CN102011123B - 一种激光微熔覆专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光微熔覆专用设备，该设备包括工作台、激光加工系统和控制系统，其特征在于，该系统还包括CCD监测定位系统和直写系统；CCD监测定位系统包括同轴CCD传感器、旁轴CCD传感器、变焦透镜、成像目镜、变焦光学系统、旁轴成像物镜和外接监视器；直写系统包括微细笔直写装置和微喷直写装置；微细笔直写装置包括支架，导轨、气缸、滑块、活塞杆、千分表、微距调节螺母和微细笔；微喷直写装置包括水浴锅、导气管、微压表和微喷工具；该设备合理设计了激光光路、微喷和微细笔的安装工位及工作方式，将激光加工与微细笔、微喷直写系统集成在同一个工作平台上，实现多种加工手段的优势互补。

Description

一种激光微熔覆专用设备

技术领域

本发明属于电子/光电子制造技术领域，具体涉及一种激光微熔覆专用设备，该设备可应用于电子/光电子元器件的制造，包括导体、电阻、电容、电感、传感器、电极以及聚合物光波导的制造。

背景技术

大规模集成电路的产生发展，使得电子制造技术不断向集成化、小型化、短时效、小批量、多品种以及三维制造的方向发展，要求导线宽度和线间距越来越小，并能够实现多层布线，制约电子产品质量进一步提高的因素已经由原来的芯片尺寸大小转变为芯片间互连线间距。

2000年，发明人提出了激光微细熔覆电子浆料制备导线的技术，即激光微熔覆柔性直写技术，并自行研制出该项技术依托的制造系统和设备。该技术采用旋转匀胶法将商用电子浆料或自行配制的电子浆料预置在基板上，利用设备的CAD/CAM功能，无需掩模即可控制激光在绝缘基板表面直写制备金属导线。但是，采用旋转匀胶法预置膜层存在如下几个问题：第一，预置膜厚度不均匀；第二，激光直写后需去除多余的浆料，清洗后的浆料不能回收利用，材料浪费严重；第三，该方法无法在同一基板上预置不同材料。

针对上述问题，发明人研究并提出微细笔、微喷直写技术进行电子浆料膜层的预置。“一种直写电子/光电子元器件的微细笔及由其构成的装置”(申请号200610019740.5)公开了一种微细笔，“一种电子浆料雾化沉积直写装置”(申请号为200610019527.4)公开了一种微喷直写装置。其中微细笔结构简单、成本低、控制精度高、能应用的浆料粘度范围广，不仅可用于制作电子元器件，还可用于制作光电子元器件，如聚合物光波导。电子浆料雾化沉积直写装置中包括有雾化腔、卸压回收腔和沉积喷嘴。该装置可以雾化的材料选择范围大、雾化效果好、运行稳定、结构简单、操作方便、实用性强。微细笔/微喷与激光复合工艺流程如下：先采用微细笔或者微喷直写装置将电子浆料直写沉积于基板上指定的区域，然后用激光加热所预置的浆料，获得所需要的微熔覆层。在激光作用之后，还可以利用微细笔或微喷直写沉积装置继续添加新的物质，在同一平面上制备多种材料元器件或者实现多层布线。微细笔和微喷直写沉积装置的引入，克服了旋涂法预置浆料涂层工艺的缺点，工业环境适应性好，工业应用前景也更广阔。但现有的工作平台无法满足该复合工艺的要求，工具分布零散，在同一基板上预置多种材料时需频繁更换和清洗直写装置，并且要重新定位加工工具与基板的相对位置和调整加工参数，因此在实际加工时，重复的工作内容较多，操作步骤繁复，无法最大程度发挥微细笔、微喷与激光复合的优势，难以满足工业快速复合制造的要求，只适用于实验室的研究工作或小批量生产。

发明内容

本发明针对目前激光微熔覆设备的缺点，提供了一种新型激光微熔覆专用设备，该设备合理设计了激光光路、微喷和微细笔的安装工位及工作方式，将激光加工与微细笔、微喷直写系统集成在同一个工作平台上，实现多种加工手段的优势互补。

