激光加工陶瓷基板孔有哪些工藝難點(diǎn)？

發(fā)布時(shí)間 | 2024-01-17 09:01 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 652

碳化硅氧化鋁

導(dǎo)讀：目前，在電子封裝領(lǐng)域，陶瓷基板是常用的一種電子封裝基片材料，與金屬基片和樹脂基片相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：絕緣性能好，可靠性高；介電系數(shù)較小，高頻特性好；熱膨脹系數(shù)小，熱失配率低；熱導(dǎo)...

目前，在電子封裝領(lǐng)域，陶瓷基板是常用的一種電子封裝基片材料，與金屬基片和樹脂基片相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：絕緣性能好，可靠性高；介電系數(shù)較小，高頻特性好；熱膨脹系數(shù)小，熱失配率低；熱導(dǎo)率高；氣密性好，化學(xué)性能穩(wěn)定；耐蝕性好，不易產(chǎn)生微裂等現(xiàn)象。因此，陶瓷基板已成為成為大功率、高密度、高溫及高頻器件封裝的首選。但由于陶瓷材料的硬脆特性，傳統(tǒng)機(jī)械加工方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且易對基板造成損傷，在眾多新型特種加工技術(shù)中，激光加工是一種無接觸加工方法，無刀具磨損，具有高精度及高靈活性，是硬脆材料加工的首選方法。

打孔是激光在HTCC和LTCC以及DPC制作過程中應(yīng)用最多的工藝加工方式，打孔的孔徑大小、位置、精度等，直接影響基板內(nèi)部走線的通斷、布線密度、基板質(zhì)量以及成品率。目前，關(guān)于激光加工孔特征尺寸的研究較多，而往往忽略了孔的特征形貌。但高能量長脈沖激光聚焦于材料上時(shí)無法避免的強(qiáng)烈熱效應(yīng)等導(dǎo)致加工的陶瓷基板表面孔帶有重鑄層、微裂紋及變性熱影響區(qū)等，影響孔的形貌，進(jìn)而影響基板性能。

通常，以毫秒激光為代表的長脈沖激光的熱效應(yīng)最為嚴(yán)重，加工的孔帶有嚴(yán)重的孔口噴濺物、重鑄層和微裂紋；以納秒激光為代表的短脈沖激光的熱效應(yīng)相對較小，加工孔的形貌質(zhì)量普遍有很大提升；而超快激光（脈沖寬度≤12ps）具有“冷加工”特性，可以最大限度地限制熱效應(yīng)的影響，進(jìn)而加工出更高形貌質(zhì)量的孔。

陶瓷封裝基板生產(chǎn)工藝流程

對于孔的激光加工，涉及的評價(jià)內(nèi)容主要包括：微孔的特征尺寸，即孔的直徑和深度；孔的特征形貌，包括孔的表面形貌特征（如孔口圓度、孔口表面噴濺物、孔口表面熱影響區(qū)和孔口表面微裂紋）及孔的側(cè)壁形貌特征，如孔的錐度、孔的側(cè)壁表面形貌（含表面微裂紋）、側(cè)壁重鑄層和側(cè)壁熱影響區(qū)。

陶瓷基板激光打孔效果圖

孔口表面噴濺物可通過噴濺物高度和范圍表征；孔口表面熱影響區(qū)、側(cè)壁重鑄層和側(cè)壁熱影響區(qū)主要通過熱影響區(qū)/重鑄層寬度（厚度）表征；孔口表面微裂紋和孔的側(cè)壁表面形貌（含表面微裂紋）的檢測主要依靠顯微放大儀器如光學(xué)顯微鏡、電子掃描顯微鏡(SEM)等。

對于陶瓷的激光加工，由于其原子間結(jié)合鍵的特點(diǎn)和氣孔雜質(zhì)的存在，材料內(nèi)部的缺陷在激光加工熱應(yīng)力的作用下斷裂形成微裂紋。

激光加工孔產(chǎn)生微裂紋

不同類型的激光加工技術(shù)加工電子封裝陶瓷基板孔的特點(diǎn)

