CN102971121B - 利用多电极形成孔 - Google Patents

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Abstract

一种用于在以薄片材和基板形式的电介质工件(1)中、特别是在玻璃或玻璃状材料和半导体中产生孔(12)的设备。对称地围绕工件(1)中要产生的孔(12)，将独立电极(6a、6b、6c)布置在电极保持件(21)上，并且将独立对电极(7a、7b、7c)布置在对电极保持件(31)上。独立电极(6a、6b、6c)和独立对电极(7a、7b、7c)能够以置换方式连接至用于释放高电压闪络的高电压源。

Description

利用多电极形成孔
技术领域
本发明涉及一种用于在以薄片材和基板形式的电介质工件中、具体地是在玻璃或玻璃状的材料和半导体中产生孔的设备和方法。
背景技术
通过电产生的火花对塑料膜进行穿孔从US4,777,338已知。提供多个电极-对电极对，其间引入塑料膜并跨塑料膜释放高电压能量。通过水浴移除该膜，并且利用水浴温度来控制穿孔的尺寸。
用于在塑料膜中产生孔的另一方法从US6,348,675B1已知。在塑料膜插入电极之间的情况下，在电极对之间产生脉冲序列，第一脉冲用于在穿孔点处加热塑料膜，并且进一步的脉冲用于形成穿孔并对其构形。
从US4,390,774，从切割工件或焊接工件的意义，已知通过电方式处理非导电工件。将激光束引导在曝光期间移动的工件上，并且利用两个电极形成处理工件的电弧而将高电压施加至受热区域。当切割工件时，以可控的方式燃烧工件。当要焊接工件时，另外地将反应性或惰性气体引导至受热区域，从而与工件或电极或焊剂反应。以此方式，可以切割玻璃、纸张、布料、纸板、皮革、塑料、陶瓷以及半导体，或者可以焊接玻璃和塑料，可以硫化橡胶以及可以热固化合成树脂。但是，设备本身太过于笨重，因此不能在工件中形成微孔。
从WO2005/097439A2已知一种在电绝缘基板的区域中形成结构、优选地形成孔或腔或沟道的方法，其中优选以热的形式或通过激光束将能量提供至该基板或区域，且将电压施加至该区域以在该区域处产生介电击穿。利用反馈机构控制该过程。能够相继产生独立的微孔，但是不能同时采用多个电极对。这是因为并联操作的电极彼此相互影响且不能进行独立控制。
从WO2009/059786A1已知一种在电绝缘基板的区域中形成结构、特别是形成孔或腔或沟道或凹陷的方法，其中将存储的电能跨该区域释放，并且将优选为热的另外的能量提供至基板或该区域以提高基板或该区域的电导率，并且因此引发电流，其能量耗散在基板中，即转换成热，其中通过电流和功率调制元件控制电能的耗散速度。并未公开用于同时产生多个孔的设备。
WO2009/074338A1公开了一种在电绝缘或半导电基板的第一区域中引入介电和/或光学性质改变的方法，基板任选地具有导电或半导电或绝缘层，该基板的光学或介电性质由于基板温度的临时提高而不可逆转地改变，其中电能从电压源提供至第一区域以在不导致第一区域的材料喷出的情况下显著加热或熔化部分或全部第一区域，并且其中进一步任选地，提供另外的能量以产生局部加热并限定第一区域的位置。电能的耗散本身体现为基板中流动的电流的形式。通过电流和功率调制元件控制电能的耗散。通过该方法产生的基板表面的改变还包括在已经提供有石蜡的绝缘层或热熔粘合剂的硼硅酸玻璃或硅基板中产生孔。而且，在硅、氧化锆、蓝宝石、磷化铟或砷化镓中产生孔。部分地，通过在10.6μm波长处的激光束(CO2激光)辐射开始放电过程。还公开了一种孔的网格，但是其具有相对大的孔间距。没有公开同时产生多个孔的设备。
从DE2830326A1已知一种利用高电压脉冲对膜状片材有效地超精细穿孔的布置。片材以基本上不接触的方式穿过施加了高电压的一对电极之间。两个电极由多行针阵列构成。针阵列中相互相对的针成对地经由控制线连接到分离激励电路。两个针之间的火花放电沿膜状材料中的击穿产生微穿孔。
因此，从现有技术已经清楚怎样利用适当频率或脉冲形状的高电压电场对电介质材料箔和薄片材穿孔。材料的局部加热在要被穿孔的点处降低了电介质强度，因此所施加的场强足以使电流跨材料流动。如果如在玻璃、玻璃陶瓷以及半导体(以及许多塑料)的情况下，材料显示出随温度升高而显著增大的电导率，结果是材料中的穿孔沟道的“电热自聚焦”。穿孔材料越来越热，电流密度会增大直至材料被蒸发并且穿孔被“炸开”。但是，因为穿孔基于介电击穿，因此难以准确匹配击穿的所需位置。如公知的，例如大气闪蒸(atomosphericflash)按照非常不规则的过程。
