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薄膜的激光加工应用详解

2009-05-16 11:01
夜隼008
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         作者:Mike Osborne,Andrew Webb       

        目前,发达国家的典型生活方式离不开廉价的电子设备,各种各样的功能被集成到一个小巧的 设备里。例如,手机、便携式音乐播放器、GPS、PDA和笔记本电脑等,数不胜数(如图1)。

        对于生产精密小巧的电子设备来说,最重要的是缩小设备里电子元件的尺寸。在元件小型化的发展中,人们最为关注的是不同类型晶体管的小型化。该元件的工作原理有赖于所掺杂材料的电学特性,该作用几乎是在原子量级。这就允许有效范围在几十个纳米范围,目前常规的集成电路所用晶体管的门尺寸是45 nm。这么小的尺寸使得在同一个芯片上可以安装无数个晶体管。

        虽然主要元件减小了体积已经是一项重大的技术进步,但是还有许多其它的电子元件,由于元件功能的物理特性,它们的小型化过程更为复杂。电容和电感就是很好的例子。在这些元件中,元件的功能是直接由物理参数(宏观参数)来决定。这从电容和感应系数的表达公式就可以明显的看出来。公式表明,对平行板电容器和螺线管电感器来说,这些数值明显随着它们几何特性——面积(A)、距离(d)和长度( )的改变而改变。

        从薄膜电容器的构造上可以明显看出电容器的几何决定因素,如图2所示贴片元件。

        虽然其它类型的电容器已被开发出来,它们可能有更高的能量密度,但是简单的多层式、平行板电容器仍然在频率响应和等效电阻(ESR)方面具有其优势,因此它是许多应用中的首选。

        为了让电子设备的尺寸更小,必须把肉眼可见的分立元件也缩小,如电容和电感。目前所采用最有效的方法是贴片技术,该技术不仅取消接线器的使用,而且更适合电路版的自动化计数。

        通常,小型贴片电容的物理形态是由一个代码来给出的,该代码给出电容的x和y方向的尺寸,单位是1/100英寸。这样,0402系列电容器的尺寸就是4/100 英寸 ×2/100 英寸(或者是:1×0.5 mm)。

        在实际应用中,薄膜电容器的结构是由许多层的高分子膜构成的,高分子膜上镀有金属。通常,该金属为铝。高分子膜可以有各种不同的选择,如聚丙烯(PP),聚酯(PE),聚苯乙烯(PS)和聚苯硫醚(PPS)。图3为薄膜电容器的示意图(为了更好的说明结构,我们在各层之间外加了间隔)。
       
        在传统的制造业技术中,该结构是通过将两个已经金属化的多聚物薄膜同时卷绕起来而实现的,多聚物薄膜上已经有绝缘轨道。由于电容值是直接与绝缘轨道间距相关的,因此电容器的电学特性是由电容器几百个薄层中轨道距离所能保持的精确度来决定的。随着电容器的尺寸减小(电学容差减小),保持电容卷绕时的精确度就成为严重的技术问题。此外,对这么薄的物质进行加工原本就有很大的难度,如果一旦拉伸的话,金属化薄层的电学连续性就会降低,电容器的电学性能就被破坏。

        传统加工技术的另一项局限性是如何加工绝缘轨道。传统上是通过在多聚物薄膜金属化过程中加上接触掩膜来实现。因此,该掩膜就只是一条“细带子”,被置于材料表面。一旦金属层沉积在材料表面,“细带子”就被取出,从而形成绝缘轨道。

        在实际生产中,许多条件限制了“细带子”的尺寸,也限制了绝缘轨道的宽度。这就导致轨道的宽度超过所需的实际宽度,因此浪费了电容器的有效面积。此外,所需的掩膜非常的细也容易变弯曲,使得它很难操作,易伸张,损坏,或者断掉。此外,在取出掩膜时,容易把金属层扯坏,甚至导致金属层脱离。

        OpTek Systems公司开发出一项新的加工技术。该技术采用了激光在电容卷绕之前直接对绝缘轨道进行加工。这项技术有许多方面的优势,包括了轨道宽度的优化,这就使得电容更加小巧,有效面积的浪费情况更少。其他优势还包括:电容的卷绕更为方便;电容值更加准确;层与层之间的差异更小;消耗品成本降低,不再需要预绝缘的带子,这样的精益生产就省去了存储多种去金属带的麻烦。

        OpTek公司为激光材料的精确加工(微加工)提供不同的系统和服务,它擅长把极具难度的激光加工技术转变为大规模的生产技术。该公司不是激光器生产商,所以它在各类激光的选择上没有任何偏好。因此它能够选择最为合适的激光,并且在任何给定的应用中选取合适的加工参数。

        在实现加工目的时,还有几个技术难题需要解决。可以从如下三个方面来考虑。
       

        对基底材料的破坏

        在电容器中,多聚物层起到绝缘与作为电介质的双重作用。因此,对于给定体积的电容器,为了增大电容值,通常多聚物层在其电学性能允许范围内,尽可能越薄越好,这就给电介质层的性能带来很大影响。绝缘(耐压)性能不可以因为激光加工而有所改变。另外,电介质在所有可能的工作频段的响应也不能有所变更。因为材料非常薄、又易碎,所以上述的要求给激光加工过程带来了技术挑战。

        更复杂的是,由于基底的多聚物薄膜含有很小的(球状)硅颗粒,这些小颗粒是加工时特意引入的,以便提高薄膜的机械“滑动性能 ”,使得它更容易处理和卷曲。从光学角度来说,这些小颗粒在很广的波段内起了球状透镜的作用,它们可能给激光强度带来较大的局部变化。另外,它们也可能由于爆破而带来基底的改变(见图4)。

        


        场增强


        金属层如果有很尖锐的边缘,将导致局域电场增强,使得电容的有效电压比降低。金属层无可避免的一定存在着边缘,但是锯齿状、丝状的边缘,或者金属碎屑颗粒是必须极力避免的(见图5)。
        
        注意事项


        最后一点是,激光加工过程不可以影响电容器几百个分层的卷绕步骤。基于这个考量,金属层在边缘上变厚是不容许发生的。

        选择合适的激光加工参数就能避免所有的负面效应。

        图7给出了在1.2 m厚的基底上一条20 m宽的去金属后轨道。由图可见,该加工对基底没有任何破坏;轨道边缘也没有锯齿或者变厚,没有任何明显的碎屑。

        该加工技术被集成到一个卷绕专用机器上,每台机器每年生产1千万个电容。目前,光电工业采用激光去金属化技术来大规模生产柔性印刷太阳能电池。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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