割的需求量大增,對(duì)提高生產(chǎn)率、成品合格率提出了更高的要求。元祿光電經(jīng)過(guò)多年大力研發(fā)激光晶圓切割機(jī),現(xiàn)可獲得更窄的切割光斑,精準(zhǔn)的定位及高速度的切割,可為市場(chǎng)上提供更多的選擇。效果圖見(jiàn)圖2。

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紫外激光陶瓷切割

陶瓷在人類歷史中一直占據(jù)重要的角色,從日用品、裝飾用品到工業(yè)應(yīng)用,都可看到它的足跡。上個(gè)世紀(jì)電子陶瓷應(yīng)用逐漸成熟,應(yīng)用范圍更廣,例如散熱基板、壓電材料、電阻、半導(dǎo)體應(yīng)用、生物應(yīng)用等,除了傳統(tǒng)的陶瓷加工工藝外,陶瓷加工也因應(yīng)用種類的增加,進(jìn)而進(jìn)入了激光加工領(lǐng)域。按照陶瓷的材料種類可分為功能陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷及生物陶瓷。可用于加工陶瓷的激光有CO2激光、YAG激光、綠光激光等,但是隨著元器件逐漸小型化,例如陶瓷電阻由0204的尺寸縮小到01005,以及YAG激光或光纖激光加工已經(jīng)無(wú)法滿足其要求,因此紫外激光加工成為必要的加工方式,他可對(duì)多類陶瓷進(jìn)行加工。CO2激光加工與紫外激光加工的陶瓷切割效果對(duì)比圖見(jiàn)圖3。

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紫外激光玻璃切割

除了上述的應(yīng)用外,紫外激光的應(yīng)用在智能型手機(jī)崛起的帶動(dòng)下,也逐漸有了發(fā)展的空間。過(guò)去因?yàn)槭謾C(jī)的功能不多,而且激光加工的成本高昂,激光加工在手機(jī)的市場(chǎng)中占有的地位并不多,但是現(xiàn)在智能型手機(jī)的功能多,整合性高,在有限的空間內(nèi)要整合數(shù)十種的傳感器及上百個(gè)功能器件,且組件成本高,因此對(duì)于精度、良率及加工要求均大大增加,紫外激光在手機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展出多種應(yīng)用。

 

手機(jī)玻璃的主要應(yīng)用分為兩部份:手機(jī)面板玻璃和ITO玻璃。現(xiàn)在手機(jī)玻璃仍是采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方式,隨著玻璃的厚度越來(lái)越薄,表面強(qiáng)度越來(lái)越高,機(jī)械加工逐漸產(chǎn)生瓶頸,而激光加工對(duì)于薄玻璃的處理較機(jī)械加工有優(yōu)勢(shì),除了加工速度快,非接觸加工,對(duì)玻璃表面不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,木森科技在玻璃加工投入大量研發(fā),可加工主流玻璃廠的高強(qiáng)化玻璃,可在中國(guó)及臺(tái)灣兩地同時(shí)進(jìn)行開發(fā)工藝,縮短開發(fā)時(shí)程,見(jiàn)圖45。

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紫外激光ITO干蝕刻

智能型手機(jī)的最大特色就是觸屏的功能,電容式觸摸屏可以做到多點(diǎn)觸控,對(duì)應(yīng)電阻式觸摸屏,其壽命更長(zhǎng)、反應(yīng)更快,因此電容式觸摸屏已成為智能型手機(jī)選擇的主流。圖6為紫外激光蝕刻ITO線路。

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過(guò)去ITO線路的蝕刻采用的方式為濕蝕刻的方式,采用黃光制程制作線路,再經(jīng)由蝕刻液去除表面的ITO膜形成線路,不但耗時(shí)且造成污染。采用紫外激光切割具有下列特點(diǎn):

 

 1) 品質(zhì)佳:采用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的紫外雷射器,具有光束質(zhì)量好、聚焦光斑小、功率分布均勻、熱效應(yīng)小、切縫寬度小、切割品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn);

 

 2) 精度高:配合高精度的振鏡和平臺(tái),精度控制在微米量級(jí);

 

 3)無(wú)污染:以激光將ITO移除,無(wú)化學(xué)藥劑,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,對(duì)操作人員無(wú)危害,環(huán)保安全;

 

 4) 速度快 :直接將CAD圖形加載后即可作業(yè),不須曝光顯影等制程,免除光罩制作費(fèi)用及時(shí)間,加快開發(fā)速度;

 

 5) 低成本:不需要黃光及濕制程設(shè)備,較原有濕制程生產(chǎn)線降低超過(guò)30%建置成本,生產(chǎn)過(guò)程無(wú)其他耗材,降低生產(chǎn)成本。

 

紫外激光線路板切割

線路板采用激光進(jìn)行切割最早是用于柔性線路板切割,因?yàn)榫€路板的種類繁多,早期加工均采用模具成型,但是模具的制作費(fèi)用高昂且制作周期長(zhǎng),因此采用紫外激光加工可以免去模具制作的成本及周期,大幅度提升樣品制作的時(shí)間。但是由于過(guò)去紫外激光的功率低及價(jià)格高昂,用于印刷線路板的應(yīng)用較少,同時(shí)印刷線路板的制作精度要求不高,因此紫外激光在印刷線路板的加工一直無(wú)法突破。

 

元祿光電自成立以來(lái)致力發(fā)展紫外激光線路板切割機(jī),解決了紫外激光無(wú)法應(yīng)用于印刷線路板切割的瓶頸,速度快,精度高,切割邊緣非常平滑及極小的熱影響區(qū),并大幅度提高客戶良率,使印刷線路板加工成本大大降低。效果圖見(jiàn)圖7

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21世紀(jì)是光的時(shí)代,激光應(yīng)用隨著光學(xué)系統(tǒng)及激光器的發(fā)展一日千里,紫外激光已從過(guò)去的價(jià)格高昂,研究單位才用的狀況發(fā)展至今,已可以實(shí)現(xiàn)到工業(yè)化應(yīng)用。紫外激光未來(lái)的發(fā)展前景十分可觀。


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