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紫外激光切割技術(shù)在高端產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

發(fā)布時間：2018-07-13 來源：元祿光電

隨著消費電子產(chǎn)業(yè)需求量大幅增加，產(chǎn)品小型化、快速化及零件價格高昂，傳統(tǒng)加工方式已經(jīng)無法滿足客戶對精度和良率的更高的要求，激光切割技術(shù)應(yīng)運而生。伴隨著紫外激光器的逐漸成熟，且穩(wěn)定度增加，激光加工產(chǎn)業(yè)已從紅外激光轉(zhuǎn)向紫外激光。同時，也因為紫外激光器的應(yīng)用越來越普及，使得激光應(yīng)用邁向更廣闊的領(lǐng)域。

激光經(jīng)過聚焦后照射到材料上，使被切割材料溫度急速升高，然后使之熔化或汽化。隨著激光與被切割材料的相對運動，在切割材料上形成切縫從而達(dá)到切割的目的。傳統(tǒng)二氧化碳(CO2)激光切割由于光斑大、熱影響范圍大、切邊不平滑、發(fā)黑，因此主要用于木材、布料、塑料及較厚的金屬材料加工，而且熱效應(yīng)較大。在切割更精密的材料時通常選擇紫外激光作為切割光源，與YAG和CO2激光通過熱效應(yīng)來切割不同，紫外激光直接破壞被加工材料的化學(xué)鍵，從而達(dá)到切割目的, 這是一個“冷”過程，熱影響區(qū)域?。涣硗庾贤饧す獾牟ㄩL短、能量集中，切縫寬度小，因此在精密切割和微加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

激光切割的切縫寬度同光束模式、偏振性和聚焦后光斑直徑有直接的關(guān)系。實際切割中采用TEM00模，圓偏振，但激光的模式通常都并非理想的基模，當(dāng)功率增大或者使用時間過長時會產(chǎn)生變化。光斑直徑是指光強(qiáng)降落到中心值的1/e2的點所確定的范圍，這個范圍內(nèi)包含了光束能量的86.5%，理想情況下直徑范圍內(nèi)的激光可以實現(xiàn)切割，范圍外的不與材料發(fā)生作用，則切縫寬度等于光斑直徑。但實際中由于材料的導(dǎo)熱性、熔點、沸點等參數(shù)的不同，以及激光功率的變化，切縫寬度是不等于光斑直徑的，它們的關(guān)系要依據(jù)激光能量的輸入和材料性質(zhì)而定。但在絕大多數(shù)情況下，切縫寬度是略大于光斑直徑，減小光斑直徑，就減小了切縫的寬度。

在激光切割中，聚焦后的光斑直徑當(dāng)然是越小越好，這樣切縫寬度就會越小，相同的條件下就可以使晶圓做到更高的集成度。設(shè)激光的束腰半徑為ω0，光束質(zhì)量因子為M2，激光波長為λ，聚焦鏡焦距為f，擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直倍率為A，由激光原理可得激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后和聚焦鏡后，束腰半徑和焦深分別為：

式中激光的波長λ和光束質(zhì)量因子M2由激光器來決定，可以選擇短波長和較小M2的激光器來減小光斑尺寸，另一方面通過減小聚焦鏡的焦距和調(diào)整擴(kuò)束鏡倍數(shù)來得到較小的光斑尺寸。但是減小聚焦鏡焦距的同時焦深會縮短，不過在劃片切割時并不需要太大的焦深，只有當(dāng)穿透切割較厚的晶圓時需要考慮焦深的問題，因此要根據(jù)實際要求合理地選擇聚焦鏡焦距和擴(kuò)束鏡倍數(shù)。因此紫外激光可達(dá)到更小的光斑(幾個微米)，切割道更窄、熱影響范圍小、切邊平滑，且因為脈沖能量高，可對物體進(jìn)行離子化式切割，故可切割高反射材料。

激光的工作模式有兩種，第一種為被加工物放置在XY運動平臺上，激光聚焦后直接加工；第二種為被加工物加工時不移動，激光通過振鏡移動，在被加工物表面進(jìn)行加工。如圖1所示，圖1(a)因為可采用焦距較短的聚焦鏡，因此可達(dá)到較小的光斑直徑；圖1(b)因為振鏡的運動速度較平臺的移動速度快，搭配XY移動平臺，搭配切割圖檔分圖的技術(shù)，可將激光應(yīng)用范圍由打標(biāo)拓展出更廣的應(yīng)用，但由于紫外激光的光斑較小，因此在振鏡及平臺的精度控制需要達(dá)到微米級的要求。

元祿光電一直致力于精密激光切割領(lǐng)域，結(jié)合精密控制與激光加工工藝發(fā)展多種精密切割設(shè)備，經(jīng)過多年發(fā)展，具有多項專利技術(shù)及各式精密激光加工設(shè)備。下文將針對紫外激光切割機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用做一簡單介紹。

