移動設備例如智能手機和平板電腦正在以迅猛的速度增長。由於(yu) 移動設備變得越來越小，速度越來越快，重量越來越輕，價(jia) 格越來越便宜，同時也越來越多功能，並且更複雜，因而零部件的製造也向小型化和精密化發展。對於(yu) 一些關(guan) 鍵的零部件，如半導體(ti) 芯片、微電子封裝、觸摸顯示屏和印刷電路板（PCBs），它們(men) 將繼續麵臨(lin) 挑戰，例如提高良品率和生產(chan) 率，同時還要降低成本。這推動了激光在移動設備製造中的廣泛應用。由於(yu) 設備日益複雜，因而需要更多和更複雜的製造工藝，同時對激光光源的研究進展也提出了更高要求。

用波長和脈衝(chong) 寬度更短以及低的M2（光束質量）的激光器能創造一個(ge) 聚焦更集中的光斑，並能保持最小的熱影響區（HAZ），從(cong) 而實現更精密的微加工。高的能量吸收，尤其是在紫外（UV）波長和短脈衝(chong) 範圍，材料將被迅速汽化，從(cong) 而減少熱影響區和炭化。較小的聚焦光斑可以實現精度較高、尺寸較小的加工。高功率、高脈衝(chong) 重複頻率（PRF）、脈衝(chong) 整形和脈衝(chong) 分裂都可以為(wei) 提高微加工的生產(chan) 率做出貢獻。持續的較高的脈衝(chong) 穩定性能確保過程的可重複性，幫助實現更高的良品率。

傳(chuan) 統的紫外Q開關(guan) 二極管泵浦固體(ti) （DPSS）激光器能合理地滿足精密製造的要求，但是它們(men) 在實現更高的加工速度和較高的微加工質量方麵還有所欠缺。提高加工速度的常用方法是在保持其他工藝參數不變的同時提高激光的脈衝(chong) 重複頻率。然而，對於(yu) 典型的Q開關(guan) DPSS激光器來說，這是不可能實現的。這些激光器的平均功率和脈衝(chong) 能量會(hui) 隨著脈衝(chong) 重複頻率的增加而迅速下降。此外，在脈衝(chong) 重複頻率較高時，激光脈衝(chong) 寬度和脈衝(chong) 能量波動往往會(hui) 大幅增加。

為(wei) 了克服這些限製，需要研發新的激光技術，因此Spectra-Physics公司在2013年推出了一款獨特的高功率和短脈衝(chong) 寬度的高重複頻率紫外混合光纖激光器，功率為(wei) 40W（250kHz、355nm波長），之後又在2014年擴展到60W（200-300kHz），並在平均功率和脈衝(chong) 能量方麵都有提高。同時，它的最小脈衝(chong) 寬度從(cong) 5ns下降至2ns，最大的脈衝(chong) 重複頻率從(cong) 500kHz增至3.5MHz。這些輸出特性為(wei) 工程師們(men) 提供了新的物理條件來實現更廣闊的激光工藝參數空間。

本文將高脈衝(chong) 重複頻率下，高功率和獨立可調的紫外激光脈衝(chong) 寬度以及先進的脈衝(chong) 調控技術結合起來，並將其應用於(yu) 各種微電子材料的微加工中，包括矽（在芯片製造中的應用）、氧化鋁（在微電子封裝製造中的應用）、玻璃（觸摸顯示屏製造中的應用）和銅（印刷電路板和微電子封裝製造中的應用）。

半導體(ti) 製造中的矽刻劃

用激光刻劃矽片可以替代傳(chuan) 統的精密鋸切割。由於(yu) 晶片變得越來越薄，同時激光變得更強大，因而和鋸切割相比，激光的優(you) 勢進一步加強。要想與(yu) 傳(chuan) 統的鋸切割競爭(zheng) ，實現更高的劃刻速度和更好的切割質量是至關(guan) 重要的。

