超短脈沖（USP）激光器加工玻璃速度快、精度高，無需任何化學(xué)腐蝕過程。USP激光器尤其適合加工玻璃基材上的金屬結(jié)構(gòu)，以及加工玻璃基材本身，比如，微流道。
圖1：皮秒激光系統(tǒng)加工玻璃基材上微流控圖形
在電子領(lǐng)域，小型化導(dǎo)致對高度集成的微芯片的需求不斷增加，包括玻璃基板。玻璃基板制造商也因此提供了多種厚度、熱性能、超高電阻和優(yōu)化的涂層玻璃以應(yīng)對挑戰(zhàn)。而且，不同玻璃在不同激光照射下的光學(xué)性能不同。LPKF ProtoLaser R4超短脈沖激光系統(tǒng)對于這些加工任務(wù)均能輕松處理。
1、玻璃表面薄膜金屬結(jié)構(gòu)的加工
圖2：ProtoLaser R4加工玻璃，切割邊緣精準(zhǔn)，且不會產(chǎn)生任何微裂隙。
玻璃材料表面先被金屬化，隨后進(jìn)行加工，按照設(shè)計圖形，制作成天線、傳感器或?qū)w結(jié)構(gòu) - 理想情況下，加工過程中完全不會損傷敏感的玻璃基板。傳統(tǒng)加工工藝復(fù)雜，仍需昂貴的涂層、曝光并需要通過濕法蝕刻進(jìn)行化學(xué)腐蝕。圖形的制作需要多個連續(xù)工藝步驟，并需要購置包括曝光顯影以及化學(xué)藥液槽等設(shè)備。
ProtoLaser R4 超短脈沖激光系統(tǒng)通過調(diào)整脈沖能量、脈沖頻率和加工速度，可精確去除各種厚度的材料，并且不影響任何底層材料。按照設(shè)計圖形，激光對材料分步加工，每步都部分去除和進(jìn)行圖案化，最終輕松可靠地創(chuàng)建所需的結(jié)構(gòu)。
設(shè)置適當(dāng)?shù)募庸?shù)可確保冷燒蝕，且不會在激光軌道邊緣和玻璃上產(chǎn)生熱效應(yīng)。甚至玻璃基材的光學(xué)性能也幾乎保持不變。
圖3：激光加工預(yù)鉆孔玻璃上的導(dǎo)電圖形。得益于靶標(biāo)識別系統(tǒng)，激光可以在孔間形成不間斷的導(dǎo)電路徑。
激光加工的第一步，集成的攝像頭自動識別被加工材料上的靶標(biāo)，根據(jù)定義的參考點(diǎn)或基于軟件的基準(zhǔn)點(diǎn)。從參考位置開始，將基材放置到真空吸附工作臺，超短脈沖激光器以 10 μm 的定位精度去除金屬層。圖 3 顯示了預(yù)鉆孔玻璃上的金屬層上精準(zhǔn)對位的電氣連接，該連接是通過對樣品的精準(zhǔn)對準(zhǔn)、位置檢測和精確激光燒蝕而創(chuàng)建的。圖 4 展示的是玻璃基材上的電容結(jié)構(gòu)，線寬/間距僅為 15/25 μm。
圖4：50nm厚度的鈦粘合劑將300至400 nm的銅層覆在肖特AF32玻璃基板上，通過PLR4加工金屬層形成電容結(jié)構(gòu)。
2、玻璃上厚金屬鍍層的多個操作步驟
對于玻璃上的厚金屬鍍層，需要根據(jù)精準(zhǔn)的厚度進(jìn)行多次操作。在層厚允許的情況下，高能量激光脈沖可以實(shí)現(xiàn)快速加工。隨著金屬層變薄，ProtoLaser R4 會降低激光能量以保護(hù)基材。兩個階段的加工方式確保了加工時長和加工質(zhì)量，可與薄金屬鍍層相媲美，而且將對玻璃基板的影響降到最低（圖5和6）。
圖5：USP超快激光器加工玻璃上初始厚度160 um的金層剖面圖
圖6：玻璃上的全息表面天線
3、玻璃加工：切割、鉆孔、微流道
現(xiàn)在，使用激光刻蝕金屬層是許多實(shí)驗室的標(biāo)準(zhǔn)做法。得益于超短脈沖激光器，Protolaser R4 僅需一步，即可直接加工玻璃（圖 7）。切割和鉆孔已經(jīng)是常規(guī)應(yīng)用，超短脈沖激光還可以進(jìn)行定深加工。
