陶瓷封裝激光打標(biāo)工藝研究

陳 陶，郭 偉

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

打標(biāo)是在工件表面打出各種文字、符號、圖案等，以制作永久性商標(biāo)、標(biāo)記，是生產(chǎn)工藝中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)。激光打標(biāo)屬于一種非接觸的打標(biāo)方式，與傳統(tǒng)的電化學(xué)、機(jī)械等標(biāo)記方法相比，具有無污染、高速度、高質(zhì)量、靈活性大、不接觸工件等優(yōu)點。因此，激光打標(biāo)已成為激光的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。本文研究的是基于陶瓷封裝過程中鍍鎳柯伐蓋板表面的激光打標(biāo)參數(shù)，為高質(zhì)量的打標(biāo)效果提供參考。

2 激光打標(biāo)機(jī)原理及系統(tǒng)

2.1 激光打標(biāo)機(jī)原理

激光打標(biāo)機(jī)是利用激光與物質(zhì)相互作用的特殊效應(yīng)，在材料表面加工出所需要的字符、圖案。當(dāng)激光束照射材料表面時，除一部分光被反射外，被材料吸收的激光能量會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使其表層溫度急劇上升，?dāng)達(dá)到材料的汽化溫度時，材料表面因瞬時汽化、蒸發(fā)而出現(xiàn)標(biāo)記痕跡。

激光波長與相應(yīng)光吸收的關(guān)系如圖1所示。我們一般按激光波長的不同將激光打標(biāo)機(jī)分為以下幾類：深紫外激光打標(biāo)機(jī)（266 nm）、綠激光打標(biāo)機(jī)（532 nm）、燈泵YAG激光打標(biāo)機(jī)（1064 nm）、半導(dǎo)體YAG激光打標(biāo)機(jī)（1064 nm）、光纖激光打標(biāo)機(jī)（1064 nm）、CO2激光打標(biāo)機(jī)（10.64 μm）。

圖1 從激光波長來看光的吸收

2.2 激光打標(biāo)系統(tǒng)

激光打標(biāo)系統(tǒng)由激光器部分、振鏡部分、電源控制部分和工控機(jī)構(gòu)等4部分組成。通過打標(biāo)軟件或其他輔助軟件在計算機(jī)中編輯好打標(biāo)所需的圖形、文字，并轉(zhuǎn)換為打標(biāo)軟件所能識別的文件格式，再通過振鏡系統(tǒng)伺服控制卡轉(zhuǎn)換成掃描振鏡所能識別的電信號。這些電信號按一定的頻率分別傳輸?shù)綊呙枵耒R頭和聲光電源的輸入端口。在一系列電信號的控制下，振鏡在X、Y二維進(jìn)行有序擺動，使激光輸出點掃描出相應(yīng)的圖形和文字，其工作機(jī)理如圖2所示。

圖2 激光打標(biāo)工作機(jī)理

與此同時，聲光電源在相應(yīng)電信號的控制下使聲光Q-switch產(chǎn)生所需的頻率調(diào)制信號，從而將連續(xù)激光調(diào)制成一定頻率的激光脈沖，最后將激光輸出點掃描出的圖形和文字刻蝕在工件上，如圖3所示。

3 試驗條件

試驗所用樣件為鍍鎳柯伐蓋板，在其表面標(biāo)記4 mm×5 mm 的“A”圖案。利用Dektak150表面形貌儀測量3次標(biāo)記深度數(shù)據(jù)，取平均值作為結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖3 Q-switch把連續(xù)波變成脈沖

4 打標(biāo)參數(shù)的試驗分析

4.1 功率：標(biāo)記時激光器的功率大小

圖4 功率對標(biāo)記深度的影響（頻率25 kHz，速度500 mm/s）

從圖4可以看出，隨著激光輸出功率的逐漸增大，標(biāo)記的深度也相應(yīng)變深。這一規(guī)律是顯而易見的，因為輸出功率的增大意味著脈沖峰值功率和平均功率都增大，即激光能量增強(qiáng)，激光與物質(zhì)的熱作用加劇，導(dǎo)致材料熔化甚至汽化，從而標(biāo)記痕跡愈為明顯。同時，仔細(xì)觀察曲線的變化趨勢，當(dāng)輸出功率超過60%后，標(biāo)記深度的變化比小功率時更明顯，這時由于激光與物質(zhì)的熱作用以汽化為主，標(biāo)記深度顯著增大。

