文/MKS Instruments

隨著人們對(duì)更小尺寸、更高精度產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)（從醫(yī)療器械到先進(jìn)微電子等各個(gè)領(lǐng)域皆是如此），激光已經(jīng)成為比以往任何時(shí)候都更加不可或缺的一種制造工具。超短脈沖（USP）激光（脈沖寬度處于皮秒和飛秒量級(jí)）正越來(lái)越多地被用于執(zhí)行要求最為嚴(yán)苛的微加工任務(wù)，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)最高水平的加工精度和加工質(zhì)量。

然而，超短脈沖激光并非是萬(wàn)能的解決方案。特別是在以較低的總體成本實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)出方面，它們的確存在一些實(shí)際的局限性。相比之下，更為成熟的納秒（ns）脈沖激光技術(shù)，通常具有更高的燒蝕速率、更低的成本、更高的可靠性以及更易于實(shí)施等特點(diǎn)。雖然它們主要通過(guò)熱燒蝕去除材料——這在一定程度上限制了其進(jìn)行最高精度加工的能力，但使用紫外（UV）波長(zhǎng)以及更短的個(gè)位數(shù)納秒脈沖寬度，可以彌補(bǔ)這一不足。

100W 可編程脈沖UV激光器

MKS公司旗下的Spectra-Physics®研發(fā)出了一款納秒脈沖激光器Talon® Ace™ UV100（性能指標(biāo)見(jiàn)表1），它能通過(guò)小巧外形提供 100W的紫外功率以實(shí)現(xiàn)高加工吞吐量，并且能在高脈沖重復(fù)頻率（PRF）下產(chǎn)生短至 2ns的脈沖寬度，適用于高速精密微加工，并具備出色的性價(jià)比。Talon Ace 的一個(gè)關(guān)鍵特性是其創(chuàng)新的 TimeShift™可編程脈沖功能，能產(chǎn)生 2~50ns的脈沖寬度，并能實(shí)現(xiàn)諸如整形脈沖和脈沖串等定制化輸出。這一性能使其能夠應(yīng)用于傳統(tǒng)調(diào) Q 納秒脈沖激光器無(wú)法涉足的領(lǐng)域。

表1：Talon Ace UV100性能指標(biāo)

圖 1 展示了 Talon Ace 的 TimeShift 脈沖串輸出能力，其將5×2ns的脈沖串與單個(gè) 10ns的脈沖進(jìn)行了對(duì)比，兩者輸出脈沖（或脈沖串）的重復(fù)頻率均為 200kHz。在每種情況下，“激光發(fā)射”的總時(shí)間約為 10ns；然而，脈沖串輸出將能量分配到一系列子脈沖中，這使得每個(gè)子脈沖對(duì)于高效材料燒蝕可能更為理想。子脈沖之間的時(shí)間間隔以及每個(gè)子脈沖所包含的能量完全可編程，與激光器的工作重復(fù)頻率無(wú)關(guān)。而且，各種 TimeShift 輸出模式之間的切換速度非�？�，約為幾十微秒，這使其非常適合在加工由多種材料組成的樣品時(shí)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)模式切換。

圖 1：在脈沖串模式下，激光器發(fā)射出一小串短脈沖（脈沖串子脈沖），而非單個(gè)脈沖。在相同的重復(fù)頻率下，每個(gè)脈沖串的總能量幾乎與單個(gè)長(zhǎng)脈沖的能量相同。

在TimeShift功能中幾乎每個(gè)參數(shù)都可以變化，這使用戶能夠定制脈沖輸出，以滿足特定的應(yīng)用需求。鑒于TimeShift如此強(qiáng)大的適應(yīng)性，探究它如何在微加工過(guò)程中提高產(chǎn)出、效率和質(zhì)量就顯得尤為重要。