本发明提供的一种激光微熔覆专用设备，该设备包括工作台、激光加工系统和控制系统，其特征在于，该系统还包括CCD监测定位系统和直写系统；

CCD监测定位系统包括同轴CCD传感器、旁轴CCD传感器、变焦透镜、成像目镜、变焦光学系统、旁轴成像物镜和外接监视器；激光聚焦镜、成像目镜、变焦透镜和同轴CCD传感器依次位于同一光路上，该光路与激光加工系统的水平光路成90°夹角，且激光聚焦镜和成像目镜分别位于激光加工系统水平光路的两侧，激光聚焦镜作为同轴监测的成像物镜；同轴CCD传感器与外接监视器相连，由外接监视器直接显示观测的图像；旁轴CCD传感器、变焦光学系统及旁轴成像物镜依次位于在同一光路上，并固定在直写工具的后方；工件反射回来的光束通过旁轴成像物镜，经过变焦光学系统进行调整后由旁轴CCD传感器接收，并传输至计算机；

直写系统包括微细笔直写装置和微喷直写装置；

微细笔直写装置的结构为：第二支架固定在基座上，导轨和气缸分别位于第二支架的两侧，第一支架通过滑块安装在导轨上，微细笔安装在支架上，随支架一起上下运动；气缸上设置有导气管，支架与活塞杆固定连接，千分表固定在支架顶端，螺栓固定在支架上，第一、第二微距调节螺母由第三支架的伸出部位确定其位置，并套在螺栓上；

微喷直写装置包括水浴锅、导气管、微压表和微喷工具；其中微喷工具又包括雾化腔、卸压回收腔和沉积喷嘴；进气流通过导气管与微压表相连，微压表的另一端与雾化腔相连，雾化腔通过导气管与卸压回收腔相连；雾化腔与卸压回收腔均置于水浴锅中；卸压回收腔的另一端由导气管与沉积喷嘴相连，沉积喷嘴喷射浆料并沉积在基板表面。

本发明提供的设备将微细笔、微喷直写技术与激光加工技术相结合，既可完成图形的预置，又可完成图形的制造，省去用干燥炉烘干的过程，大大缩短了电子图案的加工时间。具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)采用多支微细笔、微喷装置，可实现不同电子材料在同一基板上的直写，也可实现多层电子图案的加工，不需要拆卸微细笔、微喷结构以及基板，保证基板位置及加工的准确性。

(2)采用微细笔-激光、微喷-激光复合技术，可在同一基板上进行分时加工，可快速获得(光)电子元器件。

(3)操作台上装配有可拆卸转轴系统，可在该设备上实现三维柔性布线，无材料形状限制。

(4)采用旁轴CCD系统进行加工定位，同轴CCD监测系统对激光加工过程进行监测，两部分传感器的配合使用，既能够对加工过程进行实时监测，又可准确定位，从而可保证整个加工过程的精度，提高电子图案的加工质量。

(5)采用自制激光微熔覆专用制造软件对加工工具进行控制，自动化程度高、操作简单、可有效控制加工精度。

(5)操作台下方安有可拆卸加热板，可在直写时对基板进行加热，加快浆料的固化，缩短浆料在基板扩散时间，减小导线线宽。

(6)操作台的台面上均匀分布着内部有螺纹的小通孔，基板面积较大时，可直接使用螺钉将基板固定在操作台上，可防止基板在加工过程中位置发生变化影响加工精度；加工材料为柔性基板或幅面较小、重量较轻容易滑动时，可通过在操作台下方安装与抽气泵相连的蜂窝板，将基板固定在操作台面上，此法也可防止加工过程中基板位置的变化而导致加工精度的降低。

(7)操作台通过高精度直线电机和全闭环控制系统进行控制，并采用大理石防震隔振基座，大大降低了加工过程中工作台对加工精度的影响。

采用该设备既可以快速完成单一工具的直写工作，又可以进行多工具的复合操作，无须掩膜、易于修改、工序少、研制周期短、效率高、对环境污染小、柔性化程度高，且获得的电子元器件图案精度高，还可制作复杂图形及三维电子元器件。

