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2020 重庆国际激光、光学及光电技术博览会

时间:2020年5月28日-30日地点:重庆国际博览中心(悦来)

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  • 5月28日,星期四 09:00-16:30
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3C领域中常用的7种超快激光加工技术
如今,激光加工技术已经渗透到科学研究和工业生产的各个领域中。脉冲宽度小于10-11s的超快激光加工作为精密加工中最为活跃的一支,其发展尤为引人注目。

随着电子器件朝着精密化、微型化、柔性化的方向发展,新型电子器件对加工技术提出了更高的要求,超快激光加工技术的独特优势正吸引着研究人员不断探索着其在电子制造领域的应用。

七大超快激光加工技术

1、超快激光隐形切割技术

随着手机等智能设备功能的不断完善,显示屏幕的尺寸和形状变得多样化,全面屏更是成为屏幕发展的主流方向。为了预留元件空间及减少碎屏的可能,屏幕非直角切割变得十分必要。超快激光隐形切割作为激光应力切割技术的延伸,可在透明材料内部诱发微小裂纹,微小裂纹在外力的引导下逐渐沿激光扫描路径延展,实现透明材料的分离。



图1 隐形切割技术手机玻璃面板切割示例

美国Spectra-Physics公司将超快激光与隐形切割技术结合,提出了ClearShape切割技术,可将激光对材料的影响区限制在微米量级。德国Rofin公司基于成丝机理发明的SmartCleave™ FI工艺可以快速分离包括很小的加工转弯角度在内的任意形状的透明材料,切割玻璃的厚度范围在100 μm到10 mm之间。

以大族激光、华工激光、锐科激光、德龙激光为代表的国内知名激光公司早在几年之前就加大了超快激光高精切割屏幕技术的投入,并在国际市场上占据了一定份额。

2、超快激光直写技术

随着对电子器件小型化与灵活性要求越来越高,催生了柔性电子这一新的应用领域。柔性AMOLED屏幕的驱动系统——柔性薄膜晶体管(thin film transistor, TFT),要求其沟道长度小于10 μm,微纳米图案化是沟道制造的核心。

超快激光直写技术主要利用材料对超快激光的非线性吸收,在作用区域引发物理化学性能变化,通过控制光束扫描实现二维或三维成型加工。超快激光直写技术不需要掩膜,其加工分辨率可达到纳米量级,独特的“冷”加工机制特别适合对耐热性差的柔性有机材料进行微纳结构加工。超快激光直写还可用于微电路的制作,在敷铜层或镀金层上直接加工出所需的图案化线路,成为基于柔性有机聚合物基底的电子器件制造中具有独特优势的加工手段。




图2 采用532 nm飞秒激光直写聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜,通过碳化在PI薄膜上形成

3、超快激光脉冲沉积技术

具有特定功能的薄膜材料是制造先进电子器件的基础,而柔性电子对薄膜厚度和质量提出了更高的要求。

超快激光脉冲沉积技术因其高质量的薄膜生长能力而备受关注,超快激光的高功率密度特性可以使任何难熔性材料气化,而超短脉冲特性又使得它与材料作用时产生的颗粒更加细小,因此在薄膜制备特别是高熔点材料的薄膜制备方面具有重要意义。

4、超快激光剥离技术

随着微型器件与大规模集成技术的发展,芯片的选择性剥离与转移逐渐成为芯片装配与维修的关键技术。激光剥离技术(laser lift-off, LLO)是一种利用激光能量作用于材料交界面实现材料分离的技术,被广泛应用在OLED屏幕制造工艺中。选择性激光剥离技术(selective laser lift-off, SLLO)也开始应用于芯片的剥离与装配,与传统LLO技术不同,SLLO技术主要针对微小区域或结构单元进行剥离,更适用于微器件的更换与维修。

虽然目前将超快激光引入激光剥离尚属探索性阶段,但已有研究工作表明,鉴于超快激光的本征物理特性,超快激光剥离具有很强的局域约束性,几乎不会产生热效应而损伤电子器件其他非剥离功能层。


图3 基于LLO技术的三星Micro LED显示器“The Window”

