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3C产品加工的七种超快激光加工技术
本文作者:一也精工  时间:2023-07-20  阅读: 2075

如今,激光加工技术已经渗透到科学研究和工业生产的各个领域。超快激光加工是精密加工的一个活跃分支,其发展尤为引人注目。

随着电子器件朝着精密化、小型化、柔性化方向发展,新型电子器件对加工工艺提出了更高的要求。超快激光加工技术的独特优势吸引着研究人员探索其在电子制造领域的应用。

1、超快激光隐形切割技术

随着手机等智能设备功能的不断提高,显示屏的尺寸和形状也变得多样化,综合屏成为屏幕发展的主流。为了预留组件空间,减少碎屏的可能性,需要对屏幕进行非直角切割。作为激光应力切割技术的延伸,超快激光隐身切割可在透明材料中诱发微裂纹,微裂纹在外力引导下沿激光扫描路径逐渐扩展,从而实现透明材料的分离。


2、超快激光直写技术

随着人们对电子设备小型化和灵活性要求的不断提高,催生了柔性电子是一个新的应用领域。柔性AMOLED屏幕的驱动系统——柔性薄膜晶体管(TFT)要求其沟道长度小于10微米,微纳米图形化是沟道制造的核心。

超快激光直写技术主要利用材料对超快激光的非线性吸收,使有源区的物理化学性质发生变化,通过控制光束的扫描实现二维或三维成型。超快激光直写技术不需要掩模,加工分辨率可以达到纳米量级,独特的“冷”加工机理特别适用于耐热性较差的柔性有机材料的微纳结构加工。超快激光直写也可用于微电路的制作,所需的图案化电路可直接在镀铜或镀金层上加工,已成为基于柔性有机聚合物基板的电子器件制造中的独特加工方法。


3、超快激光脉冲沉积技术

具有特定功能的薄膜材料是制造先进电子器件的基础,而柔性电子对薄膜厚度和质量要求更高。

超快激光脉冲沉积技术因其高质量的薄膜生长能力而备受关注,超快激光的高功率密度可以蒸发任何难熔材料,超短脉冲特性使其与材料相互作用时产生的颗粒更细小,因此在薄膜制备中具有重要意义,尤其是对于高熔点材料。


4、超快激光剥离技术

随着微器件和大规模集成技术的发展,选择性芯片剥离和转移逐渐成为芯片组装和维护的关键技术。激光剥离(LLO)是一种利用激光能量作用于材料界面实现材料分离的技术,广泛应用于有机发光二极管屏幕制造工艺。选择性激光剥离(SLLO)技术也被应用于芯片剥离和组装,与传统的LLO技术不同,SLLO技术主要用于剥离小面积或结构单元,更适合微型器件的更换和维护。

尽管将超快激光引入激光剥离仍处于探索阶段,但现有的研究工作表明,由于超快激光固有的物理特性,超快激光剥离具有很强的局部约束性,几乎不会产生热效应,也不会损伤电子器件的其他非剥离功能层。


5、超快激光诱导前向转移技术

激光诱导前向转移(LIFT)技术是通过激光脉冲照射透明基底表面的薄膜材料,将薄膜加热到熔融状态,并将其转移到与平行基底放置的液态受体表面。与LLO激光剥离技术相比,LIFT技术具有更高的选择性,可以快速沉积小尺寸图形和微结构。然而,具有超快激光的激光诱导前向转移技术可以产生特征尺寸达到微纳米水平的图案。据报道,飞秒激光诱导前向转移技术被用于制备微米级银导线,可应用于微电子器件。

此外,通过在薄膜材料和透明基底之间添加聚合物牺牲层,LIFT技术也可以用于微电子机械系统(MEMS)的转移和组装。


6、超快激光微孔制造技术

传统的二维集成电路芯片是在一个平面上集成一层半导体器件,通过引线键合连接,但是光刻尺寸、器件尺寸已经接近物理极限,摩尔定律受到越来越多的挑战。因此,集成电路逐渐呈现出以高密度互连技术为主体的积层化、多功能化的特征,基于硅通孔(TSV)互连的三维集成技术将导致集成电路发生根本性的变化。

晶圆微孔制备是TSV技术的主要难点,超快激光制孔因其热影响区小、边缘熔渣少、适用于加工脆硬材料等,逐渐成为微孔制备领域的热点技术,应用于TSV中微孔的制备。512GB高密度闪存芯片由48片晶圆堆叠而成,晶圆厚度仅为40μm,芯片的TSV采用激光钻孔制作。深紫色皮秒激光加工系统可以在0.1毫米厚边缘光滑的碳化硅上钻直径为10微米的孔。利用皮秒激光可以在300微米厚的玻璃上实现小直径为48微米的通孔。


7、透明材料的超快激光微焊接技术

透明材料的微焊接技术是超快激光在电子封装领域的另一个主要应用,利用透明材料作为集成与封装的基板,可以有效拓展器件的使用功能,近年来在MEMS封装中得到了广泛应用。

利用飞秒光纤激光,在1 MHz的高重复频率脉冲下,通过单线/多线将石英熔化,从而实现玻璃的焊接和密封。采用红外飞秒激光对环烯烃共聚物基板上的微流控器件进行封装,通过0.6MPa的流体压力测试其密封性能,焊缝外无任何泄漏;这项技术还应用于石英玻璃和单晶硅的异种材料的焊接。超快激光技术应用于新有机发光二极管折叠屏手机透明基板的封装,以满足其严格的环保要求。


展望与发展

超快激光加工的主要发展趋势包括以下四个方面:

1)探索对超快激光与物质相互作用机制的系统认知和理解,建立激光和物质相互作用的多尺度理论体系,如分析模型和表达关系,从电子层面理解光场控制下超快激光加工的新现象和新效应;

2)针对多种材料组成的功能层,开发超快激光直写、剥离、微焊接及封装技术,并在此基础上开发超快激光加工动态行为与在线监测反馈设备及关键技术研究;

3)突破加工规模的限制,实现从100mm到数纳米跨尺度的高效超快激光加工技术;

4)全面拓展复合超快激光加工技术,实现多能量(激光+其他形式能量)复合、多方法(物理+化学)复合,发展高效低缺陷超快激光复合加工技术。


总结

超快激光加工因其对材料的广泛适用性而成为加工特殊材料的重要技术,然而在超快激光器系统成本、超快激光非线性调节等方面,仍有许多问题和改进亟待解决。相信随着超快激光与材料相互作用机理的深入研究,加工工艺和加工参数的不断探索和优化,创新原理和元件的开发与应用,超快激光加工技术必将突破技术壁垒,在更广阔的高端制造领域产生很大的经济和应用价值。

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