激光刻蝕對(duì)爆炸箔圖形化的應(yīng)用探討

曹始發(fā)，尼志青，陳 鋒，賀 勇

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061）

1 概述

爆炸箔是沖擊片雷管的關(guān)鍵部件，在電爆炸過程中，爆炸箔首先加熱、汽化，然后產(chǎn)生等離子體，等離子體膨脹，進(jìn)而剪切飛片，并驅(qū)動(dòng)飛片加速，進(jìn)而沖擊起爆主裝藥。在爆炸箔的圖形化處理過程中，普遍采用的是濕法刻蝕技術(shù)和光刻技術(shù)。濕法刻蝕技術(shù)一般針對(duì)的是銅膜，工藝相對(duì)來說簡單，但是因?yàn)槭歉飨蛲钥涛g，易發(fā)生鉆蝕現(xiàn)象，且會(huì)產(chǎn)生大量廢液，對(duì)環(huán)境也會(huì)造成影響。同時(shí)針對(duì)復(fù)合橋膜，由于刻蝕劑對(duì)不同材料刻蝕速率存在差異，使其應(yīng)用受到了限制。光刻工藝則通過選擇性曝光將掩膜板圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上面，以進(jìn)行加工。在制作爆炸箔橋型的過程中，光刻工藝有2種操作流程，一種是甩膠—曝光—顯影—鍍膜—去膠，一種是甩膠—前烘—前曝光—反轉(zhuǎn)烘—泛曝光—顯影—鍍膜—去膠。前一種在顯影時(shí)，膠臺(tái)為正八字型，在去膠過程中，由于濺射薄膜為連續(xù)的，容易造成薄膜發(fā)生連帶或撕裂，影響成膜質(zhì)量。后一種利用反轉(zhuǎn)膠，通過2次曝光實(shí)現(xiàn)所需橋型。該方法得到的膠臺(tái)為倒八字型，避免了上一種方法中膠不易剝離的情況。但是此種方法工序復(fù)雜，時(shí)間周期較長。隨著MEMS微加工技術(shù)的發(fā)展，脈沖激光微加工技術(shù)開始嶄露頭角，現(xiàn)如今，科技工作者已經(jīng)將先進(jìn)脈沖激光加工技術(shù)應(yīng)用到了印刷電路板、集成電路等領(lǐng)域中。短脈沖尤其是超短脈沖激光微加工技術(shù)更是突破了傳統(tǒng)微加工工藝的極限，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。在爆炸箔圖像化處理中，脈沖激光器可以解決傳統(tǒng)濕法刻蝕及光刻工藝中存在的問題，為沖擊片雷管的發(fā)展提供了新思路。本文采用皮秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)，對(duì)爆炸橋箔的各種橋型進(jìn)行了試制。

2 制作過程

激光器分為脈沖輸出激光器和連續(xù)輸出激光器。應(yīng)用于爆炸橋箔刻蝕的是脈沖輸出激光器，其按照輸出脈沖寬度，可以分為毫秒激光器、納秒激光器、皮秒激光器及飛秒激光器。納秒加工屬于熱平衡燒蝕，由于脈寬時(shí)間遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)間，所以熱量有足夠的時(shí)間向材料刻蝕區(qū)域周圍傳遞，使周圍區(qū)域產(chǎn)生再鑄層和微裂紋。飛秒加工屬于非熱平衡燒蝕，在照射過程中，能量很少向刻蝕區(qū)域以外擴(kuò)散，避免了再鑄層，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的冷加工。皮秒加工介于熱平衡燒蝕和非熱平衡燒蝕之間，相比于納秒加工，其可避免大面積的再鑄層，相比于飛秒加工，雖然仍然存在些許再鑄層，但飛秒脈沖激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴且穩(wěn)定性低，目前還不能大規(guī)模地工業(yè)化應(yīng)用。同時(shí)有研究表明，脈寬10 ps左右的皮秒激光器加工質(zhì)量可以媲美飛秒激光器的加工質(zhì)量，這是因?yàn)殡娮优c晶格之間的熱傳導(dǎo)時(shí)間大約也為10 ps，因而當(dāng)使用10 ps的脈寬激光器時(shí)，可極大降低對(duì)刻蝕區(qū)域以外的熱影響[3]。