5、超快激光诱导前向转移技术

激光诱导前向转移(laser induction front transfer, LIFT)技术是通过激光脉冲辐照透明基底表面的一层薄膜材料,将薄膜加热到熔融状态,以液态形式转移到平行基底放置的受体表面。LIFT技术与LLO激光剥离技术相比,具有更高的选择性,能快速沉积小尺寸图形和微结构。而引入超快激光的激光诱导前向转移技术可制作的图形特征尺寸能够达到微纳米量级,已有报道采用飞秒激光诱导前向转移技术制备可应用于微电器件的微米级银导线。

此外,通过在薄膜材料与透明基底之间添加聚合物牺牲层,LIFT技术也可用于微电子机械系统(microelectromechanical systems, MEMS)的转移与装配。

6、超快激光微孔制备技术

传统的二维IC(integrated circuit, IC)芯片是在平面上集成一层半导体器件并通过引线键合连接,然而光刻尺寸、器件尺寸已经接近物理极限,摩尔定律正受到越来越多的挑战。因此集成电路逐步呈现出以高密度互连技术为主体的积层化、多功能化特征,基于硅通孔(through silicon vias, TSV)互连的三维集成技术,将引发集成电路的根本性改变。

TSV技术中晶圆微孔制备是该技术的主要难点,超快激光制孔因其具有热影响区小、边缘熔渣少、适合加工脆硬材料等特点已逐渐成为微孔制备领域的热点技术,应用于TSV中微孔的制备。三星公司公布的512 GB高密度闪存芯片中由48张晶圆叠层而成,晶圆厚度仅为40 μm,其 TSV的制作即由激光钻孔完成。日本三菱机床有限公司开发出的深紫外皮秒激光加工系统,可以在0.1 mm 厚SiC上钻出直径10 μm的孔且边缘光滑。图5所示采用皮秒激光可以在300 μm厚的玻璃上实现最小直径48 μm的通孔。


图4 皮秒激光钻孔技术在电子封装应用(a)环形陀螺仪的封装;(b)加速度计的封装

7、透明材料的超快激光微焊接技术

透明材料的微焊接技术是超快激光在电子封装领域的另一大应用,使用透明材料作为集成和封装的基底可以有效扩展器件使用功能,近年来在MEMS封装中获得广泛运用。

美国 PolarOnyx公司使用飞秒光纤激光,在1 MHz高重复频率脉冲下通过单线/多线熔化石英,实现玻璃的焊接及密封。使用红外飞秒激光对环烯烃共聚物基片的微流控器件进行封装实验,使用0.6 MPa的流体压力测试密封性,焊缝外无任何泄漏;该技术还被应用于石英玻璃和单晶硅异种材料的焊接。目前,华为、三星等公司已将超快激光技术用于最新OLED折叠屏手机透明基板的封装以适应极为严格环境要求。

展望与发展

超快激光加工的主要发展趋势包括以下4个方面:
1)探索超快激光与物质相互作用机制的系统认知和理解,建立激光与材料相互作用多尺度理论体系如分析模型和表达关系,从电子层面理解光场调控下超快激光加工的新现象和新效应;
2)开发由多种材料组合而成的功能层超快激光直写、剥离、微焊接及封装技术,并据此开展超快激光加工动态行为和在线监测反馈装备研制及关键技术研究;
3)突破加工尺度制约,实现百毫米到几纳米跨尺度的高效超快激光加工技术;
4)全面拓展复合超快激光加工技术,实现多能量(激光+其他形式能量)复合、多方法(物理+化学)复合,发展高效率低缺陷超快激光复合加工技术。

总结

超快激光加工因其对材料的广泛适用性,已成为特种材料加工的重要技术,但在超快激光系统成本、超快激光非线性作用调控等方面还存在着很多亟待解决的问题和改进之处。相信随着对超快激光与材料作用机理更加深入的研究,对加工工艺与加工参数的不断探索和优化,以及创新型原理和部件的开发与应用,超快激光加工技术必将突破一个个技术壁垒,在更为广阔的高端制造领域产生巨大的经济和应用价值。
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PHOTONIX WEST China 重庆国际激光、光学及光电技术展览会集中展示激光生产与加工技术、激光器与光电子、光学与光学制造、成像,检测和质量控制、红外技术与应用等技术产品,围绕产业上下游建立完整的采购供应体系,届时组委会将邀请上万名来自于汽车、新能源、3C电子、材料加工、医疗、航空航天、轨道交通、家电、军工等应用端技术工程师及采购商参加展会,在西南地区就先进激光、光学以及光电技术进行广泛的技术交流和探讨。从基础研究到产业应用, 带您来到西部光世界!
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