因此，激光打標(biāo)過程中應(yīng)選擇合適的輸出功率，在其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上加大功率會導(dǎo)致加工器件發(fā)黃、發(fā)黑、邊緣毛刺甚至擊穿器件等現(xiàn)象，不適合于精細(xì)標(biāo)記的要求。

4.2 頻率：單位時間內(nèi)激光出光數(shù)目的多少

從圖5可以看出，輸出頻率對標(biāo)記深度的影響并無線性規(guī)律可循，但存在一最佳值區(qū)域，使標(biāo)記深度最大。在輸出頻率為25 kHz左右時，激光打標(biāo)的深度最為明顯。這一現(xiàn)象可解釋為：在其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，當(dāng)頻率較低時，有較高的峰值功率，但平均功率過低；頻率很高時，有高的平均功率，但峰值功率過低，接近于連續(xù)激光輸出；而頻率在一定范圍內(nèi)（25 kHz左右），峰值功率和平均功率都相對較高，這是一般激光打標(biāo)選用的頻率范圍。

圖5 頻率對標(biāo)記深度的影響（功率60%，速度500 mm/s）

4.3 速度：標(biāo)記時單位時間內(nèi)激光所走的距離

圖6 速度對標(biāo)記深度的影響（功率60%，頻率25 kHz）

從圖6可以看出，隨著速度的逐漸增大，標(biāo)記的深度也相應(yīng)變小。這是因為當(dāng)速度逐步加快時，由于激光束和材料間相互作用的時間變短，使得材料的汽化量減小，從而導(dǎo)致標(biāo)記深度變淺，標(biāo)記逐漸模糊。同時，若速度過大（如圖6中速度大于2000 mm/s）時，激光束作用時間極短，待標(biāo)記面還來不及充分吸收激光能量，故此時標(biāo)記深度很小。

因此，激光打標(biāo)過程中應(yīng)選擇合適的速度，在其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上過大的速度會導(dǎo)致加工器件標(biāo)記模糊、甚至字符不全等現(xiàn)象。

4.4 延時

（1）開光延時：在振鏡定位到標(biāo)刻開始位置時激光開啟的延時時間。延時過短會導(dǎo)致標(biāo)記線條的起始點出現(xiàn)過重的現(xiàn)象（如圖7），但延時過長會導(dǎo)致起始段缺筆的現(xiàn)象（如圖8），一般設(shè)置為50～100 mm/s。

（2）關(guān)光延時：在振鏡定位到標(biāo)刻結(jié)束位置時激光關(guān)閉的延時時間。延時過短會出現(xiàn)結(jié)束段缺筆，但延時過長會導(dǎo)致標(biāo)記線條的末點出現(xiàn)過重的現(xiàn)象，一般設(shè)置為50～100 mm/s。

圖7 起始點標(biāo)記過重

圖8 起始段缺筆

（3）拐角延時：振鏡在折線段的拐角處的延時時間。延時過短會導(dǎo)致拐角易變成圓弧(如圖9)，但延時過長會導(dǎo)致拐角處容易出現(xiàn)標(biāo)記過重現(xiàn)象(如圖11)，一般設(shè)置為100 mm/s。

圖9 拐角變?yōu)閳A弧

圖10 正常情況

圖11 拐角處標(biāo)記過重

5 結(jié)論

（1）功率和速度是影響激光打標(biāo)效果的最重要因素，隨著激光輸出功率的增大或速度的減小，標(biāo)記深度會相應(yīng)地變大；頻率對標(biāo)記深度的影響無線性規(guī)律可尋，存在一最佳值區(qū)域，此時標(biāo)記深度最大，標(biāo)記最為清晰；

（2）延時參數(shù)的大小主要影響字符線條的標(biāo)記效果，設(shè)置不當(dāng)會導(dǎo)致某個點標(biāo)記過重或線條缺筆、字符變形等；

（3）激光打標(biāo)過程中，應(yīng)根據(jù)材質(zhì)選擇合適的參數(shù)，以免出現(xiàn)標(biāo)記后器件表面字符模糊、不連續(xù)，或發(fā)黃、發(fā)黑，甚至擊穿器件的情況。

[1]伍珊紅，齊軍，虞孝舜，等. Nd：YAG激光打標(biāo)工藝試驗研究[J]. 激光與紅外，1999，29(2)：92-95.

[2]寧國勤，朱中煜，朱紹文，等. 激光打標(biāo)中圖形、圖像的處理[J]. 激光技術(shù)，2002，26(4)：295-297.

[3]王建平，李正佳，范曉紅，等. 激光打標(biāo)系統(tǒng)及工藝參數(shù)的分析[J]. 光學(xué)與光電技術(shù)，2005，6：32-35.