CPU芯片在其底面上的小区域上分布了几百个接触点。为了产生到接触点的供电线，采用薄片材(<1mm)，即被称为“中介片(interposer)”的涂覆有环氧材料的纤维玻璃垫，供电线穿过其延伸。为此，在中介片中设置几百个孔并填充导电材料。典型孔尺寸范围是每个孔250至450μm。在CPU芯片和中介片之间在长度上不应有任何改变。因此，中介片应展现出类似于芯片的半导体材料的热膨胀形式，但是现有采用的中介片不是这种情况。
现有技术中还缺乏在孔间间距范围是120μm至400μm，并且利用电热穿孔工艺的情况下，以工业规模制造彼此相邻的多个微孔。
发明内容
本发明的目的是提供一种在应满足对于中介片提出的诸如以下条件的情况下时，用于在以薄片材和基板形式的电介质工件(1)中、具体是在玻璃或玻璃状的材料以及半导体中产生孔的设备：
孔必须能够被精确定位(±20μm)。必须能够在紧密的孔间容限的情况下对每个工件产生许多(从10个至10,000个)小孔。必须能够在窄孔间间距(30μm至1000μm)的情况下产生孔。在孔的出口和入口处应具有锥形火山口形状(conicalcrater-shaped)的形式，同时中心孔部分应为圆柱形。孔壁应被回火抛光。孔应能是在工业规模上可产生的，即同时地对每个工件产生多个微孔。
根据本发明的产生孔的设备基于独立电极和独立对电极，其对称地布置在要在工件中形成的孔周围，该独立电极和独立对电极被独立触发以发射高电压脉冲。独立电极和对电极的激活由随机发生器或统计平均地确保激活的电极-对电极对对于所有独立电极适当等同的方案来控制。这提供了孔的基本上圆柱形的壁的轴对称，同时在孔的入口和出口处的孔边缘是圆形的。该孔形状特别适于产生所谓的“中介片”，该中介片构成CPU芯片和电路板(主板)之间的连接桥。
详细来说，提供电极保持件和对电极保持件的布置(阵列)，其限制了用于工件的处理空间。独立电极和对电极安装到这些电极保持件和对电极保持件上。要被穿孔的工件由工件保持件定位在处理空间中，以便要被处理的点位于独立电极和对电极之间的连接线上。为了提供跨工件的高电压击穿，高电压源连接至独立的相互相对的电极-对电极对。因为对于每一个要形成的单个孔来说，存在多个独立的电极-对电极对，因此一个单个电极有效连接至一个单个对电极。以此方式，产生了高电压闪络束，其有助于相应产生的孔的所需形状和构造。
根据本发明的优选实施例，电极和对电极中的每一个包括三个独立电极。这是孔形成设备的制造复杂性和孔形成质量之间的良好的折衷，且具有电极的使用寿命延长三倍以上的额外优点。(在电压闪络之间的操作中断使得电极被暂时冷却，并且因此延长其寿命。)
对于电极和对电极中的每一个来说，电极通道被提供为穿过电极保持件和对电极保持件。因此电极轴具有用于绝缘目的的相应的陶瓷外套管，并且提供环结构用以精确支撑相应的电极罩。
电极的优选材料是碳化钨合金。电极配备有精密形成的电极尖端(μm范围)，该电极尖端可以通过火花加工(放电加工-EMD)制成。
为了同时产生多个孔，电极-对电极对的多重阵列(multiplearray)对称布置在要形成的穿孔的周围。这些电极-对电极对中的每一个都由分离的高电压源供电。以此方式，避免了已经变成导电的孔从还没变成导电的所有孔吸引电流。用于每个电极-电极对的电源的独立性使得在工件中独立形成每一个独立的孔。
为了精确定位孔，穿孔点可以通过在所需位置准备工件用于高电压闪络而被标记。为此，可以采用足够高强度的激光束，其沿相应丝状沟道破坏工件的材料，由此在这些位置处降低电击穿强度。标记的高精度准备确保在后续电热穿孔工艺中孔的高精度定位。
穿孔点的标记还可以通过印刷至工件上的以点形式的耦合材料(具有较大的电介质损耗因数)而实现，该材料包括促进介电击穿的成分。
附图说明
以下将参考附图说明本发明的示例性实施例，其中：
图1是用于在电介质工件中产生孔的设备的示意图；
图2是电极和对电极的示意图；
图3示出电极；以及
图4是图3的放大细节。
具体实施方式
图1示出用于在电介质工件1中标记穿孔点10和产生孔12的设备。标记装置包括激光器40的阵列4，其对于实现本发明的目的来说不是必不可少的，但是允许非常精确地定位预定的穿孔。激光器40发射对电介质工件1基本上透过的波长的光束41，但是光束41具有的高强度使得光束41在工件1的材料中精确地在要形成所需穿孔的点处造成破坏的丝状沟道11。本文所述的“基本上透过”是指激光束可以穿透到要被穿孔的材料中的足够深度，但是材料能展现出足够的吸收性，以致沿沟道11发生破坏。
