AlN基板激光加工工藝的研究

摘?要：本文介紹了AlN基板激光加工的原理，通過對不同工藝條件如：夾具、占空比、掃描速度進行研究，最終確定了AlN基板光纖激光加工的最優參數，成功制備出滿足要求的AlN薄膜電路基板。

關鍵詞：AlN基板，激光加工，占空比，掃描速度

在AlN陶瓷金屬化孔制程中，普通機械方式加工過程存在較大應力，極易造成碎裂，激光作為一種柔性加工工藝，能大大提高AlN陶瓷加工的可行性及良率。本次試驗采用高精密光纖激光機，通過調整優化光纖激光占空比、掃描速度等關鍵工藝參數，最終確定AlN基板激光加工工藝。

分析表明，當等離子云出現時，它首先是一個推動力，然后發生變化能量耗散，這時加工能力下降。材料吸收能量、等離子體云的狀態和過程中空穴的作用，對光束的能量接收有決定作用。

1.. 占空比對加工質量的研究

激光加工通用工藝條件為：頻率200Hz，掃描速度100mm/min，功率大約30W，氮氣吹掃氣壓為0.45MPa，通過改變光纖激光器占空比從5%到35%，步長為 5%，此時光纖激光對于AlN基板的打孔狀態有一定變化：

當光纖激光器占空比小于等于5%時，加工效果不佳沒有形成通孔，這是由于當激光器功率較小時，激光器傳遞到材料表面的能量密度不夠，無法改變AlN基板表面狀態（由固態轉向氣態），來破壞材料閾值，因此打不穿AlN基板。當光纖激光器占空比大于等于10%時，激光器傳播的能量逐步增大，才能將AlN基板表面狀態轉變，最終加工成質量較好的通孔。

光纖激光器占空比的不斷增加，直接導致激光器功率的增加，能量會導致更多的AlN材料熔化、蒸發。同時氮氣壓力也發生作用，液體物質對孔壁的侵蝕，導致AlN基板下表面直徑的不斷增大。當激光能量聚集到臨界點時，液相材料再次增大，導致孔內液相材料增多，槽內渣增多，這會促使大量殘渣不能及時從出口取出。當光纖激光能量飽和時，將形成一個離子云洞，便于更好吸收上分的激光能量。在實際應用中，在一定的掃描速度和頻率下，激光器的輸出功率增加，材料與光纖激光器反應時能吸收更多的能量，加工時間越長，材料熔融增加。

2. 掃描速度對加工質量的研究

掃描速度通常表示激光加工速度，加工時主要需注意2方面內容：首先是宏觀方面，觀察激光切割道熔融狀態、形狀，表面是否平整;其次是微觀方面，觀察產品加工后的邊緣質量，是否有變色，異物，燒焦等，以及產品性能參數。

激光加工工藝為：頻率200Hz，功率大約30W，氮氣吹掃氣壓為0.45MPa，激光器占空比10%，激光掃描速度范圍設定在50mm/min到400mm/min之間，掃描速度的步進增長值為50mm/min，隨著光纖激光掃描速度的增大，AlN基板上表面加工孔徑卻逐步減小，但是AlN基板下表面加工孔徑卻先減小后增大[2]。

掃描速度和加工效果成正比。光纖激光器在單位時間內作用于AlN基板表面的熱能是恒定的，即AlN基板表面單位面積度內作用的光纖激光能量減少，AlN基板在光纖激光作用下的熔融因此變少，降溫時間縮短。物質狀態對比減小，打孔殘渣能及時清除，損耗能量越來越少，有效激光能量越來越大;因為熱傳導引起的熔化和汽化物質，AlN基板上表面越平滑，上表面孔徑越小。速度當增加到一定程度時，沒有足夠的時間將渣完全清除，造成孔洞不平整。

光纖激光器掃描速度低于200mm /min時，因光纖激光作用能量較大，所以熔融材料此時槽內的大量渣從AlN基板下表面被清除，但AlN基板下表面溫度相對上表面較低，來不及清除的殘渣也會在基板下表面凝固。因此光纖激光器掃描速度的增加，會導致AlN基板下表面直徑先增大后減少，孔口出渣也越來越多也不光滑。但當掃描速度大于200mm /min后，在氮氣吹掃的作用下，可以將少量的液體物料從出口中去除。

按上述方式進行實驗驗證，得出實驗結果，見表所示：

5. 總結

由實驗結果可知，AlN基板激光加工的最優工藝條件為：頻率200Hz，掃描速度200mm/min，功率大約30W，氮氣吹掃氣壓為0.45MPa，激光器占空比從10%到15%，該工藝條件下，AlN基板激光打孔后，孔壁及表面光滑，殘渣較少易處理，孔徑及錐度公差范圍下，滿足AlN基板激光打孔工序工藝質量要求。

參考文獻

[1]張銀江，方鳴崗.陶瓷激光精密打孔工藝研究[J].激光與紅外，2001， 31（3）： 161-162

作者簡介：聶源，男，1986.8.6，2009年本科畢業于成都理工大學，2020年碩士畢業于電子科技大學，集成電路工程，微細加工與MEMS技術方向。目前就職于成都亞光電子研究六所，擔任工藝設備工程師。

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