附图说明

图1为本发明的激光微熔覆专用设备的侧面结构示意图；

图2为本发明的微笔直写装置结构示意图；

图3为本发明的微喷直写装置结构示意图；

图4为激光微熔覆专用制造软件工艺实现流程图。

具体实施方式

本发明所使用的激光器可以是半导体激光器、固体激光器、光纤激光器或者灯泵浦固体激光器。上述激光器可采用连续或准连续输出方式。

本发明适用于多种材料、不同性质的电子浆料的直写，可快速获得性能良好的电子元器件。电子浆料包括导体浆料、电阻浆料、介质浆料或其他电子浆料，基板可以是陶瓷、玻璃、硅、环氧树脂、聚酰亚胺等材料。

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明设备主要包括工作台、激光加工系统、CCD监测定位系统、直写系统和控制系统五大部分。

如图1所示，工作台包括操作台17、XY二维直线电机18和基座19；基座19采用大理石防震隔振基座，可降低加工过程中工作台对加工精度的影响；XY二维直线电机18固定在基座19上，操作台17安装在XY二维直线电机18上，并由XY二维直线电机18控制操作台17的运动。

激光加工系统包括激光器1、光闸2、光束整形镜3、扩束镜4、镀膜反射镜5和激光聚焦镜6。

激光器1、光闸2、光束整形镜3、扩束镜4和镀膜反射镜5依次位于同一光路上，激光器1、光闸2、光束整形镜3和扩束镜4固定在基座19上，镀膜反射镜5与激光器1的光束成45°夹角。激光聚焦镜6位于镀膜反射镜5的反射光路上。

CCD监测定位系统包括同轴CCD传感器7、旁轴CCD传感器20、变焦透镜8、成像目镜9、变焦光学系统21、旁轴成像物镜22和外接监视器24。

激光聚焦镜6、成像目镜9、变焦透镜8和同轴CCD传感器7依次位于同一光路上，该光路与激光加工系统的水平光路成90°夹角，且激光聚焦镜6和成像目镜9分别位于激光加工系统的水平光路的两侧，激光聚焦镜6作为同轴监测的成像物镜；同轴CCD传感器7与外接监视器24相连，由外接监视器24直接显示观测的图像。

旁轴CCD传感器20、变焦光学系统21及旁轴成像物镜22依次位于在同一光路上，并固定在直写工具的后方。工件反射回来的光束通过旁轴成像物镜22，经过变焦光学系统21进行调整后由旁轴CCD传感器20接收，并传输至控制系统，控制系统采用装有控制卡的计算机23，控制图像的显不。

直写系统包括微细笔直写装置和微喷直写装置。微细笔直写装置如图2所示，支架25B固定在基座19上，导轨27和气缸28分别位于支架25B的两侧，支架25A通过滑块26安装在导轨27上，微细笔16安装在支架25A上，随支架25A一起上下运动。气体通过导气管11进入气缸28，通过控制系统控制气缸28的活塞杆29的运动。支架25C与活塞杆29固定连接，千分表13固定在支架25C顶端，千分表13的测量杆的末端位于螺栓14的正上方，并与其相接触。螺栓14通过螺母15C固定在支架25A上，微距调节螺母15A和微距调节螺母15B由支架25C的伸出部位确定其位置，并套在螺栓14上。

当控制系统控制气缸28，使活塞杆29向下运动并进行卡位时，活塞杆29带动支架25C及固定在支架25C上的千分表13、微距调节螺母15A、微距调节螺母15B同时下降，此时千分表13的测量杆位置不发生变化。螺栓14由于微距调节螺母15A和微距调节螺母15B的下降而下降，从而带动螺母15C、支架25A一起向下运动，滑块26跟随25A在导轨27上运动，固定在支架25A的微细笔16也跟随25A一起向下，此时进入微笔工具的工作状态。当控制系统控制气缸28，使活塞杆19向上运动并进行卡位时，所有部件随之向上运动，此时进入微细笔非工作状态。

当活塞杆29固定不动，仅调节微距调节螺母15A和微距调节螺母15B并进行配合锁紧时，只有螺杆14会带动螺母15C、支架25A、滑块26以及微细笔16上下运动。同时，千分表13的测量杆会上下运动，指针的偏移量给出微细笔16上下移动的准确距离。此时为微细笔16位置微调状态。逆时针旋转微距调节螺母15A和15B，微细笔下降；顺时针旋转微距调节螺母15A和15B，微细笔上升。

