激光在电子加工业中的技术应用

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0.引言
激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展。激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴科学技术的出现—激光技术。目前，激光技术的应用已广泛深入到工业、农业、军事、医学乃至社会的各个方面，对人类社会的进步正在起着越来越重要的作用，已成为当今新技术革命的“带头技术”之一。
1.激光加工技术的优势
加工领域是激光技术应用的最大领域。激光加工技术，是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工，以及作为光源识别物体等的一门技术，已成为工业生产自动化的关键技术。激光具有的宝贵特性—相干性好、单色性好、方向性好、亮度高，决定了激光在加工领域存在的优势:
①无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的;
②可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料;
③可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工;
④激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小，因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小;
⑤激光加工过程中无”刀具’.磨损，无‘’切削力”作用于工件;
⑥激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法;
⑦使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。
2.激光加工技术在电子工业中的应用
激光加工技术属于非接触性加工方式，所以不产生机械挤压或机械应力，特别符合电子行业的加工要求。另外，还由于激光加工技术的高效率、无污染、高精度、热影响区小，因此在电子工业中得到广泛应用。
2.1.激光微调
激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%一0.002%，比传统方法的精度和效率高，成本低。集成电路、传感器中的电阻是一层电阻薄膜，制造误差达上15一20%，只有对之进行修正，才能提高那些高精度器件的成品率。激光可聚焦成很小的光斑，能量集中，加工时对邻近的元件热影响极小，不产生污染，又易于用计算机控制，因此可以满足快速微调电阻使之达到精确的预定值的目的。加工时将激光束聚焦在电阻薄膜上，将物质汽化。微调时首先对电阻进行测量，把数据传送给计算机，计算机根据预先设计好的修调方法指令光束定位器使激光按一定路径切割电阻，直至阻值达到设定值，同样可以用激光技术进行片状电容的电容量修正及混合集成电路的微调。优越的定位精度，使激光微调系统在小型化精密线形组合信号器件方面提高了产量和电路功能。
2.2.激光划片
激光划技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为15-25μm，槽深5-200μm)、加工速度快(可达200mm/s)，成品率达99.5%以上。集成电路生产过程中，在一块基片上要制备上千个电路，在封装前要把它们分割成单个管芯。传统的方法是用金刚石砂轮切割，硅片表面因受机械力而产生辐射状裂纹。用激光划线技术进行划片，把激光束聚焦在硅片表面，产生高温使材料汽化而形成沟槽。通过调节脉冲重叠量可精确控制刻槽深度，使硅片很容易沿沟槽整齐断开，也可进行多次割划而直接切开。由于激光被聚焦成极小的光斑，热影响区极小，切划50μm深的沟槽时，在沟槽边25μm的地方温升不会影响有源器件的性能。激光划片是非接触加工，硅片不会受机械力而产生裂纹。因此可以达到提高硅片利用率、成品率高和切割质量好的目的。还可用于单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池的划片以及硅、锗、砷化稼和其他半导体衬底材料的划片与切割。2.3.激光精密焊接
激光焊接是用激光束照射材料使之熔化而不汽化，在冷却后成为一块连续的固体结构。焊接速度快、深度/宽度比高、工件变形小;不受电磁场影响，激光在室温、真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接;可焊接难熔材料如钦、石英等，并能对异性材料施焊;可进行微型焊接;可对难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性;激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。电子元器件制造过程中需要点焊、密封焊、叠焊，由于元器件不断向小型化发展，要求焊点小、焊接强度高、焊接时对周围热影响区小。传统的焊接工艺难以满足需要，而激光焊接可以实现。显像管电子枪组装采用激光点焊工艺后，质量大大提高，目前彩色显像管生产线几乎都装备了脉冲激光点焊机。计算机键盘的字键簧片采用激光点焊工艺可使击打寿命超过2千万次。小型航空继电器采用激光密封焊工艺后，其泄露率降低。光通讯中有许多同轴器件，如光隔离器、光纤祸合器等，为了保证光信号衰减小于0.ldb，要求在焊接时器件的圆周畸变量小于1μm，中心偏移量小于0.2μm。因此必须采用沿圆周多点同步焊接，激光很容易经过分束后通过光纤传输实现多点同步加工，能量可精密控制，解决了传统加工方法难以解决的问题。
2.4.激光精细打孔
激光打孔技术的原理简单，做法方便，利用激光的相干性，用光学系统把它聚焦成很微小的光点(直径小于1微米)，这相当于“微型钻头”。其次，激光在聚焦的焦点上的激光能量密度很高，普通激光器产生的能量可达109J/cm2，足以在材料上留下小孔。打出的小孔孔壁规整，没有什么毛刺。质量不仅非常好，特别是在打大量同样的小孔时，还能保证多个小孔的尺寸形状统一，而且钻孔速度快，生产效率高。微电子电路集成度不断提高，为了提高电路板布线密度，要使用多层印刷电路板，在板上钻成千上万个小孔，层间互连的微通道技术显露出越来越高的重要性。通道的直径一般为0.025-0.25mm，用传统的机械钻孔或冲孔工艺不仅价格昂贵，难以保证质量，更不可能加工盲孔。用激光不但可以加工出高质量的小孔和盲孔，而且可以加工任意形状的孔或进行电路板外形轮廓切割。全固化的紫外波段激光器，可在计算机控制下通过扫描振镜系统对电路板进行钻孔、刻线或切割等精细加工，在50μ厚的聚酞亚胺薄膜上打直径30μ的孔，每秒可以打约250个孔。
2.5.激光打标
激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标有雕刻和掩模成像两种方式:掩模式打标用激光把模版图案成像到工件表面而烧蚀出标记。雕刻式打标是一种高速全功能打标系统。激光束经二维光学扫描振镜反射后经平场光学镜头聚焦到工件表面，在计算机控制下按设定的轨迹使材料汽化，可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，激光标记是永久性的，不易磨损，这对产品的防伪有特殊的意义。已大量用在给电子元器件、集成电路打商标型号、给印刷电路板打编号等。近年来紫外波段激光技术发展很快，由于材料在紫外波激光作用下发生电子能带跃迁，打破或削弱分子间的结合键，从而实现剥蚀加工，加工边缘十分齐整，因此在激光标记技术中异军突起，尤其受到微电子行业的重视。准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子领域。