近幾年來，微電子技術的迅猛發展開創了消費電子設備的新時代。在世界各地，使用這些設備現在是日常生活的一部分。這種增長是由“隨時隨地”獲取信息的消費者需求，以及企業對設備接受度的提升所驅動。移動產品目前代表著消費電子產品制造業最大的細分市場之一[1]，像智能手機和平板電腦都在不斷快速發展。隨著設備變得更小、更快、更輕和更便宜，它們正變得越來越難以制造并且更加復雜，需要組件的小型化和精密制造。對于關鍵部件，如半導體芯片、微電子封裝、觸摸屏顯示器以及印刷電路板（PCB），該行業繼續面臨推高成品率和產量，同時降低成本的挑戰。結果是已經越來越多地應用激光加工來推動移動設備的制造。目前一代的微加工激光器已經證明了在24/7的生產環境下，以更高的產量和更低的運營成本生產高質量、高精度產品的能力。但由于日益復雜的設備需要越來越多的復雜制造工藝，也需要激光光源的進步。
高速精密激光制造工藝受到各種激光參數，包括波長、脈寬、平均功率、光束質量（M2）、脈沖重復頻率（PRF）和脈沖與脈沖間能量穩定性的強烈影響。較新型的更先進的激光器還可以在工藝參數集中添加脈沖整形和脈沖分裂。具有更短波長、更短脈寬和小的M2的激光器，通過形成一個緊聚焦點以及最小化熱影響區（HAZ），來改進微加工工藝。較高能量吸收，尤其在紫外（UV）波長和短脈寬下，使材料迅速氣化以減少熱影響區和炭化。小的聚焦光斑使得激光加工得以實現更高的精度、更小地加工特征。更高的功率、更高的激光重復頻率、脈沖整形和脈沖分裂能力，都可以有助于提高微加工的吞吐量。同時，保持恒定的更穩定的脈沖與脈沖間穩定性，確保了工藝的可重復性，并有助于實現更高的合格率。
傳統的紫外調Q（Q-SW）二極管泵浦固態（DPSS）激光器已經為滿足復雜的制造需求履行了合理的職責，但它們在實現更高的加工速度上確實有局限性。一種提高加工速度的常見方法，是通過增加激光器的激光重復頻率，同時保持其它工藝參數。然而，對于一臺典型的Q-SW DPSS激光器，這實在是不可能的。對于這些激光器，隨著激光重復頻率的增加，平均功率和脈沖能量非常迅速地降低。此外，激光的脈寬和脈沖與脈沖間的能量波動趨于顯著增加。因為這些激光參數的變化會影響微加工速度、特征尺寸和可實現的精度，當試圖提升吞吐量時，簡單地增加激光重復頻率往往不足以保持工藝結果。克服這些限制的真正解決方案，是不僅在更高激光重復頻率下保持高平均功率，還能繼續提供更短脈寬以及更小的脈沖與脈沖間能量變化的激光器。加上脈沖整形和脈沖分裂的能力，激光工藝開發工程師可以開始開發既有更高吞吐量又有更清潔消融效果的工藝。
認識到對這種新型激光技術的需求，Spectra-Physics公司已經開發出Quasar®紫外混合光纖激光器。圖1顯示了新型Quasar 355-60W激光器產品。它是在更高激光重復頻率下兼具更高功率和短脈寬獨特組合的激光器。Spectra-Physics于2013年推出了功率40瓦的紫外激光器產品（250kHz、355nm），并在2014年將功率進一步拓展到了60瓦（200~300kHz），提升了產品的平均功率和脈沖能量。與此同時，其最小脈沖寬度已經從5ns減少到2ns、最大脈沖重復頻率從1.7MHz增加到3.5MHz。如圖1所示，這些輸出特性使得工程師能夠利用新的更廣泛的激光加工參數。
圖1：Spectra Physics的新型Quasar 355-60W UV激光器
Quasar還具有TimeShift™技術，允許各種可軟件設置的脈沖能量和脈寬。此外，激光脈沖的時間波形可通過諸如脈沖整形、脈沖分裂和突發模式操作技術來進行定制。與此同時，相比于傳統的DPSS激光器，TimeShift還消除了脈寬度對激光重復頻率的依賴性，從而能夠在通過增加激光重復頻率進而提升加工效率的情況下，真正使激光器的所有輸出特性保持恒定。
圖2：傳統DPSS調Q紫外激光器和Quasar可實現的參數范圍
正如預期的那樣，高重復頻率下的更高功率、獨立可調的脈寬以及先進的新型脈沖操控能力，使得各種微電子材料的微加工受益匪淺。下文將介紹利用Quasar激光器加工硅（用于芯片制造）、氧化鋁（用于微電子封裝制造）、玻璃（用于觸控面板顯示器制造）和銅（用于PCB和微電子封裝制造）所取得的最新進展。
半導體制造中的硅片切割
在半導體芯片制造中，將硅片分離為很多個單獨的芯片是一個關鍵的加工步驟。用激光切割硅片，作為傳統精密鋸切割的一種替代方案，已經在業界使用了多年之久；并且隨著硅片變得越來越薄，激光切割變得更加強大，其相比于傳統鋸切割的優勢更加明顯。此外，通過激光器如Quasar具備的高級功能，在仍然保持高的微加工吞吐量的同時，控制對材料的熱輸入變得容易。這在硅片切割中尤為重要，其中熱效應可以導致沿切割芯片邊緣的微裂紋，從而降低機械強度。
