固体紫外激光器在微电子工业上的应用

随着对小型电子产品和微电子元器件需求的日益增长，聚合物材料的精密处理日渐成为激光在工业应用中发展最快的应用领域之一。紫外激光是处理广泛应用于微电子元器件工业中的塑料(如聚酰亚胺)和金属(如铜)等材料的理想工具。固态激光器的最新技术推动了新一代结构紧凑，全固态的紫外激光器的发展，从而使之成为这个领域中更加经济有效的加工手段。 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，要求对小型功能性部件进行精细加工，例如在柔性电路板上加工微形通孔、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，许多小部件都使用机械硬冲压成型的模具压制成型。但是，硬冲模法大的损耗和长的交付周期对小部件的加工和成型而言显得不实用且成本高。类似的加工手段，如，使用程控机械钻孔机进行钻孔和布线，或采用较低成本的钢尺或乔木模冲孔处理等法等，也各有局限性； 而在矩形，三角形或D 形孔的钻孔以及复杂曲线的精细加工中，这些传统的方法更显得无能为力；同时，工具的磨损，粘胶的溢出以及钻孔造成的材料破碎等也限制了部件的尺寸，精度和合格率。 用于互连多层的微通道技术对于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格外严格。通道的直径范围通常为1到10密尔(25-250微米)，而传统的机械钻孔和冲孔不适合用于大批量生产直径在6-8密尔 (150-250微米)以下的通孔，因为精细钻头和模具的价格非常昂贵，同时寿命却非常短暂。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填埋的导电垫片等工作。激光微处理 激光独一无二的特性使得它成为微处理的理想工具. 激光是非接触性零磨损工具，能够通过聚焦将非常大的能量密度传递到精确的加工位置进行钻孔、切割和焊接。两者间的相互作用的类型取决于待处理的材料的特征和激光的波长和能量。脉冲式CO2激光器和红外YAG 激光器是在材料处理中较为常用的红外激光光源。

但是，许多塑料和一些大量用在柔性电路板基体材料中的特殊聚合物(如聚酰亚胺)不能通过红外处理或"热"处理过程进行精细加工。热会使塑料变形，在切割边缘或者钻孔边缘上产生炭化形式的损伤，而这可能会导致电路板结构性的削弱和寄生传导性通路，从而不得不增加后续处理工序以改善加工结果。因此，红外激光器不适合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。 相比之下，紫外激光器的输出波长在0.4微米以下，这是适合于处理聚合物材料的主要优点。 与红外加工不同，紫外微处理过程从本质上来说不是"热"处理过程。大多数材料吸收紫外光比红外光更容易，高能量的紫外光光子直接破坏许多非金属材料表面的分子键，这种"冷"加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化影响。 由于紫外光在聚焦上的优点，聚焦点可小到亚微米数量级，从而对金属和聚合物的微处理更具优越性，可以进行小部件的加工；即使在不高的脉冲能量水平下，也能得到较高的能量密度，有效地进行材料加工。 固体器件优越性 一直以来，准分子激光器在紫外"冷加工" 应用领域中占有主导地位，但是，准分子技术有许多固有的缺点: 所有的准分子激光器都要使用有毒气体，而特殊气体的更换，存储和调整过程非常麻烦. 同时，它们的体积庞大，价格昂贵，*作和维修费用高；不仅如此，最大的问题在于准分子激光器的输出光束大而方，空间质量较差，这严重地限制了光束的聚焦性，使得在微处理过程中一定要使用掩模板。准分子激光器对一步钻出相同形状的孔和重复性的工作是不错的 (如加工喷墨打印机磁鼓喷嘴上的孔)，但总的说来效率并不高，只有1%的脉冲能量作用于加工表面，而其它约99% 的光能量损失于模板。此外，掩模法的灵活性有限，如果图形变化需要更换掩模板时，整个加工过程必须停止。

固体紫外激光器的应用一直以来受限于输出功率不够大，不能够满足加工需要。随着更可靠的半导体泵浦固体技术，以及更为可靠的三倍频机理的发展，情况已有所改变。新的三倍频半导体泵浦固体激光器成为准分子激光器的竞争者，能量密度水平相当，但重复频率更高，光束质量更好。Coherent 公司生产的AVIA 355-1500 型半导体泵浦固体激光器，输出波长355nm，平均功率1.5W，最高重频可达100kHz，光束质量好，非常适合于微处理应用场合。好的光束质量，从而优秀的聚焦能力使您可摆脱掩模板进行加工，通过计算机控制的扫描振镜系统将光束传导到工作台上的任何位置)，使用CAD/CAM 软件通过直接刻写的方法执行钻孔、刻线或者切割；当图样变化时，无须更换硬件。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行。 高重复频率是现代DPSS 激光器的又一突出优点。准分子激光器的重复频率一般在几百赫兹. 而AVIA 的重频可达100kHz。高的重复频率在低密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KaptonTM 聚酰亚胺材料上钻30微米直径的孔大约需要200个脉冲，能量密度为0.2J/cm2。AVIA 工作在50kHz 重频时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参数的孔需要整整1秒钟。 AVIA 脉冲重复频率从单脉冲到100kHz 可调，使您可以非常快速和灵活地控制脉冲能量和平均功率。用这些方法，可以在要求高的加工过程中主动改变重要的加工参数，比如选择性地去除聚合物涂层金属，反之亦然。在很多应用中，例如钻盲通道孔、切开聚合物绝缘材料露出填埋导电垫片、切割电路板等，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，紫外半导体泵浦固体激光器在设计和生产技术上的先进性，使之成为系统集成的理想选择. 全固态封离式的设计，结构紧凑，坚固耐用，使得这类激光器非常容易与高效的生产环境相配合；同时，可靠性高，作简便，以及对水电设施要求低等优点，使得它们日渐成为工业生产领域中广为使用的设备。(end)