微喷直写装置如图3所示，包括水浴锅10、导气管11、微压表12和微喷工具；其中微喷工具又包括雾化腔31、卸压回收腔32和沉积喷嘴33。进气流通过导气管11与微压表12相连，微压表12的另一端与雾化腔31相连，雾化腔31通过导气管11与卸压回收腔32相连。调节微压表12可在小范围内测量并调节驱动气体的流量，控制微喷直写工具内气流，并能准确测量出微喷工具内气流大小。图3所示为将雾化腔31与卸压回收腔32全部置于水浴锅10中，水浴锅10中装有一定量的溶液30，可对雾化腔31与卸压回收腔32进行整体恒温加热，以保证大粘度的电子浆料及温度敏感型电子浆料也能够顺利实现雾化、沉积，并且不受或者少受环境温度的影响。卸压回收腔32的另一端由导气管11与沉积喷嘴33相连，沉积喷嘴33喷射浆料并沉积在基板34表面。操作台17在计算机23的控制下进行运动，沉积直写出图形文件规定的图案。

微笔装置和微喷装置的运行均由气体进行驱动，气体从外接储气装备中导出，在气体通路中接入微压表12以控制并显示导气管内气压大小，再通过导气管11分别与微笔装置与微喷装置相连，形成完整的加工通路。

控制系统可以采用装有控制卡的计算机23实现对激光微熔覆设备的整体控制。计算机23中的激光微熔覆专用制造软件发出指令可分别或同时控制激光器1的开光或关光、XY二维直线电机18的运动、直写工具的升降、旁轴CCD传感器20信号输出界面的显示。图4所示是激光微熔覆专用制造软件的工艺实现流程图。

具体工作流程如下：

从激光器1中发射出来的激光通过光闸2控制激光在加工过程中的开闭状态，由光束整形镜3对激光进行光束整形，再经由扩束镜4对光束进行扩大变换以减小发散角，扩束后的激光束由镀膜反射镜5(激光全反，可见光可透)改变激光行进方向，反射至激光聚焦镜6处，由激光聚焦镜6对激光束进行聚焦，通过调整激光聚焦镜6的镜头与工件表面的距离(即Z轴)来调整固定在操作台17的工件表面上的光斑大小，选取适合加工的激光光斑大小进行加工。

当加工图案为二维图形时，将工件放置于操作台17上，根据实际加工要求，调整激光聚焦镜6与工件之间的距离，操作台17跟随XY二维直线电机18在XY二维平面内运动完成激光对工件的加工；当加工图形为三维时，可在操作台17上安装转轴，再通过计算机23内安装的微熔覆制造专用软件控制XYZU四轴联动，完成三维立体制造。

工件表面的可见光通过激光聚焦镜6(作为可见光成像系统的物镜)、成像目镜9及变焦透镜8成像于同轴CCD传感器7的靶面上，同轴CCD传感器7采集光信号后转化成数字信号由外接监视器24显示出来，即可对激光加工过程中工件表面加工情况进行实时监控。

为了确保加工精度，需要对加工工具及工件上图案的位置进行定位。首先由加工工具在测试基板上绘制出定位图形，通过移动工作台将基板上的定位图形移至旁轴成像物镜22正下方，工件上的可见光通过旁轴成像物镜22，经过变焦光学系统21进行变换并成像于旁轴CCD传感器20的靶面上，旁轴CCD传感器20采集光学信号并转化成数字信号传送到计算机23中，由计算机23显示出旁轴定位系统观测到的图像。根据定位图形由软件计算出加工工具中心与旁轴成像物镜22中心的距离。

对加工工件进行重复加工时，需根据工件在操作台17上的摆放位置，在激光微熔覆专用设备控制软件的程序中对加工图形进行变换，再由已定位的加工工具直接加工即可。

除了采用激光可以实现快速直写的功能之外，本装置还可用微细笔与微喷实现直写功能。

本设备中装有三套微细笔直写装置和两套微喷直写装置，用户可在微细笔和雾化腔中装入不同的电子浆料，通过相对位置的确定，可进行多工具的连续或交替工作，无须将工件取出重新定位，缩短(光)电子元器件的制造时间。另外，为了保证雾化的均匀性，对于一般商用浆料，水浴锅内的温度控制在30℃到80℃之间。