加工類型	加工原理	加工效果影響因素	工藝調(diào)控
毫秒激光加工	激光能量被加工區(qū)域材料吸收、累積，溫度升高到熔點(diǎn)時(shí)，陶瓷熔化、蒸發(fā)的熱熔過程	熱效應(yīng)使孔口表面堆積的熱熔物、激光掃描速度、鹽溶液和水中等加工環(huán)境影響孔圓度；激光脈沖、功率等參數(shù)影響孔表面噴濺物覆蓋范圍、裂紋形成、孔側(cè)壁形貌等	液體環(huán)境加工；采用凝膠注模成型技術(shù)制備素坯；降低脈沖的占空比、增大冷卻氣體壓力和離焦加工等方法降低熱影響區(qū)的拉應(yīng)力，避免裂紋產(chǎn)生；激光水射流復(fù)合加工減小孔壁重鑄層的厚度；優(yōu)化激光加工參數(shù)
納秒激光加工	主要包括光熱作用和光化學(xué)作用，光熱為材料吸收激光能量熔化蒸發(fā)，光化學(xué)為材料直接吸收激光光子能量，導(dǎo)致其分子鍵斷裂，陶瓷晶粒被消融成為更小的分子，在外力作用下被去除	激光重復(fù)頻率、掃描間距等影響孔圓度；激光能量、重復(fù)頻率和脈沖強(qiáng)度影響孔壁氧含量進(jìn)而呈現(xiàn)不同的顏色，以及側(cè)壁重鑄層；同心圓掃描間距、掃描速度影響孔錐度；激光跳轉(zhuǎn)方向和掃描模式影響孔側(cè)壁形貌	采用更短波長的準(zhǔn)分子納秒激光可以實(shí)現(xiàn)無熔凝物無微裂紋的氧化鋁表面孔加工；通過甲醇溶液輔助加工，可有效去除激光加工碳化硅陶瓷孔表面的熔融物殘留；溶液輔助激光加工可改善孔錐度
超快激光加工	多光子電離誘導(dǎo)光學(xué)擊穿，使得陶瓷材料表面薄層轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呶招缘牡入x子體，吸收激光能量加熱材料，導(dǎo)致材料燒蝕去除	激光的偏振特性和材料雜質(zhì)影響孔的圓度；激光脈沖影響材料去除率；不同導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)等特性的陶瓷材料具有不同的燒蝕坑形貌；激光能量密度影響熔渣噴濺范圍；激光聚焦面的位置影響孔錐度	采用高環(huán)切速度結(jié)合更多的環(huán)切次數(shù)，或進(jìn)行多組間隔孔加工，可有效減少孔口周圍的裂紋；激光聚焦面位置逐漸向材料內(nèi)部即孔深度方向進(jìn)給的螺旋加工能夠獲得更小錐度的孔；超快激光水輔助加工可以改善孔的錐度

通過不同激光加工方式的對比，值得注意的是，超快激光的“冷加工”特性使之產(chǎn)生的熱效應(yīng)極小甚至無熱效應(yīng)產(chǎn)生，相比非超快激光，其加工的陶瓷孔的形貌質(zhì)量有了極大的提升。

幾種加工方式的主要關(guān)鍵點(diǎn)在于：

（1）對于孔的圓度，在毫秒激光加工中，增大掃描速度，孔的圓度變差；在納秒激光加工中，重復(fù)頻率越高，孔的圓度越好，存在最優(yōu)掃描間距，此時(shí)可以獲得較好的孔圓度；在超快激光加工中，選擇合適的插補(bǔ)誤差，既可以保證圓度又可以保證加工效率；

孔的圓度

（2）對于孔口表面噴濺物，激光能量越大，重復(fù)頻率越高，噴濺物范圍越寬；在毫秒激光加工中，脈沖寬度越大，表面噴濺物越多，噴濺范圍越寬；在超快激光加工中，掃描速度越大，噴濺物范圍越寬；

孔口噴濺物

（3）激光陶瓷基板孔加工的表面裂紋主要是由熱效應(yīng)導(dǎo)致的表面應(yīng)力集中引起的，切向應(yīng)力普遍誘導(dǎo)徑向裂紋，徑向應(yīng)力誘發(fā)環(huán)狀裂紋；孔間裂紋擴(kuò)展，形成群孔裂紋擴(kuò)展路徑，最終使得樣片斷裂。水環(huán)境等輔助加工可以減少孔表面噴濺物和裂紋，提高孔的表面形貌質(zhì)量；

表面裂紋

（4）激光加工陶瓷基板孔的錐度與激光能量、重復(fù)頻率、脈沖寬度、焦點(diǎn)位置、氣壓及加工環(huán)境等均有關(guān)。在毫秒激光加工中，掃描速度越大，孔的錐度越大；在納秒激光加工中，掃描間距越大，孔的錐度越大。對于不同厚度和直徑的孔，選擇合適的加工填充樣式，可以獲得更小的孔錐度；

不同加工環(huán)境的孔錐度

（5）對于孔的側(cè)壁重鑄層，即便是采用具有“冷加工”特性的超快激光也無法完全避免，毫秒激光加工陶瓷基板孔側(cè)壁的重鑄層較厚，在優(yōu)化參數(shù)下，納秒和超快激光加工孔側(cè)壁的重鑄層厚度差異不大。水射流輔助加工和水環(huán)境輔助加工等可以有效減小重鑄層厚度。后處理如溶液腐蝕等可以完全去除孔側(cè)壁的重鑄層。還需要指出的是，孔側(cè)壁重鑄層表面普遍分布大量的微裂紋，尤其是毫秒激光加工，且裂紋沿晶粒方向擴(kuò)展。