紫外激光晶圓切割

藍(lán)寶石基板表面堅硬，一般刀輪很難對其進(jìn)行切割，且磨耗大，良率低，切割道更大于30 μm，不僅降低了使用面積，而且減少了產(chǎn)品的產(chǎn)量。在藍(lán)白光LED產(chǎn)業(yè)的推動下，藍(lán)寶石基板晶圓切割的需求量大增，對提高生產(chǎn)率、成品合格率提出了更高的要求。元祿光電經(jīng)過多年大力研發(fā)激光晶圓切割機(jī)，現(xiàn)可獲得更窄的切割光斑，精準(zhǔn)的定位及高速度的切割，可為市場上提供更多的選擇。效果圖見圖2。

紫外激光陶瓷切割

陶瓷在人類歷史中一直占據(jù)重要的角色，從日用品、裝飾用品到工業(yè)應(yīng)用，都可看到它的足跡。上個世紀(jì)電子陶瓷應(yīng)用逐漸成熟，應(yīng)用范圍更廣，例如散熱基板、壓電材料、電阻、半導(dǎo)體應(yīng)用、生物應(yīng)用等，除了傳統(tǒng)的陶瓷加工工藝外，陶瓷加工也因應(yīng)用種類的增加，進(jìn)而進(jìn)入了激光加工領(lǐng)域。按照陶瓷的材料種類可分為功能陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷及生物陶瓷?？捎糜诩庸ぬ沾傻募す庥?/span>CO2激光、YAG激光、綠光激光等，但是隨著元器件逐漸小型化，例如陶瓷電阻由0204的尺寸縮小到01005，以及YAG激光或光纖激光加工已經(jīng)無法滿足其要求，因此紫外激光加工成為必要的加工方式，他可對多類陶瓷進(jìn)行加工。CO2激光加工與紫外激光加工的陶瓷切割效果對比圖見圖3。

紫外激光玻璃切割

除了上述的應(yīng)用外，紫外激光的應(yīng)用在智能型手機(jī)崛起的帶動下，也逐漸有了發(fā)展的空間。過去因為手機(jī)的功能不多，而且激光加工的成本高昂，激光加工在手機(jī)的市場中占有的地位并不多，但是現(xiàn)在智能型手機(jī)的功能多，整合性高，在有限的空間內(nèi)要整合數(shù)十種的傳感器及上百個功能器件，且組件成本高，因此對于精度、良率及加工要求均大大增加，紫外激光在手機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展出多種應(yīng)用。

手機(jī)玻璃的主要應(yīng)用分為兩部份：手機(jī)面板玻璃和ITO玻璃?，F(xiàn)在手機(jī)玻璃仍是采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方式，隨著玻璃的厚度越來越薄，表面強(qiáng)度越來越高，機(jī)械加工逐漸產(chǎn)生瓶頸，而激光加工對于薄玻璃的處理較機(jī)械加工有優(yōu)勢，除了加工速度快，非接觸加工，對玻璃表面不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，木森科技在玻璃加工投入大量研發(fā)，可加工主流玻璃廠的高強(qiáng)化玻璃，可在中國及臺灣兩地同時進(jìn)行開發(fā)工藝，縮短開發(fā)時程，見圖4、5。

紫外激光ITO干蝕刻

智能型手機(jī)的最大特色就是觸屏的功能，電容式觸摸屏可以做到多點觸控，對應(yīng)電阻式觸摸屏，其壽命更長、反應(yīng)更快，因此電容式觸摸屏已成為智能型手機(jī)選擇的主流。圖6為紫外激光蝕刻ITO線路。

過去ITO線路的蝕刻采用的方式為濕蝕刻的方式，采用黃光制程制作線路，再經(jīng)由蝕刻液去除表面的ITO膜形成線路，不但耗時且造成污染。采用紫外激光切割具有下列特點：

1) 品質(zhì)佳：采用國際先進(jìn)技術(shù)的紫外雷射器，具有光束質(zhì)量好、聚焦光斑小、功率分布均勻、熱效應(yīng)小、切縫寬度小、切割品質(zhì)高等優(yōu)點；

2) 精度高：配合高精度的振鏡和平臺，精度控制在微米量級；

3)無污染：以激光將ITO移除，無化學(xué)藥劑，對環(huán)境無污染，對操作人員無危害，環(huán)保安全；

4) 速度快：直接將CAD圖形加載后即可作業(yè)，不須曝光顯影等制程，免除光罩制作費用及時間，加快開發(fā)速度；

5) 低成本：不需要黃光及濕制程設(shè)備，較原有濕制程生產(chǎn)線降低超過30%建置成本，生產(chǎn)過程無其他耗材，降低生產(chǎn)成本。

紫外激光線路板切割

線路板采用激光進(jìn)行切割最早是用于柔性線路板切割，因為線路板的種類繁多，早期加工均采用模具成型，但是模具的制作費用高昂且制作周期長，因此采用紫外激光加工可以免去模具制作的成本及周期，大幅度提升樣品制作的時間。但是由于過去紫外激光的功率低及價格高昂，用于印刷線路板的應(yīng)用較少，同時印刷線路板的制作精度要求不高，因此紫外激光在印刷線路板的加工一直無法突破。

元祿光電自成立以來致力發(fā)展紫外激光線路板切割機(jī)，解決了紫外激光無法應(yīng)用于印刷線路板切割的瓶頸，速度快，精度高，切割邊緣非常平滑及極小的熱影響區(qū)，并大幅度提高客戶良率，使印刷線路板加工成本大大降低。效果圖見圖7。