AlN陶瓷的飛秒激光螺旋制孔研究*

王海龍，李 鐵，王宏建

(松山湖材料實驗室，廣東 東莞 523808)

0 引言

AlN陶瓷因具有高熱導率、低介電常數及低熱膨脹系數等特點，是電子元器件的理想基板材料[1]。微細孔作為基板重要的結構，通常采用傳統的機械鉆孔方式獲得，但對于硬且脆的氮化物陶瓷而言，加工難度大。激光加工技術因無接觸應力，被認為是陶瓷制孔的理想手段[2]。然而，傳統的長脈沖激光加工熱效應產生的重鑄層及微裂紋是影響制孔效果的主要因素。相比之下，飛秒激光脈沖寬度極短、峰值功率極高、熱效應低，可大幅提高制孔質量，具有很好的應用前景[3]。

激光制孔方式眾多，其中螺旋制孔更適宜于高精度加工的應用場景，但加工效率較低。現有的激光螺旋制孔研究多集中于工藝參數對制孔質量的影響[4]，對制孔效率關注較少。而效率在實際工業應用中尤其重要，對陶瓷基板群孔加工更是如此。除此之外，激光制孔通常以圓孔為主，隨著電子元器件制造向微型化與集成化方向發展，異形孔加工的重要程度也逐漸顯現。

本文以飛秒激光螺旋制孔方式加工AlN陶瓷跑道孔，研究了進給量對制孔形貌與尺寸的影響，對比了不同工藝參數下制孔效率的變化，并分析了AlN陶瓷孔壁不同區域元素含量差異。

1 實驗

以商用AlN陶瓷(10 mm×10 mm×0.25 mm)為加工對象，采用飛秒激光器(Pharos-PH1,Light Conversion, Lithuania)進行制孔實驗。根據樣品厚度沿進給方向劃分為多個加工層，各加工層以跑道狀輪廓填充，單層掃描完成后焦平面通過螺旋軌跡逐層進給，其中相鄰加工層的間距即為進給量ΔZ。飛秒激光螺旋制孔的實驗參數如表1所示。實驗工藝參數變量為進給量，變化范圍為2 μm～30 μm。

表1 飛秒激光螺旋制孔的實驗參數

跑道孔孔徑測量包括長軸尺寸L1和短軸尺寸L2，如圖1所示。不同進給量下實驗重復3次，尺寸測量結果取平均值。測量前，將加工后的樣品置于無水乙醇中超聲清洗20 min并干燥。跑道孔形貌與跑道孔區域材料元素由掃描電鏡(JSM-IT500,Jeol,Japan)觀測，尺寸由激光共聚焦顯微鏡(VKX-1100,Keyence,Japan)測量。

圖1 跑道孔尺寸測量示意圖

2 實驗結果與討論

2.1 微孔的形貌與尺寸

圖2為不同進給量下跑道孔的SEM圖。由圖2可知，進給量對微孔形貌影響顯著，當進給量為2 μm(圖2(a)、圖2(d))時，微孔入口及出口輪廓完整；當進給量增大至12 μm(圖2(b)、圖2(e))時，微孔入口加工質量有所下降，出口尺寸減小且輪廓存在部分缺失；當進給量進一步增大至24 μm(圖2(c)、圖2(f))時，無論是微孔入口的崩邊缺陷，還是出口輪廓的完整性，均出現了明顯的變化。這說明采用更小的進給量可獲得加工質量更高的跑道孔。雖然不同進給量下設定的螺旋掃描路徑一致，但進給量較大時出現了微孔邊緣材料未去除的情況(圖2(c))。這可能是由于在掃描線速度恒定的情況下，激光在微孔中心區域掃描頻次更高，故熱量傳遞的時間間隔更短，更利于材料的去除。類似的現象在文獻[5]中也有報道。

