激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)及其溫度場數(shù)值模擬研究

劉威，費義鹍，鄭振，安榮，張威，王春青，田艷紅，朱泯西

（1. 哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2. 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201199）

激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)及其溫度場數(shù)值模擬研究

劉威1，費義鹍2，鄭振1，安榮1，張威1，王春青1，田艷紅1，朱泯西1

（1. 哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2. 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201199）

激光具有加工重復性好、能量精確控制及加工精度高等優(yōu)點，其加工對象的尺寸可以達到微米甚至是亞微米級，可實現(xiàn)三維空間結(jié)構(gòu)高精度加工。激光因其具備上述優(yōu)異的性能，被應用于材料加工。激光能量還被用來誘發(fā)物質(zhì)向特定方向轉(zhuǎn)印，此類技術(shù)也被稱為激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)。主要綜述了激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)的實現(xiàn)過程、原理及微觀機制，著重介紹并分析了激光前向轉(zhuǎn)印技術(shù)發(fā)展的歷史及其應用現(xiàn)狀，如金屬Cu, Cr, Al等金屬薄膜的轉(zhuǎn)印、單壁碳納米管轉(zhuǎn)印鍵合、微納米結(jié)構(gòu)的加工、元件異質(zhì)集成等。最后對激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)的溫度場仿真的研究現(xiàn)狀進行了分析和總結(jié)，具體包括仿真的方法、模型的使用等。

激光；前向轉(zhuǎn)移；溫度場；數(shù)值模擬

激光因其加工重復性好、能量精確控制及加工精度高等優(yōu)點被應用于材料精細加工。激光通過光纖傳輸可以靈活實現(xiàn)精密移動平臺的路徑規(guī)劃；由于激光具備高能量密度，可以實現(xiàn)局部的材料精細加工。金屬、陶瓷、碳納米管等材料均可以使用該技術(shù)進行轉(zhuǎn)移，可實現(xiàn)金屬薄膜圖形的直寫、單壁碳納米管轉(zhuǎn)印鍵合、微納米結(jié)構(gòu)的加工、元件異質(zhì)集成等應用。長脈沖激光和短脈沖激光均可以應用于激光前向轉(zhuǎn)移，其中的長脈激光作輸入材料的熱量會成倍增加，在熱傳輸?shù)淖饔孟拢L脈沖激光產(chǎn)生的能量能夠傳遞到較廣泛的區(qū)域，可使被轉(zhuǎn)印的薄膜或物質(zhì)的質(zhì)量增加，并使轉(zhuǎn)印過程中被轉(zhuǎn)移的薄膜材料與接收基板或基體的界面存在有較明顯的加熱作用，而使被轉(zhuǎn)移薄膜物質(zhì)與受體基板或基體可能產(chǎn)生良好的接合效果。激光前向轉(zhuǎn)印技術(shù)的機理及溫度場的變化規(guī)律研究具有實際意義，并引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注。

1 激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)原理及實現(xiàn)過程

激光加工對象的尺寸可以達到微米甚至是亞微米級，可實現(xiàn)三維空間結(jié)構(gòu)高精度加工[1]。材料微細加工領域?qū)す獾氖褂眉跋嚓P研究廣泛開展，激光微細加工的目標也日漸增多。激光能量還被用來誘發(fā)薄膜等材料向特定方向轉(zhuǎn)印，此類技術(shù)也被稱為激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)(LIFT-Laser Induced Forward Transfer Technology)。LIFT主要分為 3個步驟（見圖 1），包括：① 激光燒蝕；② 薄膜脫離；③ 物質(zhì)沉積，與目標基板接合。

圖1 激光前向轉(zhuǎn)移Fig.1 Schematic drawing of laser induced forward transfer process

2 激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)研究及應用

LIFT的相關研究最早始于20個世紀的80年代，J. Bohandy[2]等人首次利用LIFT轉(zhuǎn)印了Cu薄膜，其他金屬、化合物、有機物等物質(zhì)的LIFT相關研究隨后被一批研究者開展。LIFT轉(zhuǎn)移所得圖見圖 2，I.Zergioti[3]等人利用 LIFT技術(shù)，采用鍍有Cr薄膜的石英基板，成功實現(xiàn)了Cr薄膜向另一塊石英基板的轉(zhuǎn)印，結(jié)合高精度二微移動平臺，制備出了計算機全息圖。