銅微加工實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)案例旨在表征 Talon Ace 在銅板材料（厚度6mm）上的微加工能力，分別采用單脈沖和脈沖串輸出，并與傳統(tǒng)的調(diào)Q二極管泵浦固態(tài)激光器SpectraPhysics Talon UV15的加工能力進(jìn)行比較。使用兩軸掃描振鏡通過(guò)多遍光柵掃描工藝銑削出材料凹槽。在X和Y方向（掃描方向和步進(jìn)方向）上，空間脈沖重疊率均為60%，全程使用50kHz的重復(fù)頻率。光束通過(guò)一個(gè)焦距為163mm的遠(yuǎn)心 f-theta物鏡聚焦，并使用一個(gè)外部可變功率衰減器控制入射能量密度。

燒蝕速率和效率通過(guò)測(cè)量加工特征的深度（并計(jì)算體積）以及所使用的總體激光照射量（功率、脈沖數(shù)、加工時(shí)間）來(lái)確定。圖 2 展示了不同的脈沖輸出模式下，體積燒蝕效率與峰值能量密度的關(guān)系。燒蝕效率是指歸一化為平均功率為1W時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)去除材料的體積，單位為mm3/min/W。

圖2：燒蝕效率數(shù)據(jù)表明，在加工銅時(shí)脈沖寬度的重要性以及使用脈沖串的益處。

對(duì)于較低的能量密度，Talon Ace 以單個(gè) 2ns脈沖運(yùn)行時(shí)，比傳統(tǒng)的20ns調(diào) Q 激光器具有更高的燒蝕效率。有趣的是，2ns脈沖實(shí)現(xiàn)最高燒蝕效率的能量密度（約8J/cm2），大概接近20ns脈沖引發(fā)材料燒蝕的閾值能量密度；事實(shí)上，20ns脈沖在該能量密度下尚且不能去除材料。當(dāng)施加更高的能量密度時(shí)，情況則相反，較長(zhǎng)的脈沖實(shí)現(xiàn)的燒蝕效率幾乎是較短脈沖的兩倍。

熱擴(kuò)散理論可以解釋這些結(jié)果。脈沖寬度越長(zhǎng)，熱量就有更多時(shí)間擴(kuò)散到銅材中，從而稀釋了吸收的激光能量。因此，需要更高的入射能量密度來(lái)啟動(dòng)燒蝕。然而一旦開(kāi)始燒蝕，每次去除的材料增量體積就會(huì)更大。另一方面，較短脈沖的更高峰值功率會(huì)在顯著的熱擴(kuò)散發(fā)生之前就引起材料燒蝕。顯然，較短的脈沖寬度能夠?qū)崿F(xiàn)可控性良好的燒蝕，同時(shí)減少熱負(fù)荷；并且在較低的總能量密度下具有最高的燒蝕效率，輸入到材料中的能量的減少，也會(huì)相應(yīng)地縮小熱影響區(qū)（HAZ）。

在本案例中，5×2ns脈沖串輸出模式可以顯著提高燒蝕效率。從各種脈沖輸出模式的燒蝕效率峰值比較中可見(jiàn)，Talon Ace 在脈沖串模式下的最高燒蝕效率（0.23mm3/min/W），是單個(gè) 2ns脈沖峰值燒蝕效率（0.08mm3/min/W）的2.8 倍，比Talon 調(diào)Q 激光器的單個(gè)20ns脈沖的峰值燒蝕效率（0.16mm3/min/W）高出近 50%。這種脈沖串燒蝕效率更高的結(jié)果，與使用超短脈沖激光的類似研究結(jié)果一致，但其背后的原因尚未完全明晰。

使用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡以及3D掃描白光干涉儀進(jìn)行加工質(zhì)量分析。圖 3 展示了所測(cè)試的用三種脈沖輸出模式加工后的銅表面的特寫圖像，每張圖像均在各自的最佳能量密度條件處或附近（圖 2 中的紅圈處）拍攝。

圖 3：光學(xué)顯微鏡特寫照片展示了 2ns、20ns單脈沖輸出以及 5×2ns脈沖串輸出加工的表面質(zhì)量。

從圖3中可見(jiàn)，三種脈沖輸出模式下的加工質(zhì)量總體都挺好。然而，Talon Ace 以2ns單脈沖輸出加工的表面上顯示出了單個(gè)燒蝕點(diǎn)，表明有極小的熱影響（例如熔化），否則這些特征會(huì)融合在一起。相比之下，在使用調(diào) Q Talon以20ns單脈沖和Talon Ace以5×2ns脈沖串加工的兩種情況下，單個(gè)燒蝕坑更明顯地融合在一起，形成了看似更均勻但略顯粗糙的整體表面。這可能是由于激光與材料相互作用中的一些熱成分，如局部熔化，使得表面形貌在原位得以均勻化。

