V500型CO2激光機及其Al2O3電子陶瓷基板加工技術

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)、高導熱性等特點，廣泛應用于厚膜混合集成電路等產(chǎn)品中。

根據(jù)產(chǎn)品設計要求，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。

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的模具，先對陶瓷生帶進行沖壓，再進行燒結，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。

激光加工法則是按照產(chǎn)品外形尺寸直接對陶瓷基片進行劃線和切割等。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激光機及其加工Al2O3電子陶瓷基板的關鍵技術和方法。

1 V500型CO2激光機簡介

V500型是一種大功率CO2激光機，由美國LUMONICS公司設計制造，設備輸入功率為10 kVA，輸出激光功率為475 W，波長為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備。它由激光源、加工平臺和計算機控制3部分組成。其中激光源部分包括3個基本的單元，即光學共振腔、活性激光介質和激振源，其光學共振腔如圖1所示。

光學共振腔由3個光通道組成，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，夾層為高壓冷卻油)，其形狀為“Z”形結構，共振腔包含有4個光學表面鏡(反射鏡)，其中右上方為輸出鏡(也叫前鏡)，左下方為后鏡。

光學共振腔的前后鏡之間注入了激光介質，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激光輸出功率的測量；中間的兩個鏡為全反射。輸出鏡和后鏡的反射角度可以通過微型電機進行調節(jié)。

圖1 光學共振腔示意圖

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

2 激光加工原理及影響激光加工質量的因素

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，從而達到對其進行劃線和切割的目的。

2.2 影響激光加工質量的因素

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

如前所述，光學共振腔是產(chǎn)生激光的場所，因此，等離子體管內的激光介質的成分比例和氣壓、“Z”形結構中3部分光路的直線性、4個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量。V500型激光機使用固定的共振腔設計技術，激光輸出為“DOT”或“TEM00”模型，具有較高的峰值。對于共振腔的調節(jié)，要求在最小的電流時，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，這樣的光束質量最佳。換句話說，當輸出激光束的形狀接近實心圓形形狀時，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)的調節(jié)

要確保激光系統(tǒng)高效工作，必須對激光系統(tǒng)進行以下幾方面的調節(jié)：

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

2)激光介質。光學共振腔內激光介質由CO2、N2和He這3種氣體混合而成，通過流量開關調節(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雜而細致的工作，光路的直線性是激光機正常工作的根本保證。首先通過對光學共振腔內輸出鏡和后鏡的調節(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。其次調節(jié)機外光路反射鏡，使激光傳輸至工作臺面，且輸出激光光斑形狀保持不變。

4)在實施加工前，還要確保激光設備冷卻系統(tǒng)的正常運轉。

4 加工技術

陶瓷基片對于10.6 μm的激光輻射吸收強烈，能量利用率較高，而對于1.06 nm的激光輻射反射強烈，加工效率低，因此CO2激光機是加工陶瓷基片的最佳設備。

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節(jié)至光束呈垂直狀態(tài)(見圖2)。

2)在激光加工過程中，可通過調節(jié)激光脈沖的寬度、高度和輸出功率來調節(jié)加工的深度。同時，對于不同厚度的基片，在加工時，需要調節(jié)激光加工焦距，即對激光輸出口的高度進行微調，以保證加工時最合適的焦距。

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

4)激光輸出口(位于激光聚焦鏡下)所配置的壓縮空氣，其作用主要是對被加工部位進行快速冷卻并吹散熔融物，其壓力也對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

劃線時激光設置為脈沖輸出，一般設置輸出脈沖頻率為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到基片厚度的1/4至1/3，劃線較淺時不容易分片，過深時容易造成在印刷時碎裂。

由于受毛刺的影響，基片在分開后，其外形尺寸一定會大于設定尺寸，特別是對于較厚的基片，由于其毛刺較大，因而其尺寸超差就會越大，為了保證多聯(lián)片分開后單片的外形尺寸符合設計要求，在編程時要對原圖紙單片尺寸進行適當?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)，但必須保證整個聯(lián)片的外形尺寸在要求的公差范圍內。

4.2 切割或打孔

切割時脈沖頻率為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。當激光頻率和脈寬設定合適時，切割斷面就會越光滑。

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專用的錐形激光嘴，用于增強切割部位壓縮空氣的壓力。其作用主要是對加工部位迅速冷卻，并且立即清除熔融物。如果不能保證合適的空氣壓力，則會使陶瓷基片因為散熱問題而破裂，同時使本來已經(jīng)熔融的部分陶瓷物質不能迅速脫離基片，導致本來已經(jīng)切割開的2個面又重新粘連在一起。

2)要保證整個切割部位懸空，即切割部位下面不能直接與加工平臺相接觸，應該具有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，否則容易導致基片的破裂。

4.3 切割和劃線

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

由于激光加工時，使陶瓷基片瞬間熔融蒸發(fā)，蒸發(fā)的陶瓷物質很快會凝聚在聚焦鏡片及相關部件下部，造成鏡片的污染，因此，必須定時對聚焦鏡進行清理。

5 結語

影響激光加工陶瓷基片的因素很多，在實際加工過程中可能會遇到各種各樣的問題。因此，首先要使激光設備始終保持在良好的工作狀態(tài)，同時對于不同厚度、尺寸、形狀要求的基片，要根據(jù)實際情況通過調節(jié)不同的參數(shù)和條件，來滿足加工的要求。