圖2 LIFT轉(zhuǎn)移所得圖[3]Fig.2 LIFT transfer plot

天津大學的楊麗[4]成功實現(xiàn)了Cu薄膜和Al薄膜的激光前向轉(zhuǎn)印，所使用的光源是飛秒激光。研究中改變了Cu薄膜和Al薄膜的厚度，通過實驗得出了激光轉(zhuǎn)移上述薄膜材料的能量閾值。通過研究發(fā)現(xiàn)，不同厚度的薄膜材料在激光轉(zhuǎn)移能量閾值條件下的熔化狀態(tài)是不同的，薄膜厚度較薄時，其呈現(xiàn)為液態(tài)，當厚度增加時，呈現(xiàn)為固態(tài)。此外，楊麗還對 LIFT得到的轉(zhuǎn)移圖形尺寸與激光能量的輸入之間的關系進行了系統(tǒng)研究。

國內(nèi)關于激光前向轉(zhuǎn)移的研究主要是關于微納米結(jié)構(gòu)的加工。中國科學技術(shù)大學的李國強將飛秒激光微納米加工手段與仿生技術(shù)相結(jié)合，研究了飛秒激光能量與微納米結(jié)構(gòu)之間的關系，并建立了模型，通過分析，得出了結(jié)構(gòu)色、疏水表面和水下超疏油表面的形成機制，最終實現(xiàn)了以表面微納米結(jié)構(gòu)為函數(shù)的結(jié)構(gòu)色、疏水表面和水下超疏油表面的可控加工[5]，結(jié)果見圖3。

圖3 制作疏水表面[5]Fig.3 Fabrication of hydrophobic surfaces

華中科技大學的陳繼文[6]利用激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)，成功實現(xiàn)了Ag薄膜的轉(zhuǎn)移，所使用的激光是355 nm的紫外激光，待轉(zhuǎn)移的 Ag膜是通過旋涂燒結(jié)法制備的。轉(zhuǎn)移后的Ag導線具備良好的導電性能，呈矩形螺旋分布，可以作為微電感使用，其結(jié)構(gòu)見圖4。

A. Palla-Papavlu[7]等人對單壁碳納米管進行了LIFT研究，轉(zhuǎn)印的目標是金屬電極，并對LIFT的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。不同激光功率密度下LIFT轉(zhuǎn)移所得沉積點SEM圖見圖5。

圖4 平面矩形微電感[6]Fig.4 Flat rectangular microinductance

E. Breckenfeld[8]等人實現(xiàn)了高粘度Ag顆粒的激光轉(zhuǎn)移。研究中改變了目標基板與源基板之間的距離，發(fā)現(xiàn)基板之間的距離與轉(zhuǎn)移圖形的尺寸是密切相關的。不同參數(shù)條件下得到轉(zhuǎn)移圖形的外觀及尺寸情況見圖6。

圖5 不同激光功率密度下LIFT轉(zhuǎn)移所得沉積點SEM圖[7]Fig.5 SEM of deposition points from LIFT by different laser power density

圖6 LIFT轉(zhuǎn)移所得不同尺寸大小及不同厚度的沉積點SEM圖[8]Fig.6 SEM of deposition points with different sizes and thickness from LIFT

隨LIFT的進步與提升，該技術(shù)被逐步應用于電子制造行業(yè)，Guerre[9]等人利用該技術(shù)成功實現(xiàn)了選擇性轉(zhuǎn)移薄膜材料，達到了在圓片表面進行元件異質(zhì)集成的目的。Wang[10]等人成功地將在透明石英圓片制作的微細凸點(bump)轉(zhuǎn)移到芯片的相應鍍層區(qū)域。具體過程是先利用bump超聲鍵合技術(shù)將bump與芯片的焊盤實現(xiàn)冶金結(jié)合，然后利用 LIFT技術(shù)釋放bump，完成轉(zhuǎn)移過程。K. S. Kaur[11]等人使用 LIFT成功制備出In bump，并利用Flip Chip鏈接方法實現(xiàn)了激光發(fā)射器件的組裝，組裝后的組建具備優(yōu)異的光、電信號特性。隨后的力學性能測試以及相關的可靠性測試結(jié)果驗證了此種工藝的機械可靠性。具體過程及結(jié)果見圖7。

