[转帖]固态紫外激光器的新突破

楚韵风 · 发表于 2003-5-18 23:23:00

         固态紫外激光器的新突破

      美国相干公司 Mark Gitin, Edward C. Rea 著 / 何萍译

---- 随着对小型电子产品和微电子元器件需求的日益

  增长，聚合物精密微处理日渐成为激光在工业中发展

  最快的应用领域之一。紫外激光是微电子元器件工业

  中普遍使用的塑料（如聚酰亚胺）和金属（如铜）等材

  料的理想加工工具。固态激光器最新技术推动了新一

  代结构紧凑、全固态紫外激光器的发展，从而使之成

  为这个领域中更经济有效的加工手段。本文旨在探讨

  这类新型紫外激光器如何满足该工业生产要求。

   布线、钻孔和裁剪电路

  ---- 在绝缘体和铜材料的层布式电路板的生产过程中，

  要求对小型功能部件进行精细加工，如：在柔性电路

  板上加工一般通孔、槽和通路辅助孔，以及成型电路

  板的最终裁剪。在以往的大批量生产中，许多功能部

  件都使用机械硬冲压成型的模具制造。但是，硬冲模

  方法大的损耗和长的交付周期对小部件加工和成型而

  言，不实用而且成本高。虽然还可以使用程控机械钻

  孔机钻孔和布线，或采用较低成本的钢尺或乔木
  尺或乔木模冲

孔处理方法，但它们也各有局限性。矩形、三角形或 D

  形孔以及复杂曲线都很难用这些方法进行精确加工，

  而且磨损、粘胶渗出和钻孔破碎都限制了部件尺寸、

  精度和合格率。

  ---- 用于互连多层的微通道技术对今天的高密度互连

  电路（HDI）越来越重要，但是，它们对小尺寸的要求
  非常苛刻。一般来说，通道直径范围为1 到10 密
  尔（25-250 微米），但是，传统的机械钻孔和冲孔不适
  合用于大量生产直径在6-8 密尔（150-250 微米）以下的
  通孔，这主要是因为精细钻头和模具价格非常昂贵，

  而这样的钻头寿命却非常短暂。此外，使用这些方法

  几乎不可能进行盲通道孔的生产和切开电路板露出埋

  置垫片的工作。
   激光微处理加工

---- 激光独一无二的特性使得它成为微处理的理想工

  具。它是一种非接触性零磨损工具，能够通过聚焦将

非常大的能量传递到精确的加工位置进行钻孔、切割

和焊接。待处理材料的特征和激光的波长和能量决定

了它们之间相互作用的类型。

---- 脉冲式CO2 激光器（波长=10.6 微米）和红外YAG 激光
  器（波长=1.06 微米）是两种在材料处理方面最为广泛
  使用的红外激光源，但是，许多塑料和大量用作柔性

  电路板基体材料的一些特殊聚合物（如聚酰亚胺），
  都不能通过红外处理或热处理进行精细加工。因为

  热使塑料变形，在切割或钻孔的边缘上产生炭化形式

  的损伤，可能导致结构性的削弱和寄生传导性通路，

  而不得不增加一些后续处理工序以改善加工质量。因

此，红外激光器不适用于某些柔性电路的处理。除此

之外，即使在高能量密度下，CO2 激光器的波长也不能

  被铜吸收，这更加苛刻地限制了它的使用范围。

---- 紫外激光器的输出波长在0.4 微米以下，这是适合处

  理聚合物材料的主要优点。和红外加工不同，紫外微

  处理从本质上来说不是热处理，而且大多数材料吸收

  紫外光比吸收红外光更容易。高能量的紫外光子直接

  破坏许多非金属材料表面的分子键，这种冷光蚀处

理加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化。

---- 紫外短波长本身的特性对金属和聚合物的机械微

处理具有优越性。它可以被聚焦到亚微米数量级的
点，因此可以进行细微部件的加工，即使在不高的脉

冲能量水平下，也能得到很高的能量密度，有效地进

行材料加工。

固态激光器的优点：

---- 一直以来，准分子激光器在紫外冷加工微处理应
  用领域占有主导地位，但是，准分子技术本身存在固

  有的缺点。所有的准分子激光器都要使用有毒气体,
  特殊气体的更换、处理和调整过程很麻烦。而且，它
  们体积庞大、价格昂贵，操作和维修费用高。不仅如
  此，最大的问题在于准分子激光器输出光束大而