圖2 不同進給量下跑道孔的SEM圖

圖3為不同進給量下跑道孔截面的SEM圖。由圖3可知，當進給量為2 μm和12 μm時，孔壁輪廓呈傾斜的直線(圖3(a),圖3(b),圖3(d),圖3(e))，形貌變化不大，這表明較小的進給量可使激光焦平面下降時保持較為穩定的材料去除率，輔助氣體能夠更充分地吹散加工區域形成的等離子體，一定程度上抑制了其屏蔽效應，有利于材料的去除[6]；當進給量為24 μm時，跑道孔的截面輪廓呈現喇叭狀，孔出口較小，這是因為進給量過大時，激光焦平面位置在實際加工面以下，降低了材料的去除率，同時由于飛秒激光存在非線性效應，不利于制孔過程的連續性，這種情況下加工出的微孔內壁出現了凸起與缺口(圖3(c),圖3(f))。

圖3 不同進給量下跑道孔截面的SEM圖

圖4為跑道孔尺寸隨進給量的變化規律。無論是長軸還是短軸，微孔入口尺寸對進給量的變化不敏感，微孔入口處的材料實際去除區域與設定加工區域基本一致；微孔出口尺寸隨進給量的增大而減小，當進給量為2 μm～12 μm時，出口長軸尺寸的減小趨勢較為平緩，當進給量超過12 μm時，出口長軸尺寸的減小趨勢加劇，相比之下，出口短軸尺寸的減小趨勢略微滯后于長軸，在進給量超過14 μm時減小趨勢才加劇，這可歸結為長軸與短軸方向上的材料去除總量存在一定的差異性，即在長軸方向上需要更小的進給量才能實現尺寸的平緩變化。另外，出口長軸尺寸的變化范圍要大于出口短軸尺寸，說明進給量對長軸出口尺寸的影響程度更高。

圖4 跑道孔尺寸隨進給量的變化規律

制孔效率方面，制孔時間T=(H/ΔZ)·t，其中t為單層加工時間。由于各層掃描軌跡與速度均相同，那么單層加工時間也相同，本實驗實測t=3.472 s。當進給量為2 μm時，制孔時間為434 s；而進給量為12 μm時，制孔時間則減小至72 s，縮短約80%，但兩者的出口尺寸僅相差30 μm，錐度僅增大約2°。若跑道孔的加工輪廓滿足質量要求，則可優先采用更大的進給量以提高制孔效率，滿足高效制孔的實際應用需求。

2.2 微孔材料組分

選取進給量為12 μm下的跑道孔截面進行材料元素分析，EDS結果如圖5所示。其中，a為靠近孔入口區域，b為孔截面中部區域，c為靠近孔出口區域，d為樣品基材。檢測結果表明，相比于d處出現的N元素波峰而言，區域a、b、c僅剩下Al、O元素。由于AlN陶瓷在空氣中加工，此時可能發生的化學反應為[7]：

圖5 跑道孔截面EDS圖譜(進給量為 12 μm)

激光作用過程中，AlN陶瓷以氧化及分解反應的形式去除，N元素最終轉化為N2與N的氧化物。

跑道孔壁中部及底部的O元素含量較為接近，而入口處的O元素含量較低。這可能是因為未形成通孔前，入口處已沉積的O元素多次參與反應并轉為氣體。相比之下，加工區域的Al元素含量則表現出相反的變化趨勢，主要原因可能是Al元素以固體氧化物的形式存在，多集中于微孔入口處。

3 結論

本文采用飛秒激光螺旋制孔于AlN陶瓷上加工出無崩邊缺陷的輪廓完整跑道孔，研究了進給量對微孔加工質量與效率的影響，同時分析了材料組分的變化。得到如下結論：

(1) 減小進給量可改善跑道孔加工質量，但會降低制孔效率。進給量為2 μm和12 μm時，獲得的跑道孔質量較為接近，但后者可縮短約80%的加工時間，在實際應用中更具優勢。

(2) 材料加工區域呈現出一定的氧化現象，且跑道孔入口處的O元素含量更多，Al元素含量反而更少。此時，AlN經過一系列化學反應，主要以Al2O3的形式存在于制孔區域。