為提高加工效率及更好地控制精度與產(chǎn)品一致性，本文爆炸橋箔的刻蝕分2步完成：①利用脈寬10 ps的皮秒激光器對(duì)鍍膜后的基板進(jìn)行整體橋膜陣列刻蝕。此種激光器加工屬于冷加工范疇，可以最大限度地降低熱效應(yīng)的影響。②用陶瓷切割激光器切割出單個(gè)爆炸箔基片單元，這樣可以在保證加工精度的前提下，提高工作效率。

爆炸箔刻蝕切割流程如下：①在整塊陶瓷基板上設(shè)計(jì)安排好爆炸橋箔單元的陣列圖形，并以DWG格式直接導(dǎo)入皮秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)的控制軟件中，設(shè)置相應(yīng)的激光加工參數(shù)及激光切割路徑。為便于后序單元的切割定位尋靶，在設(shè)計(jì)陣列圖形時(shí)，為每一個(gè)單元刻蝕抓靶靶標(biāo)，如圖1所示。②將陶瓷基板鍍膜面向上放置在吸附平臺(tái)上，啟動(dòng)開關(guān)，控制系統(tǒng)自動(dòng)將陶瓷基板運(yùn)至工作區(qū)加工刻蝕。③刻蝕完成后，利用二次元對(duì)加工效果（尺寸、厚度及邊緣的毛刺狀況）進(jìn)行檢驗(yàn)。④將刻蝕完成后的整塊陶瓷基板放入納米激光微切割打孔系統(tǒng)中進(jìn)行切割打孔。在切割之前，需要利用CCD系統(tǒng)對(duì)尋取的各單元靶標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。激光下刀路徑設(shè)置與刻蝕過程類似，為降低廢品率，在切割打孔時(shí)，先打電極孔，再切割外圓。圖2為最終制作的爆炸箔成品。橋區(qū)形狀分為方形和環(huán)形2種。

圖1 皮秒激光刻蝕效果圖及局部放大圖

為驗(yàn)證利用激光刻蝕系統(tǒng)制作的爆炸箔性能，對(duì)其起爆HNS-IV性能進(jìn)行了測(cè)試，并與利用傳統(tǒng)光刻工藝制得的爆炸箔進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)爆炸箔橋區(qū)尺寸為0.3 mm×0.3 mm×4 μm。為降低實(shí)驗(yàn)成本，用最高不發(fā)火電壓對(duì)各工況爆炸箔驅(qū)動(dòng)飛片起爆能力進(jìn)行表征，充電電壓按高至低進(jìn)行發(fā)火實(shí)驗(yàn)。在同一充電電壓下，沖擊片雷管連續(xù)3次未發(fā)火，則認(rèn)為該電壓為該工況沖擊片雷管的最高不發(fā)火電壓。表1為2種工況下制作的爆炸箔起爆HNS-IV實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由此可以發(fā)現(xiàn)，利用激光刻蝕工藝制作的爆炸箔其起爆HNS-IV的能力與光刻工藝制得的爆炸箔基本一致。

圖2 爆炸箔成品圖

表1 爆炸箔起爆HNS-IV實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 總結(jié)

在爆炸箔圖形化制作過程中，利用皮秒激光器刻蝕系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)光刻掩膜工藝的復(fù)雜程序，成功制備了方形和環(huán)形橋箔，并對(duì)其起爆HNS-IV能力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，利用激光刻蝕工藝制得的爆炸箔可以與傳統(tǒng)光刻產(chǎn)品媲美，此種方法大大提高了爆炸箔制作效率。

參考文獻(xiàn)：

［1］沈一愚，郭永強(qiáng)，張瑄珺，等.電路板激光直寫的微納結(jié)構(gòu)研究［J］.應(yīng)用激光，2006，4（4）：25-28.

［2］曹宇，李祥友，蔡志祥，等.激光微加工技術(shù)在集成電路制造中的應(yīng)用［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2013，33（4）：449-451.

［3］李強(qiáng).激光微細(xì)加工在電子行業(yè)中若干應(yīng)用的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［4］姜靖.皮秒激光對(duì)金屬材料微孔加工技術(shù)研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2014.