圖7 轉(zhuǎn)印過程的示意圖及得到的凸點[11]Fig.7 Schematic diagram of LIFT and bump figure

3 激光輻照固體材料溫度場數(shù)值模擬

激光與材料相互作用過程中涉及到溫度場及應力場的變化，該變化會使被激光照射材料發(fā)生復雜的物理變化過程，相關的研究包含被照射材料在該過程中所發(fā)生的形變、狀態(tài)變化等，并對上述現(xiàn)象進行分析和預測。陶應學[12—13]等人建立了體氣化模型，該模型是作為相變模型被建立的，使用Clapeyron方程來描述激光與被照射材料的相互作用，結(jié)合流體動力學和差分法，實現(xiàn)了激光束照射材料表面過程中的溫度場計算及分析。

馮云松[14]等人利用單脈沖照射石英基板表面，使用有限元計算軟件研究了改變激光入射能量條件下，被照射玻璃基板的溫度變化規(guī)律，具體仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同激光功率條件下的溫度場云圖[14]Fig.8 Temperature field cloud map at different laser power

Danhao Qian[15]研究了脈沖激光作用在脆硬性材料表面的溫度變化規(guī)律，模擬的是激光打標過程，使用的有限元分析軟件是 ANSYS。結(jié)果表明：激光入射功率大小對于待加工材料的溫度場分布影響巨大。且溫度場分布的規(guī)律以及對稱性與激光光斑的位置以及工件與光斑的相對位置有關。仿真結(jié)果見圖9。

圖9 不同激光功率條件下螺旋槽表面的溫度場云圖[15]Fig.9 Temperature field cloud map of spiral groove surface at different laser power

4 結(jié)語

對激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)及其溫度場數(shù)值模擬進行了綜述，主要綜述了激光前向轉(zhuǎn)移技術(shù)的實現(xiàn)過程、原理及微觀機制，著重介紹并分析了激光前向轉(zhuǎn)印技術(shù)發(fā)展的歷史及其應用現(xiàn)狀。LIFT主要分為激光燒蝕、薄膜脫離、物質(zhì)沉積3個階段。該技術(shù)可應用于微電子產(chǎn)業(yè)中薄膜器件及微結(jié)構(gòu)制造等領域。激光與材料相互作用過程中涉及到溫度場及應力場的變化，該變化會使被激光照射材料發(fā)生復雜的物理變化過程。

[1] 梁建國. 飛秒激光微加工研究[D]. 天津: 天津大學,2005.LIANG Jian-guo. Study on Microprocessing of Femtosecond Laser[D]. Tianjin: Tianjin University, 2005.

[2] BOHANDY J, KIM B F, ADRIAN F J. Metal Deposition From a Supported Metal Film Using an Excimer Laser[J].Journal of Applied Physics, 1986, 60(4): 1538—1539.

[3] ZERGIOTI I, MAILIS S, VAINOS N A, et al. Microdeposition of Metals by Femtosecond Excimer Laser[J].Applied Surface Science, 1998, 127: 601—605.

[4] 楊麗. 飛秒激光微精細加工-微量物質(zhì)轉(zhuǎn)移研究[D]. 天津: 天津大學, 2007.YANG Li. Femtosecond Laser Microprocessing- Micromaterial Transfer Study[D]. Tianjin: Tianjin University,2007.

[5] 李國強. 基于飛秒激光微納米技術(shù)的仿生功能結(jié)構(gòu)研究[D]. 合肥: 中國科學技術(shù)大學, 2015.LI Guo-qiang. Research on Bionic Functional Structure Based on Femtosecond Laser Micro-nano Technology[D].Hefei: China University of Science and Technology,2015.