我們(men) 使用Quasar激光器對厚度小於(yu) 100μm的拋光單晶矽片進行熱損傷(shang) 最小的高速刻劃。在圖1中，曲線顯示，隨著劃刻速度的增加，劃刻深度會(hui) 降低（200 kHz、25ns單脈衝(chong) ）。在較高的重複頻率下使用較高的功率，同時TimeShift技術    可以用軟件設置範圍廣泛的脈衝(chong) 能量和脈衝(chong) 寬度，最終我們(men) 可以看到，刻劃速度提高了差不多3倍（25ns單脈衝(chong) ，50μm的刻劃深度）。

圖1 ： 矽刻劃的深度和速度曲線， 可以看到TimeShift技術帶來的優(you) 化。

圖2顯示了刻劃產(chan) 生的碎片和熱影響區，它是在單脈衝(chong) 和能量相同的情況下使用TimeShift技術來創造一個(ge) 脈衝(chong) 串（value="500" unitname="mm">500mm/s和200 kHz）。使用這種技術的劃刻可以實現較高的燒蝕質量，並且在上表麵會(hui) 產(chan) 生較少的碎片，不過劃刻的深度要比使用單脈衝(chong) 的深度高出25%。

圖2：使用單脈衝(chong) TimeShift技術進行刻劃的效果，圖(a)中的刻劃深度為(wei) 20μm，圖(b)中的刻劃深度為(wei) 25μm。

氧化鋁陶瓷的刻劃

氧化鋁（Al2O3）陶瓷具有高的介電性能，再加上高強度、耐腐蝕性、高穩定性和相對較低的成本，得以廣泛用於(yu) 微電子封裝。在典型的製造過程中，具有多個(ge) 模塊的大尺寸氧化鋁基板最終要被分離成單個(ge) 的模塊（切單）。在常用的刻劃技術中（“劃片並斷開”），使用激光器在基板上進行深的刻劃，然後通過機械加壓來使基板斷開並分離。高功率紫外激光器可以實現幹淨、精確的高速刻劃。

類似於(yu) 矽刻劃，我們(men) 可以看到，當使用Quasar激光器以較高的速度進行氧化鋁刻劃時，可以借助較高的功率和TimeShift技術來實現最小的熱效應。圖3顯示，使用了雙脈衝(chong) 串的微加工比單脈衝(chong) 加工具有很明顯的優(you) 勢。將20ns單脈衝(chong) 能量分裂為(wei) 兩(liang) 個(ge) 子脈衝(chong) ，燒蝕深度能增加78%。同樣，圖4顯示了雙脈衝(chong) 模式下進行同樣深度的刻劃所使用的能量比單脈衝(chong) 要少40%，同時上表麵的碎片也更少。

圖3：氧化鋁的刻劃深度vs能量注量曲線，顯示了TimeShift技術對生產(chan) 率的影響。

圖4：對使用TimeShift技術進行氧化鋁劃刻的質量進行比較。

圖(a)是使用了單脈衝(chong) 模式（170μJ/脈衝(chong) ）的上表麵視圖，圖(b)是使用了雙脈衝(chong) 模式（170μJ/脈衝(chong) ）的上表麵視圖。這兩(liang) 種情況中的劃刻深度都是4μm。

平板顯示器中的玻璃切割

在顯示器製造過程中，觸摸屏和LCD的玻璃塊的剝離需要直線切割，而創建角、孔和槽則需要曲線切割。消費類電子產(chan) 品中使用的玻璃基板通過各種化學或者熱處理而變得越來越薄，強度也越來越高，因而用激光加工玻璃在實現高質量的切割和高的生產(chan) 率方麵顯示出巨大的潛力，同時還能減少傳(chuan) 統的機械劃刻和剝離工藝所帶來的產(chan) 量損失。

