電子陶瓷基板主要包括氧化鋁和氮化鋁基板,具有硬度、導(dǎo)熱性、電阻率和熱穩(wěn)定性高,介電常數(shù)低,熱膨脹系數(shù)與芯片匹配等特點(diǎn),是新一代微電子器件或系統(tǒng)的首選,在高端大功率電子元件中具有廣闊的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的高密度互聯(lián),需要在陶瓷基板表面進(jìn)行多尺寸、多間距的盲、通孔加工,且孔質(zhì)量需滿足芯片導(dǎo)通和引腳固定的封裝要求。

然而,氧化鋁和氮化鋁陶瓷是典型的硬脆材料,傳統(tǒng)的機(jī)械加工極易導(dǎo)致基板斷裂,而特種加工方法也存在極大限制,如:化學(xué)刻蝕和超聲波加工氧化鋁、氮化鋁陶瓷材料的去除效率低;電火花不能加工陶瓷等非導(dǎo)電材料;電子束加工設(shè)備昂貴,且會產(chǎn)生極大的熱效應(yīng),損傷陶瓷基板;磨料水射流不僅加工精度低而且噪聲大等等。

激光作為一種非接觸式的高能束精密加工技術(shù),具有高效可控、熱影響區(qū)小、無切削作用力、無“刀具”磨損,以及可加工高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)等難加工材料的特點(diǎn)。激光的脈沖寬度是一個重要參數(shù),是指單個激光脈沖釋放能量即真正作用于材料的時間。

對于脈沖激光加工,根據(jù)脈沖寬度可將其分為以毫秒激光(MPL,通常指脈沖寬度為1～1000 ms)為代表的長脈沖激光加工、以納秒激光(NPL,通常指脈沖寬度為1～1000 ns)為代表的短脈沖激光加工和超短脈沖激光加工(UPL,通常指脈沖寬度≤10 ps)。

其中:超短脈沖激光因加工效率低、穩(wěn)定性不夠、激光設(shè)備昂貴等原因目前還無法滿足陶瓷基板工業(yè)化加工的要求;而毫秒激光和納秒激光具有較為成熟的理論基礎(chǔ)和適宜的經(jīng)濟(jì)性,加工柔性和穩(wěn)定性好,極易與裝備的數(shù)控系統(tǒng)融合,非常適合用于電子陶瓷基板表面的群孔加工。電子陶瓷基板激光孔加工的工業(yè)化應(yīng)用剛剛起步,人們對毫秒和納秒激光加工工藝的研究及其在陶瓷基板領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的認(rèn)知還不十分成熟,對利用這兩種激光進(jìn)行裝備開發(fā)、選型等存在困惑。

毫秒和納秒激光燒蝕氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板的材料去除機(jī)理和各激光加工參數(shù)對孔尺寸的影響規(guī)律,為激光陶瓷基板群孔加工的工業(yè)化應(yīng)用提供支持。

毫秒和納秒激光加工技術(shù)更加成熟,而且激光器的性能穩(wěn)定、成本較低,人們在陶瓷基板孔加工燒蝕理論與實(shí)驗探索等方面已有豐富的經(jīng)驗。然而,毫秒和納秒激光加工電子陶瓷基板表面孔的工業(yè)化應(yīng)用仍面臨巨大挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在三個方面。

1) 加工精度與加工質(zhì)量

由于毫秒和納秒激光的脈沖寬度和功率均較高,在實(shí)際加工中無法避免產(chǎn)生嚴(yán)重的熱量積累,從而會破壞加工區(qū)域材料的形貌和性能,因此加工精度和加工質(zhì)量無法做到精準(zhǔn)調(diào)控。此外,采用毫秒和納秒激光在陶瓷材料表面進(jìn)行工業(yè)化大面積群孔加工時,受熱裂紋的影響,需要以犧牲加工效率的方式來保證成品基片的完整,而且可加工陶瓷基板的厚度也受到了一定限制。

2) 高深徑比微孔加工

隨著電子系統(tǒng)集成化程度的提高,微器件微結(jié)構(gòu)層出不窮,陶瓷基板表面孔的尺寸不斷減小,高深徑比微孔加工對加工方案提出了極高的要求。在幾百微米厚的陶瓷材料上加工幾十微米甚至十幾微米直徑的盲孔、通孔,且要保證孔錐度、圓度、位置精度、重鑄層厚度、孔壁粗糙度及微裂紋等符合要求,這對毫秒和納秒等非超短脈沖激光加工提出了巨大挑戰(zhàn)。

因此,當(dāng)前一些研究工作對納秒激光加工采取了與其他能場復(fù)合的方式來改進(jìn)深孔加工中等離子體屏蔽帶來的問題,以達(dá)到高深徑比微孔加工的目的。如:將激光光束與水射流復(fù)合,以實(shí)現(xiàn)水助激光切割的深孔切割;采用超聲波與激光加工復(fù)合的方式,以解決深孔加工中的排屑問題。

3) 激光加工系統(tǒng)的集成化

毫秒和納秒激光在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑴c加工平臺、在線檢測、機(jī)械裝備、通信系統(tǒng)和加工軟件等構(gòu)成一體化的智能化激光加工數(shù)控裝備。光學(xué)系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,激光路徑與工件運(yùn)動的動態(tài)耦合,以及各部分間的通信連接和軟件系統(tǒng)都對整體裝備的集成化提出了一定要求。

近年來,超快激光的研究與應(yīng)用日趨成熟,已成為微納加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其中皮秒激光在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已開始嶄露頭角。與毫秒和納秒激光相比,超短脈沖激光有著更短的脈沖寬度和更大的峰值功率,其與陶瓷材料的作用機(jī)理是一種非線性吸收的過程,同時可以超越衍射極限的特性帶來了極小的加工尺度,實(shí)現(xiàn)超精細(xì)的納米級加工。超快激光加工被稱為“冷加工”,其加工區(qū)域的熱量積累極小,有望消除孔壁上的重鑄層和微裂紋,實(shí)現(xiàn)陶瓷基板上高質(zhì)量、大面積群孔的加工。

但超快激光在陶瓷材料表面加工孔的燒蝕機(jī)理以及孔進(jìn)化過程方面的研究相對較少,加之超快激光器昂貴,使用、維護(hù)條件苛刻,加工效率較低,因此其實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用還需要一段較為漫長的過程。

除此之外,圍繞激光時空整形、雙脈沖調(diào)控、等離子體調(diào)控等方法的探索已成為另一個提高陶瓷材料表面孔加工質(zhì)量的方向。通過光路系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整(如脈沖延遲、偏振狀態(tài)調(diào)控等),結(jié)合多種加工設(shè)備(如掃描振鏡、光束整形器等),對激光焦點(diǎn)作用在材料上的燒蝕區(qū)域和耦合脈沖時序進(jìn)行調(diào)控,可減小等離子體屏蔽效應(yīng),提高孔的深徑比。

另外,多種加工方式組合的激光復(fù)合加工也可以有效提高陶瓷表面孔的加工質(zhì)量,精準(zhǔn)調(diào)控孔形貌,如化學(xué)刻蝕激光復(fù)合加工、超聲振動激光復(fù)合加工等。激光器的發(fā)展日新月異,更短的波長和脈沖寬度、更高的功率,以及搭配集成化的系統(tǒng)和完善的加工工藝,使得毫秒和納秒激光將在陶瓷基板表面孔加工領(lǐng)域具有廣闊的前景。

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