圖7：激光加工玻璃的顯微鏡下畫面：左下角是未加工的玻璃表面，淺灰色條帶是切割表面的微觀側(cè)視圖。
在物理學(xué)中，通過微流體研究當(dāng)微流道狹窄到只有幾個分子直徑時液體的力學(xué)特性。在化學(xué)中，通過微流體研究涉及皮升體積的化學(xué)反應(yīng)，而在生物學(xué)中，通過微流體可分離出單個細(xì)胞，并對其進(jìn)行生物體內(nèi)的化學(xué)實(shí)驗。其共同之處在于均是處理μL、nL或pL范圍內(nèi)的微量液體體積。微流控電路在亞毫米或亞微米范圍內(nèi)運(yùn)行，使芯片實(shí)驗室應(yīng)用成為可能，如可穿戴設(shè)備、自動葡萄糖監(jiān)測和快速血液或糞便檢測。
微流控中涉及的材料通常是PDMS, PMMA, COC, LTCC以及玻璃。雖然所有這些材料都可用于樣品制作，但玻璃比其他微流控材料有著更明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)工藝包括昂貴的濕法腐蝕，光刻和化學(xué)蝕刻，限制了它的使用。如今，超精細(xì)的微流體通道可以通過ProtoLaser R4超短脈沖激光加工，無需任何化學(xué)腐蝕工藝，一步成型。
通過研究BF33或Mepax玻璃的微流控設(shè)計工藝步驟，展示了從CAD設(shè)計到最終成品玻璃樣品的簡單過程。德國耶拿的肖特BF33是一種高性能硼硅酸鹽玻璃。這款玻璃在可見光、近紅外和紫外波長范圍內(nèi)有著高透明度。其視覺質(zhì)量和光學(xué)清晰度加上其高耐化學(xué)性和抗沖擊性，使其成為包括微流控實(shí)驗室應(yīng)用的理想選擇。
由于BF33玻璃在低紫外波長下的高光透射率，需要使用短脈沖激光器進(jìn)行處理，在這種情況下，實(shí)驗使用了ProtoLaser R4皮秒激光器(波長515 nm)。設(shè)計圖形尺寸為46mmx10mm，通道寬度為150um(圖8)。圖9顯示了不同厚度的肖特BF33玻璃在紫外范圍內(nèi)的透射率，雖然該型號玻璃的透射率很高，但超快脈沖的能量可對其進(jìn)行反復(fù)處理。
圖8：微流控的CAD 二維設(shè)計圖
圖9：不同厚度的肖特BF33高硼硅玻璃在紫外激光下的透射率
雖然對這種材料的鉆孔和切割均有確定的參數(shù)，但定深加工還沒有確認(rèn)過。在復(fù)雜的實(shí)驗中，設(shè)置了40um定深加工的參數(shù)，本次整個樣品加工時間為31分鐘。
玻璃鉆孔和定深加工應(yīng)用展示
隨后使用基恩士的激光顯微鏡進(jìn)行測量，結(jié)果顯示深度為42 um。經(jīng)過超聲波清洗，加工過程中產(chǎn)生的污染完全被去除。加工區(qū)域的表面光滑度為 Ra = 0.6 um，這也證明了此加工系統(tǒng)對要求嚴(yán)苛的微流控應(yīng)用的適用性（圖 10）。
圖10 ：超聲波清洗后的溝道圖片
通過進(jìn)一步的測試，包括在肖特Mepax 0.3 mm玻璃上，也證實(shí)了該方法的適用性。當(dāng)然，開窗的蓋板玻璃也可以使用激光進(jìn)行加工，且不會損傷任何涂層。
4、多個應(yīng)用，一步成型
從設(shè)計到完成樣品制作只需一個小時，這在傳統(tǒng)的玻璃加工中是完全不可能的。LPKF ProtoLaser R4不需要多個加工步驟，只需要CAD設(shè)計圖紙即可直接用激光加工圖形，大大加快了研發(fā)進(jìn)程，減少了等待時間，無需任何化學(xué)蝕刻步驟，并且因為其超高的控制精度，在絕大多數(shù)情況下都超過傳統(tǒng)工藝的加工品質(zhì)。
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