  空间质量较差，这严重限制了聚焦性，使得在微处理

  过程中一定要使用掩模板。准分子激光对钻出相同形

  状的孔和重复性工作效果不错（如加工喷墨打印机磁

  鼓喷嘴上的孔），但是效率不高，只有1% 的脉冲能量
  作用于加工表面，而其它约99% 的有用脉冲能量损失
  于掩模板。而且使用掩模板对加工灵活性有一定限

  制，如果图形变化需要更换掩模板时，整个加工过程
  必须中止。

---- 以前，固态激光器还不能在紫外波段提供足够的脉

冲能量和平均功率来有效地完成微处理。但是，随着

激光器生产商已经发展了可靠的半导体激光器泵浦技

术以及更为有效可靠的三倍频机理，情况已经有所改

  变。新的三倍频半导体泵浦固体激光器（DPSS）成为
准分子激光器适用领域中强有力的竞争者。在能量密

度水平相当的前提下，DPSS 的脉冲重复频率更高，光
束质量更好。

---- Coherent 公司生产的AVIA 355-1500 DPSS 激光器是目前
最适合微处理应用的紫外固体激光器，它在355nm 波
长、15kHz 重复频率下输出1.5W 平均功率。不象一般准
分子激光器的矩形输出光，它的光束质量很好，可以

在长工作距离上聚焦成很小的点，使加工不再需要掩

模板，而且可以通过计算机控制的扫描振镜系统，将

  光导到工作面上的任何位置（见图2），通过CAD/CAM
  软件，在一次直接刻写工艺中执行钻孔、刻线或切
  割。这种软加工方法本身具有非常好的灵活性，无需

  更换硬件就可以改变加工图样。钻孔实验表明，比聚

  焦点大的任意尺寸和形状的钻孔和切割都可以通过反

  复雕琢的方式进
---- 高重复频率是现代DPSS 激光器的又一突出优点。准

分子激光器一般重复频率在几百赫兹，而AVIA 可达
到100kHz。更高的重复频率在低密集度孔分布应用中
以及布线或切割加工中可大大提高生产量。例如，在2
密尔（50 微米）厚的Kapton 聚酰亚胺材料上钻一个30 微
米直径的孔大约需要能量密度为0.2J/cm2 的200 个脉
冲，AVIA20% 在50kH2 时，1 秒钟可以打大约250 个孔，而
工作在200Hz 重复频率下的准分子激光器打出一个相同
的孔需要整整1 秒钟。

---- AVIA DPSS 激光器脉冲重复频率从单脉冲到100kHz 可
调，提供了非常快速和灵活的方法来控制脉冲能
平均功率。用这种方法，可以在要求高的加工过程中
主动改变重要的加工参数，比如选择性去除聚合物涂
层金属，反之亦然。在很多应用中，如以最高的生产
率钻盲通道孔、切开聚合物绝缘材料露出埋置垫片、
或切割电路板，这种功能是非常有用的。

---- 在加工要求高的大批量生产环境下，不允许过多的
维修或停工，因此紫外DPSS 激光器以它先进的技术和
高度的可靠性成为系统集成的理想选择。而且由
于DPSS 激光器紧凑的全固态设计、全封离结构，使之
非常容易与高效的生产环境相配合。不仅如此，操作
简便以及对水电设施要求低等特点，使之日渐成为工
业生产领域中被广为使用的设备。

  结论：
---- 随着高功率紫外DPSS 激光器技术的发展，直接使用

  激光加工柔性电路板和完成小部件成型逐渐成为颇具
                                       吸引力的工艺手段。程控激光工作站可以在聚酰亚胺

和金属的层式电路上进行各种加工，并在同一工序内

将最终成型的电路板裁剪下来。允许加工图形随意改

变，只需更改控制程序，而无需更换工具。因而，使用

先进的紫外DPSS 激光器，能够更加可靠而高效地进行

微电子元器件的生产。

zgzxb · 发表于 2003-5-19 07:57:00

不错！

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