我們(men) 開發的TimeShift技術是一種利用了激光與(yu) 物質間相互作用的效應來進行玻璃加工的技術。該技術正在申請專(zhuan) 利中。在該技術中，對單個(ge) 激光脈衝(chong) 進行修改，可以減少熱負荷和造成的材料碎塊或碎片。這在化學強化玻璃的切割中可以實現較好的切割質量以及超過value="1.5" unitname="m">1.5m/s的線切割速度，例如康寧大猩猩玻璃（Corning Gorilla）、旭硝子龍尾係列玻璃（Asahi Dragontail）和肖特（Schott）Xensation玻璃。在鈉鈣玻璃和先進的柔性玻璃（例如康寧Willow玻璃）的加工中能得到類似的結果，而對於(yu) 藍寶石加工的工藝開發也正在進行中。圖5顯示了在value=".7" unitname="mm">0.7mm厚的康寧大猩猩玻璃中的加工結果，該玻璃具有40μm厚的化學強化層（DOL）。從(cong) 圖中可以看出，切割的邊緣非常幹淨，並且具有很少的碎片，也沒有可見的微細裂紋。

圖5：使用Quasar激光器的TimeShift技術在value=".7" unitname="mm">0.7mm厚的康寧大猩猩玻璃（具有40μm厚的化學強化層）上進行直線、曲線和孔的切割。

先進封裝和互連中的銅切割

對聚合物基板上的薄的（10-20μm)銅層進行幹淨而快速的切割，這是一個(ge) 典型的柔性電路分板切割的應用。此外，PCB結構中的鑽孔包括了對類似厚度的銅層進行燒蝕。我們(men) 研究了TimeShift技術在這些應用中的潛在效用，主要是通過使用子脈衝(chong) （脈衝(chong) 串）來進行銅的刻劃，以提高刻槽的深度。

圖value="6" unitname="a">6a顯示了同樣能量下，相比單脈衝(chong) （0納秒的脈衝(chong) 間隔），用10ns脈衝(chong) 間隔能創建更深的溝槽。然而，將脈衝(chong) 間隔增加到25ns時，會(hui) 導致材料去除率比單脈衝(chong) 更低。這些影響可以借助TimeShift技術的靈活性來輕易消除。從(cong) 而能為(wei) 研發工程師考慮激光材料相互作用的機製帶來靈感，因而可以獲得更快速和更全麵的工藝優(you) 化以實現更高的速度和更好的質量。

圖6b顯示了在5ns子脈衝(chong) 持續時間下，將脈衝(chong) 總能量分成更多的子脈衝(chong) ，會(hui) 帶來更高的材料去除率。類似圖1中的矽和圖3中的氧化鋁，多個(ge) 子脈衝(chong) 將會(hui) 帶來更幹淨的切割邊緣和較少的碎片。

圖6：TimeShift技術給銅劃刻帶來的影響。圖(a)是改變子脈衝(chong) 的時間間隔帶來的不同材料去除率，

圖(b)是改變子脈衝(chong) 的數量帶來的不同材料去除率。每一串子脈衝(chong) 的總能量固定為(wei) 20或45μJ。

小結

在消費類移動電子設備的製造工藝中，常常使用激光來進行各種材料的微加工。我們(men) 發現，將具有較高的脈衝(chong) 重複頻率的高功率紫外激光與(yu) TimeShift可編程脈衝(chong) 整形技術（Quasar激光器）結合起來，可以大大提升微加工的加工效果。

將紫外激光用於(yu) 多種常見的微電子材料（包括矽、陶瓷、玻璃、銅）的大批量加工，可以帶來很多益處。通過擴大工藝參數空間（在較高的脈衝(chong) 重複頻率下提高功率），再加上先進的脈衝(chong) 分裂和整形技術，我們(men) 可以在提高加工速度的同時獲得微加工質量的提升。通過適當的參數優(you) 化，使用這種新的紫外納秒脈衝(chong) 激光源可以獲得更好的質量和更高的生產(chan) 率，從(cong) 而提升如今激光微加工的能力，以麵對未來對於(yu) 消費類電子產(chan) 品製造提出的更高挑戰。 

說明  

Quasar是Spectra-Physics公司的注冊(ce) 商標。RAJESH PATEL(raj.patel@spectra-physics.com）是Spectra-Physics公司（總部位於(yu) 加利福尼亞(ya) 州聖克拉拉）的戰略營銷與(yu) 應用總監，JAMES BOVATSEK是該公司的應用實驗室經理，ASHWINI TAMHANKAR是高級應用工程師。