[6] 陳繼文. 基于激光誘導向前轉(zhuǎn)移技術(shù)直寫布線工藝研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2011.CHEN Ji-wen. Research on the Technology of Direct Wiring Technology Based on Laser Induced Forward Transfer Technology[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011.

[7] PALLA-PAPAVLU A, DINESCU M, WOKAUN A, et al.Laser-induced Forward Transfer of Single-walled Carbon Nanotubes[J]. Applied Physics A, 2014, 117(1): 371—376.

[8] BRECKENFELD E, KIM H, AUYEUNG R C Y, et al.Laser-Induced Forward Transfer of Silver Nanopaste for Microwave Applications[J]. Applied Surface Science,2015.

[9] GUERRE R, DRECHSLER U, JUBIN D, et al. Selective Transfer Technology for Microdevice Distribution[J].Journal of Microelectromechanical Systems, 2008, 17(1):157—165.

[10] WANG C, HOLMES A S. Laser-assisted Bumping for Flip Chip Assembly[J]. Electronics Packaging Manufacturing IEEE Transactions on, 2001, 24(2): 109—114.

[11] KAUR K S, MISSINNE J, VAN STEENBERGE G. Flipchip Bonding of Vertical-cavity Surface-emitting Lasers Using Laser-induced Forward Transfer[J]. Applied Physics Letters, 2014, 104(6): 061102.

[12] 陶應學, 沈隆鈞. 激光熱燒蝕問題的數(shù)值模擬與相變界面的跟蹤計算方法[J]. 計算物理, 1996, 13(1): 14—20.TAO Ying-xue, SHEN Long-jun. Numerical Simulation of Laser Heat Ablation Problem and the Tracking Method of Phase Transition Interface[J]. Computational Physics,1996, 13(1): 14—20.

[13] 陶應學, 關吉利, 陳發(fā)良. 激光與靶相互作用體氣化模型的數(shù)值計算方法[J]. 計算物理, 2003, 20(3): 189—192.TAO Ying-xue, GUAN Ji-li, CHEN Fa-liang. Numerical Calculation Methods of the Model of the Interaction of Laser and Target Interaction[J]. Computational Physics,2003, 20(3): 189—192.

[14] 馮云松, 李曉霞. 基于ANSYS的脈沖激光輻照石英玻璃的溫度場數(shù)值模擬[J]. 物理實驗, 2012, 32(2): 35—38.FENG Yun-song, LI Xiao-xia. Numerical Simulation of Temperature Field of Quartz Glass with Pulse Laser Irradiated by ANSYS[J]. Physical Experiment, 2012, 32(2):35—38.

[15] QIAN Dan-hao, WEI Long, XIE Hai-yin. Numerical Simulation of Temperature Field Pulse Laser Marking Hard Brittle Material Based on ANSYS[J]. Optical Technique,ISSN, 2013, 39(6): 530—534.

Laser-Induced Forward Transfer Technology and Its Numerical Simulation of Temperature Field

LIU Wei1,FEI Yi-kun2,ZHENG Zhen1,AN Rong1,ZHANG Wei1,WANG Chun-qing1,TIAN Yan-hong1,ZHU Min-xi1
(1. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. Shanghai Aerospace Control Technology Institute, Shanghai 201199, China)

Laser is featured with strong processing repeatability, precise energy control, high machining precision, etc. Its processing object can achieve micron, even sub-micron size, which can realize high resolution processing of 3D structures. Because of its excellent performance, laser is applied to material processing. It is also used to abate, induce transfer and deposition material in specific orientation, and this technique is also known as the LIFT-Laser Induced Forward Transfer Technology. This paper mainly summarized the implementation process, principle and microcosmic mechanism, development history and application status of laser forward transfer technology, such as Cu, Cr, Al metal film transfer, single-walled carbon nanotubes transfer and bonding, the manufacturing of micro/nano structure, heterogeneous integration of electronic devices, etc. Before the end of this paper, research status of temperature field simulation for laser forward transfer technology was analyzed and summarized,including the simulation methods, the use of the model, etc.

laser; forward transfer; temperature field; numerical simulation

2017-11-16

國家自然科學基金(51375003)

劉威（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向為電子封裝技術(shù)。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.006

TB31

A

1674-6457(2018)01-0052-05