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常见激光微加工技术及其进展情况

2016-11-07 09:28
孤身万里游
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  一、引言

  自1960年第一台激光器问世以来,激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业。随着激光器件、新型受激辐射光源,以及相应工艺的不断革新与优化,尤其是近20年来,激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业,并开始取代或改造某些传统的加工业。

  1987 年美国科学家提出了微机电系统(MEMS)发展计划,这标志着人类对微机械的研究进入到一个新的时代。目前,应用于微机械的制造技术主要有半导体加工技术、微光刻电铸模造(LIGA)工艺、超精密机械加工技术以及特种微加工技术等。其中,特种微加工方法是通过加工能量的直接作用,实现小至逐个分子或原子的去除加工。特种加工是利用电能、热能、光能、声能、化学能等能量形式进行加工的,常用的方法有:电火花加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工、电解加工等等。近年来发展起来一种可实现微小加工的新方法:光成型法,包括立体光刻工艺、光掩膜层工艺等。其中利用激光进行微加工显示出巨大的应用潜力和诱人的发展前景。

  为适应21世纪高新技术的产业化、满足微观制造的需要,研究和开发高性能激光源势在必行。作为激光加工的一个分支,激光微加工在过去十年被广泛关注。其中原因之一是由于更加有效的激光源不断涌现。比如具有非常高峰值功率和超短脉冲固体激光,有很高光束质量的二极泵浦的Nd:YAG激光器等。另外一个原因是有了更为精确、高速的数控操作平台。但一个更为重要的原因是不断涌现的工业需求。在微电子加工中,半导体层的穿孔、寄存器的剪切和电路修复都用到激光微加工技术。激光微加工一般所指加工尺寸在几个到几百微米的工艺过程。激光脉冲的宽度在飞秒(fs)到纳秒(ns)之间。激光波长从远红外到X射线的很宽波段范围。目前主要应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。随着激光微加工技术的发展和成熟,将在更广的领域得到推广和应用。

  二、激光微加工技术的主要应用

  随着电子产品朝着便携式、小型化的方向发展,单位体积信息的提高(高密度)和单位时间处理速度的提高(高速化)对微电子封装技术提出不断增长的新需求。例如现代手机和数码相机每平方厘米安装大约为1200条互连线。提高芯片封装水平的关键之处就是在不同层面的线路之间保留微型过孔的存在,这样通过微型过孔不仅提供了表面安装器件与下面信号面板之间的高速连接,而且有效地减小了封装面积。

  另一方面,随着近年来全球手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子产品向轻、薄、短、小的趋势发展,印制线路板(PCB)逐步呈现出以高密度互连技术为主体的积层化、多功能化特征。为了有效地保证各层间的电气连接以及外部器件的固定,过孔(via)已成为多层PCB的重要组成部分之一。目前钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%-40%。在高速、高密度的PCB设计时,设计者总是希望过孔越小越好,这样板上不仅可以留有更多的布线空间。而且过孔越小,越适合用于高速电路。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm,这显然已不能满足要求,代而取之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm 左右的小孔。

  激光微加工技术在设备制造业、汽车以及航空精密制造业和各种微细加工业中可用激光进行切割、钻孔、雕刻、划线、热渗透、焊接等,如20多微米大小的喷墨打印机的喷墨口的加工。利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理技术来加工多种微型光学元件,也可通过诸如激光填充多孔玻璃,玻璃陶瓷的非晶化来改变组织结构,然后,通过调和外部机械力,再在软化阶段依靠等离子体辅助进行微成形来加工微光学元件。

  常用激光微加工技术

  激光微加工技术具有非接触、有选择性加工、热影响区域小、高精度与高重复率、高的零件尺寸与形状的加工柔性等优点。实际上,激光微加工技术最大的特点是“直写”加工,简化了工艺,实现了微型机械的快速成型制造。此外,该方法没有诸如腐蚀等方法带来的环境污染问题,可谓“绿色制造”。在微机械制造中采用的激光微加工技术有两类:

  1) 材料去除微加工技术,如激光直写微加工、激光LIGA 等;

  2) 材料堆积微加工技术,如激光微细立体光刻、激光辅助沉积、激光选区烧结等。

  2.1 激光直写技术

  准分子激光波长短、聚焦光斑直径小、功率密度高,非常适合于微加工和半导体材料加工。在准分子激光微加工系统中,大多采用掩膜投影加工,也可以不用掩膜,直接利用聚焦光斑刻蚀工件,将准分子激光技术与数控技术相结合,综合激光光束扫描与X-Y 工作台的相对运动以及Z 方向的微进给,可以直接在基体材料上扫描刻写出微细图形,或加工出三维微细结构。目前采用准分子激光直写方式可加工出线宽为数微米的高深宽比微细结构。另外,利用准分子激光采取类似快速成型(RP)制造技术,采用逐层扫描的方式进行三维微加工的研究也已取得较好结果。

  2.2 激光LIGA 技术

  它采用准分子激光深层刻蚀代替载射线光刻,从而避开了高精密的载射线掩膜制作、套刻对准等技术难题,同时激光光源的经济性和使用的广泛性大大优于同步辐射载光源,从而大大降低 LIGA 工艺的制造成本,使LIGA技术得以广泛应用。尽管激光LIGA 技术在加工微构件高径比方面比载射线差,但对于一般的微构件加工完全可以接受。此外,激光LIGA 工艺不像载射线光刻需要化学腐蚀显影,而是“直写”刻蚀,不存在化学腐蚀的横向浸润腐蚀影响,因而加工边缘陡直,精度高,光刻性能优于同步载射线光刻。

  2.3 激光微立体光刻(mSL)技术

  它是立体光刻(SLA)工艺这一先进的快速成型技术应用到微制造领域中衍生出来的一种加工技术,因其加工的高精度与微型化,故称为微立体光刻(Microstere-olithography 或mSL)。同其他微加工技术相比,微立体光刻技术最大的特点是不受微型器件或系统结构形状的限制,可以加工包含自由曲面在内的任意三维结构,并且可以将不同的微部件一次成型,省去微装配环节,如图2所示。此外,该技术还有加工时间短、成本低、加工过程自动化等优点,为微机械批量化生产创造了有利条件。该技术的局限性在于两方面:

   精度较低,目前基于快速成型的微加工技术的最高水平方向的精度在1mm 左右,而垂直方向大约为3mm,显然这一精度无法同基于集成电路的硅微加工工艺相比。

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