接下來(lái)，使用掃描白光干涉儀監(jiān)測(cè)加工特征的邊緣是否有毛刺形成（見(jiàn)圖 4）。

圖 4：光學(xué)表面輪廓測(cè)量顯示，從 20ns脈寬變?yōu)?2ns脈寬時(shí)，邊緣毛刺減少；而用5×2ns脈沖串加工，邊緣毛刺進(jìn)一步減少。

在邊緣毛刺方面，處于脈沖串模式運(yùn)行的 Talon Ace 比其他兩種情況的加工效果要好得多（平均邊緣毛刺小于 1µm）。需要注意的是，在此示例中，所有工藝均未針對(duì)減少邊緣毛刺進(jìn)行優(yōu)化，因此所有情況都有可能進(jìn)一步改善。但是我們預(yù)計(jì)，即使經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，脈沖串輸出的 Talon Ace仍將產(chǎn)生最小的邊緣毛刺。

在一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)的工業(yè)應(yīng)用中，展示了使用 Talon Ace 的 TimeShift 功能加工銅的優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)應(yīng)用要求在一塊由銅、聚酰亞胺和銅組成的疊層材料上鉆盲孔，銅/聚酰亞胺/銅層的厚度分別為12/25/12µm。在多步驟工藝中，關(guān)鍵的第一步是采用簡(jiǎn)化的沖擊鉆孔工藝（而非套料鉆孔），利用激光在頂部銅層上鉆出一個(gè)直徑50µm的孔。沖擊鉆孔本質(zhì)上速度更快、成本更低（無(wú)移動(dòng)部件等），但要實(shí)現(xiàn)更大的直徑和高質(zhì)量頗具挑戰(zhàn)性。圖 5 中給出了總結(jié)圖表和數(shù)據(jù)，將 10×2ns脈沖串工藝的加工結(jié)果與另外兩種單脈沖（10ns和 2ns）的加工結(jié)果進(jìn)行了比較。

圖 5：對(duì)于相同或更低的平均功率，在柔性印刷電路板（PCB）頂部銅層鉆孔加工中，10×2ns脈沖串比10ns和 2ns單脈沖表現(xiàn)更優(yōu)。

在僅 40µs的鉆孔時(shí)間內(nèi)，10ns和 2ns單脈沖均未能達(dá)到可接受的加工質(zhì)量和產(chǎn)出水平。

相比之下，10×2ns脈沖串在相同的時(shí)間內(nèi)加工出了一個(gè)質(zhì)量明顯更優(yōu)、更干凈的孔。脈沖串加工實(shí)現(xiàn)的低毛刺高度（<2µm），對(duì)于諸如鍍銅和多層柔性PCB層壓板堆疊等下游工藝非常重要。

總結(jié)

從脈沖寬度的角度來(lái)看，激光通常被分為納秒脈沖與超短脈沖，但本加工示例呈現(xiàn)的結(jié)果，意味著還需要對(duì)脈沖寬度進(jìn)行更細(xì)致的區(qū)分。我們發(fā)現(xiàn)，較短的個(gè)位數(shù)納秒脈沖與幾十納秒的脈沖相比，能產(chǎn)生截然不同的加工結(jié)果。同樣明顯的是，由納秒脈沖組成的脈沖串具有很大的加工優(yōu)勢(shì)（就像超短脈沖激光能做到的那樣），這也能帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。憑借TimeShift 脈沖定制功能，Talon Ace UV100 納秒脈沖激光器，能應(yīng)對(duì)很多極具挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性的工業(yè)激光加工應(yīng)用，如先進(jìn)電子封裝、PCB、光伏、陶瓷、半導(dǎo)體以及其他材料和組件的高速、高質(zhì)量微加工。

來(lái)源：MKS Instruments

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