圖3：硅片切割深度與切割速度的曲線圖，圖中顯示了使用TimeShift技術所實現的加工優化所帶來的益處。
圖4比較了利用單脈沖和分裂子脈沖切割所產生的碎屑和熱影響區（HAZ）的外觀情況，圖中顯示的是切割速度為500mm/s時的圖像。從圖中可以看出，突發模式切割顯示了較高的消融質量，在頂面具有較少的松散碎屑，同時其切割深度比使用單脈沖增加了25％。
圖4：硅片切割質量對比。（a）利用單脈沖切割的俯視圖，切割深度20mm。（b）利用5個子脈沖切割的俯視圖，切割深度25mm。
Quasar激光器所具備的高功率、高激光重復頻率以及TimeShift技術，顯示了實現對硅材料切割質量和吞吐量明顯改善的優勢。
微電子封裝中的氧化鋁陶瓷劃片
由于具備高介電性、高強度、耐腐蝕性、穩定性以及相對低的成本，氧化鋁（Al2O3）陶瓷廣泛用于微電子封裝。對許多應用而言，它也有合適的熱導率。它為安裝多個電子組件，以形成單個模塊提供了良好的基座。在典型的制造方案中，在加工環節結束時，需要將具有多個模塊的大尺寸氧化鋁片分離或單片化為獨立的模塊。單片化的一種常用方法是“劃片和斷裂”。在基于激光的劃片和斷裂工藝中，襯底上的深劃痕由激光建立，然后襯底通過機械力分離。氧化鋁是一種使用傳統機械技術難以加工的材料，但是高功率紫外激光可以為對該材料劃片提供一種干凈和精確的方式。 #p#分頁標題#e#
在Spectra-Physics公司的實驗室中，工程師研究了利用激光器的TimeShift技術的脈沖分裂能力，在各種工作表面能量密度下，增加氧化鋁陶瓷劃片深度的可能性。改變脈沖能量，工程師在不同能量密度下進行激光劃片，而掃描速度保持為500mm/s，重復頻率重復頻率保持為200kHz。收集的一組數據為脈寬20ns，而第二組具有雙脈沖，兩個10ns子脈沖的間隔為10ns。
圖5顯示了采用雙脈沖突發模式微加工相對單脈沖加工的明顯優勢。根據能量密度水平，通過將單個20ns脈沖的能量分裂到兩個子脈沖中，可以實現消融深度增加高達78％。
圖5：氧化鋁劃片深度與能量密度的關系，顯示了TimeShift技術在提升吞吐量方面的益處。
圖6比較了兩種情況下所產生的碎屑和熱影響區（HAZ）的外觀情況，圖中顯示的是激光脈沖重復頻率設定為200kHz，劃片速度500mm/s時，使用單脈沖能量170mJ的單個20ns脈沖，以及能量為101mJ的兩個間隔為10ns的10ns子脈沖，達到4mm的同樣劃片深度的圖像。在每脈沖能量比單脈沖情況低40%達到相同深度的條件下，雙脈沖突發模式劃片顯示了高消融質量，頂面的碎片沒有那么疏松。
圖6：劃片深度為4mm的氧化鋁劃片質量對比。（a）采用單脈沖的頂視圖。（b）采用雙脈沖的頂視圖。
用于平板顯示器的玻璃切割
在顯示器制造過程中，觸摸屏和LCD模塊既需要直線切割獲得單片玻璃，也需要曲線切割來實現各種特性，如轉角、孔和槽（見圖7）。隨著用于消費類電子產品顯示器中的玻璃基板越來越薄、越來越堅硬（經過化學處理或熱處理），激光玻璃加工設備正在實現高品質、高產能加工、同時減少與常規機械加工相關的產量損失方面，顯示出巨大的潛力。
在Spectra-Physics公司的應用實驗室中，工程師已經利用Quasar激光器的TimeShift技術所創建的激光與材料之間的相互作用效應，開發出了玻璃加工工藝。利用Spectra-Physics公司應用實驗室正在申請專利的加工過程，獨特的激光脈沖減少了熱負荷、以及材料中可能出現的碎屑或裂紋。在使用Quasar紫外激光器以超過1.0m/s的直線速度切割康寧Gorilla®、旭硝子Dragontail™和肖特Xensation®等一些化學強化玻璃時，均獲得了較高的切割質量。在切割鈉鈣玻璃以及康寧 Willow®等先進的柔性玻璃時，也獲得了類似的高切割質量；目前工程師正在進行切割藍寶石的工藝開發工作。圖8顯示了切割0.7mm厚的Gorilla玻璃所獲得的切割效果，該玻璃具有40mm深的化學強化層（DOL）。俯視圖顯示了干凈的切割邊緣，具有最小的切割碎屑，并且沒有明顯的微裂紋產生。從切割邊緣的側面圖中可以看到，其切割粗糙度位于典型制造要求所能接受的范圍之內。
圖7：利用Quasar紫外激光器的TimeShift技術實現0.7mm厚Gorilla玻璃的曲線切割。
圖8：玻璃切割質量。（a）使用TimeShift技術切割玻璃的俯視圖；（b）切割邊緣的橫截面顯示了切割面的粗糙度。
用于先進封裝與互連的銅切割
