目前,在電子封裝領(lǐng)域,陶瓷基板是常用的一種電子封裝基片材料,與金屬基片和樹(shù)脂基片相比,其主要優(yōu)點(diǎn)在于:絕緣性能好,可靠性高;介電系數(shù)較小,高頻特性好;熱膨脹系數(shù)小,熱失配率低;熱導(dǎo)率高;氣密性好,化學(xué)性能穩(wěn)定;耐蝕性好,不易產(chǎn)生微裂等現(xiàn)象。因此,陶瓷基板已成為成為大功率、高密度、高溫及高頻器件封裝的首選。但由于陶瓷材料的硬脆特性,傳統(tǒng)機(jī)械加工方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且易對(duì)基板造成損傷,在眾多新型特種加工技術(shù)中,激光加工是一種無(wú)接觸加工方法,無(wú)刀具磨損,具有高精度及高靈活性,是硬脆材料加工的首選方法。
打孔是激光在HTCC和LTCC以及DPC制作過(guò)程中應(yīng)用最多的工藝加工方式,打孔的孔徑大小、位置、精度等,直接影響基板內(nèi)部走線的通斷、布線密度、基板質(zhì)量以及成品率。目前,關(guān)于激光加工孔特征尺寸的研究較多,而往往忽略了孔的特征形貌。但高能量長(zhǎng)脈沖激光聚焦于材料上時(shí)無(wú)法避免的強(qiáng)烈熱效應(yīng)等導(dǎo)致加工的陶瓷基板表面孔帶有重鑄層、微裂紋及變性熱影響區(qū)等,影響孔的形貌,進(jìn)而影響基板性能。
通常,以毫秒激光為代表的長(zhǎng)脈沖激光的熱效應(yīng)最為嚴(yán)重,加工的孔帶有嚴(yán)重的孔口噴濺物、重鑄層和微裂紋;以納秒激光為代表的短脈沖激光的熱效應(yīng)相對(duì)較小,加工孔的形貌質(zhì)量普遍有很大提升;而超快激光(脈沖寬度≤12ps)具有“冷加工”特性,可以最大限度地限制熱效應(yīng)的影響,進(jìn)而加工出更高形貌質(zhì)量的孔。
對(duì)于孔的激光加工,涉及的評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括:微孔的特征尺寸,即孔的直徑和深度;孔的特征形貌,包括孔的表面形貌特征(如孔口圓度、孔口表面噴濺物、孔口表面熱影響區(qū)和孔口表面微裂紋)及孔的側(cè)壁形貌特征,如孔的錐度、孔的側(cè)壁表面形貌(含表面微裂紋)、側(cè)壁重鑄層和側(cè)壁熱影響區(qū)。
孔口表面噴濺物可通過(guò)噴濺物高度和范圍表征;孔口表面熱影響區(qū)、側(cè)壁重鑄層和側(cè)壁熱影響區(qū)主要通過(guò)熱影響區(qū)/重鑄層寬度(厚度)表征;孔口表面微裂紋和孔的側(cè)壁表面形貌(含表面微裂紋)的檢測(cè)主要依靠顯微放大儀器如光學(xué)顯微鏡、電子掃描顯微鏡(SEM)等。
對(duì)于陶瓷的激光加工,由于其原子間結(jié)合鍵的特點(diǎn)和氣孔雜質(zhì)的存在,材料內(nèi)部的缺陷在激光加工熱應(yīng)力的作用下斷裂形成微裂紋。
幾種加工方式的主要關(guān)鍵點(diǎn)在于:
(1)對(duì)于孔的圓度,在毫秒激光加工中,增大掃描速度,孔的圓度變差;在納秒激光加工中,重復(fù)頻率越高,孔的圓度越好,存在最優(yōu)掃描間距,此時(shí)可以獲得較好的孔圓度;在超快激光加工中,選擇合適的插補(bǔ)誤差,既可以保證圓度又可以保證加工效率;
(2)對(duì)于孔口表面噴濺物,激光能量越大,重復(fù)頻率越高,噴濺物范圍越寬;在毫秒激光加工中,脈沖寬度越大,表面噴濺物越多,噴濺范圍越寬;在超快激光加工中,掃描速度越大,噴濺物范圍越寬;
(3)激光陶瓷基板孔加工的表面裂紋主要是由熱效應(yīng)導(dǎo)致的表面應(yīng)力集中引起的,切向應(yīng)力普遍誘導(dǎo)徑向裂紋,徑向應(yīng)力誘發(fā)環(huán)狀裂紋;孔間裂紋擴(kuò)展,形成群孔裂紋擴(kuò)展路徑,最終使得樣片斷裂。水環(huán)境等輔助加工可以減少孔表面噴濺物和裂紋,提高孔的表面形貌質(zhì)量;
(4)激光加工陶瓷基板孔的錐度與激光能量、重復(fù)頻率、脈沖寬度、焦點(diǎn)位置、氣壓及加工環(huán)境等均有關(guān)。在毫秒激光加工中,掃描速度越大,孔的錐度越大;在納秒激光加工中,掃描間距越大,孔的錐度越大。對(duì)于不同厚度和直徑的孔,選擇合適的加工填充樣式,可以獲得更小的孔錐度;
(5)對(duì)于孔的側(cè)壁重鑄層,即便是采用具有“冷加工”特性的超快激光也無(wú)法完全避免,毫秒激光加工陶瓷基板孔側(cè)壁的重鑄層較厚,在優(yōu)化參數(shù)下,納秒和超快激光加工孔側(cè)壁的重鑄層厚度差異不大。水射流輔助加工和水環(huán)境輔助加工等可以有效減小重鑄層厚度。后處理如溶液腐蝕等可以完全去除孔側(cè)壁的重鑄層。還需要指出的是,孔側(cè)壁重鑄層表面普遍分布大量的微裂紋,尤其是毫秒激光加工,且裂紋沿晶粒方向擴(kuò)展。