本设备除了可实现多微细笔、多微喷工具的复合加工，还可以实现微细笔-激光、微喷-激光的复合加工。通过计算机23以及旁轴定位系统确定激光及其他工具的绝对位置后，计算出工具间的相对距离。通过在控制系统的软件中绘制出预加工的图形，再由控制系统控制加工工具的运动，在基板上根据设计要求预置膜层；工作台下方安装的加热板可使膜层在基板上快速固化，无须置于干燥炉中烘干，缩短膜层预置时间；然后计算机23根据激光与直写工具的相对位置值，直接将预置膜层移至激光下方进行激光扫描，无须将基板取下重新定位，完成微细笔-激光、微喷-激光的复合加工。采用该法进行电子元器件的加工，加工精度高、速度快、自动化程度高、大大缩短了加工时间。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种激光微熔覆专用设备，该设备包括工作台、激光加工系统和控制系统，其特征在于，该系统还包括CCD监测定位系统和直写系统；

CCD监测定位系统包括同轴CCD传感器(7)、旁轴CCD传感器(20)、变焦透镜(8)、成像目镜(9)、变焦光学系统(21)、旁轴成像物镜(22)和外接监视器(24)；所述激光加工系统中的激光聚焦镜(6)、成像目镜(9)、变焦透镜(8)和同轴CCD传感器(7)依次位于同一光路上，该光路与激光加工系统的水平光路成90°夹角，且激光聚焦镜(6)和成像目镜(9)分别位于激光加工系统水平光路的两侧，激光聚焦镜(6)作为同轴监测的成像物镜；同轴CCD传感器(7)与外接监视器(24)相连，由外接监视器(24)直接显示观测的图像；旁轴CCD传感器(20)、变焦光学系统(21)及旁轴成像物镜(22)依次位于在同一光路上，并固定在直写工具的后方；工件反射回来的光束通过旁轴成像物镜(22)，经过变焦光学系统(21)进行调整后由旁轴CCD传感器(20)接收，并传输至计算机(23)；

直写系统包括微细笔直写装置和微喷直写装置；

微细笔直写装置的结构为：第二支架(25B)固定在基座(19)上，导轨(27)和气缸(28)分别位于第二支架(25B)的两侧，第一支架(25A)通过滑块(26)安装在导轨(27)上，微细笔(16)安装在第一支架(25A)上，随第一支架(25A)一起上下运动；气缸(28)上设置有第一导气管，第三支架(25C)与活塞杆(29)固定连接，千分表(13)固定在第三支架(25C)顶端，螺栓(14)固定在第一支架(25A)上，第一、第二微距调节螺母(15A、15B)由第三支架(25C)的伸出部位确定其位置，并套在螺栓(14)上；

微喷直写装置包括水浴锅(10)、第二导气管、微压表(12)和微喷工具；其中微喷工具又包括雾化腔(31)、卸压回收腔(32)和沉积喷嘴(33)；进气流通过第二导气管与微压表(12)相连，微压表(12)的另一端与雾化腔(31)相连，雾化腔(31)通过第二导气管与卸压回收腔(32)相连；雾化腔(31)与卸压回收腔(32)均置于水浴锅(10)中；卸压回收腔(32)的另一端由第二导气管与沉积喷嘴(33)相连，沉积喷嘴(33)喷射浆料并沉积在基板(34)表面。

2.根据权利要求1所述的种激光微熔覆专用设备，其特征在于，工作台包括操作台(17)、XY二维直线电机(18)和基座(19)；XY二维直线电机(18)固定在基座(19)上，操作台(17)安装在XY二维直线电机(18)的上方，并控制操作台(17)的运动。

3.根据权利要求1所述的种激光微熔覆专用设备，其特征在于，激光加工系统包括激光器(1)、光闸(2)、光束整形镜(3)、扩束镜(4)、镀膜反射镜(5)和激光聚焦镜(6)；

激光器(1)、光闸(2)、光束整形镜(3)、扩束镜(4)和镀膜反射镜(5)依次位于同一光路上，激光器(1)、光闸(2)、光束整形镜(3)和扩束镜(4)固定在工作台的基座上，镀膜反射镜(5)与激光器(1)的光束成45°夹角；激光聚焦镜(6)位于镀膜反射镜(5)的反射光路上。

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