在今天的消費電子設備制造過程中，激光器通常在PCB和柔性互連材料上進行各種各樣的加工過程。這些加工過程包括鉆通孔或鉆盲孔、分板（de-paneling）、切削、激光直接刻圖、維修、修邊、打標以及刮削等。在通常情況下，PCB和連接線可能由各種不同材料、不同層和不同厚度構成。每種材料類型和加工過程，可能都具有其特定的最佳激光加工參數要求。Spectra-Physics的Quasar 355-60紫外激光器，具備提供定制激光脈沖的靈活性，能夠很好地滿足各種不同材料組分和加工過程的具體要求。
例如，典型的柔性電路分離應用中包含清潔和快速切割聚合物襯底上的一層薄銅層（10~20mm）。在很多PCB板上鉆通孔包含消融類似厚度的銅層。為了探討TimeShift技術在這類應用中所具備的更加微妙的潛在效應，工程師在Spectra-Physics的應用實驗室中進行了銅切割的研究。這里，工程師使用的是子脈沖（突發）加工，以增大激光在銅塊上的切割深度。工程師進行了兩組試驗。
在第一組試驗中，能量為20mJ和45mJ的激光脈沖，被分為10個持續時間為5ns的子脈沖，子脈沖之間的時間間隔是變化的。圖9（a）顯示了試驗結果。間隔為10ns的子脈沖，比具有相同能量的單個脈沖（0ns間隔），能切割出更深的凹槽。然而，將子脈沖之間的間隔增加至25ns時，其材料去除速率則比單脈沖的情況更低。利用靈活的TimeShift技術，能夠很容易地實現這樣的加工效果。這能使開發工程師進一步了解主導加工結果的激光與材料之間的相互作用機制，以實現加工速度和加工質量更迅速和更全面的優化。
在第二組試驗中，子脈沖的數目是變化的，同時保持每個脈沖的總能量恒定，并保持子脈沖的時間間隔也恒定。圖9（b）顯示，對于一個5ns的子脈沖持續時間，將該脈沖分裂成一個更大數目的子脈沖，能實現更高的材料去除速率。類似于圖4中顯示的硅片切割結果以及圖6中顯示的氧化鋁劃片結果，多個子脈沖能產生更干凈的切口邊緣和更少的碎屑。
圖9：TimeShift技術在銅切割中所獲得的切割效果。（a）圖顯示了子脈沖時間間隔變化時，材料去除速率的變化；（b）圖顯示了子脈沖數量變化時，材料去除速率的變化。每個突發子脈沖的總能量固定在20mJ或45mJ。
總結
在當今的消費電子設備制造工藝中，激光器通常用于各種材料的微加工。今天，最常用的激光器是調Q紫外DPSS激光器，這得益于其以高精度產生小特征的能力。雖然這些激光器可以做一些工作，但有一定的使用限制。對于這些激光器，隨著激光重復頻率的增加，輸出功率顯著降低，脈寬顯著增加。這限制了工藝工程師以更高激光重復頻率運行激光器的能力，從而限制了微加工的效率、特征尺寸和精度。
為了克服這一限制，Spectra-Physics公司已經開發出了Quasar激光器。Quasar的獨特之處在于不僅在更高激光重復頻率下具有更高的功率，而且所具備的TimeShift技術使得如可調諧的脈寬、脈沖分裂和脈沖整形等先進功能成為可能。Quasar激光器的最新型號，在200-300 kHz的重復頻率下提供>60W的輸出功率，同時保持10ns或更短的脈寬。 #p#分頁標題#e#
Quasar 355nm激光器的加工優勢，已經在幾種常見的微電子材料與現代大規模生產過程中得以展示。上述應用案例已經表明，Quasar紫外激光器能夠在新的加工參數空間（更高激光重復頻率下的更高激光功率）操作，并且利用TimeShift技術提供的先進的脈沖分裂和成形特性，能夠顯著改善加工速度和微加工質量。從上述加工結果中不難看出，激光微加工將會朝著使用Quasar激光器的方向發展。配合適當的參數優化，新型Quasar紫外納秒脈沖激光光源能夠實現高品質和高吞吐量加工，大大擴展了目前的激光微加工能力，以應對制造未來的消費電子產品所面臨的挑戰。
參考文獻
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[4] R. Knappe, H. Haloui, A. Seifert, A. Weis, A. Nebel, "Scaling ablation rates for picosecond lasers using burst micromachining," Proc. SPIE 7585, Laser-based Micro- and Nanopackaging and Assembly IV, 7585, 2010.
作者：Rajesh S. Patel，James Bovatsek
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