通过电极6和对电极7的协作产生所需尺寸的孔12。相互相对并协作的电极6和7对称布置在要形成的相应的孔12的周围且构造为多个独立电极。在本实施例中，如示意性示出地，三个独立电极6a、6b、6c通常固定在支撑结构20上，并且独立电极7a、7b、7c固定在另一支撑结构30上。用于工件1的处理空间23在支撑结构20、30之间延伸。在处理空间23中，可以利用工件保持件5转移并精确定位工件1。
支撑结构20、30适于分别支撑多个电极保持件21和31(图2)，该多个电极保持件21和31在其支撑结构20、30中形成各自的阵列。每个电极保持件21和31分别包括相应的圆柱形罩22和32以及用于三个独立电极的相应的三个通道24和34，该三个独立电极被设置为其尖端在圆柱形罩的轴附近的点处(参见图3)。
电极6、7可连接至高电压源(未示出)以在电极6和对电极7之间产生火花，如图2中详细所示。独立电极6a、6b、6c和7a、7b、7c连接至置换装置(未示出)，该置换装置例如将电极6a、6b、6c以旋转顺序连接至高电压源，同时将独立对电极7a、7b、7c以随机顺序连接至高电压源的相反极。还能够应用不同的触发方案以确保所有有效电极对适当等同地出现。火花从每个电极尖端朝向彼此的对电极发出，使得可以期望孔12的侧壁至少在其中心部分圆柱地延伸，并保持轴对称。此外，也可以根据需要期望在孔的入口和出口处的孔边缘被圆化(rounded-broken)。
图4示出穿过电极保持件21的圆柱形罩22的用于独立电极6的通道24。穿过电极保持件31的通道34是类似的。圆柱形罩22具有凹陷25，相应的独立电极通过该凹陷25延伸。这些电极的轴由电绝缘陶瓷套管26覆盖，电绝缘陶瓷套管26可以由耐高温氧化铝构成并嵌入耐高温材料的板27中。板27在凹陷25上方附接至圆柱形罩22。独立电极具有由碳化钨合金制成并利用EDM工艺(放电加工)锐化的精密的电极尖端，因此尖端在微米范围中是尖锐的。
可以采用根据穿孔10的图案印刻耦合点的标记装置替代包括标记装置的激光器阵列4。耦合材料促进工件的穿孔区域中的电击穿和熔体流动。
图1所示的设备如下操作：
如果穿孔点10的特别精确的定位是有意义的，则标记这些穿孔点，这在图1的情况下通过发射激光辐射41的激光器40的阵列4实现。例如由玻璃制成的工件1在穿孔点10处通过辐射41而被穿透，并且辐射41的强度使得在玻璃中形成破坏的丝状沟道11。然而，这种预处理对于图1所示的设备的基本操作来说不是必不可少的。
相对于电极6-对电极7定位工件1，以便意图穿孔点10变得位于这些电极6-对电极7对之间的相应连接线上。通过施加高电压，在穿孔点处跨工件1的材料造成击穿；本发明的特点在于放电火花在每个穿孔点附近从独立电极6a、6b、6c至独立电极7a、7b、7c对称地产生。未示出的置换装置确保电极保持件21的一个独立电极在每种情况下都与电极保持件31的一个独立电极协作，这意味着火花跨这些独立电极跳跃，如图2中所示。置换装置用于交替切换独立电极使得平均来说每个电极保持件的所有独立电极都与相应对电极保持件的独立电极协作，并且平均来说适当等同地施压。以此方式获得孔壁的轴对称，孔在其中心部分为圆柱形而在孔外围处的边缘被修圆。这种孔轮廓特别适用于作为中介片的工件。
可执行深反应离子蚀刻的处理步骤代替利用高电压放电来加宽击穿。

Claims (23)

1.一种用于在以薄片材和基板形式的电介质工件(1)中产生孔(12)的设备，具有以下特征：
-电极保持件(21)和对电极保持件(31)的布置限定用于所述工件(1)的处理空间(23)；
-在所述工件的任一侧相对彼此布置的电极(6)和对电极(7)由所述电极保持件(21)和对电极保持件(31)支撑并且连接至高电压源；
-提供工件保持件(5)以用于相对于所述电极保持件(21)和对电极保持件(31)转移所述工件(1)；
-所述电极(6)中的每一个包括多个独立电极(6a、6b、6c)，并且所述对电极(7)中的每一个包括多个独立对电极(7a、7b、7c)，所述独立电极对称布置在所述工件(1)中要形成的每个孔(12)的周围；
-所述工件保持件(5)在所述处理空间(23)中定位要被穿孔的所述工件(1)，并且其穿孔点(10)位于所述独立电极(6a、6b、6c)和所述独立对电极(7a、7b、7c)之间的对称线上；
-所述独立电极(6a、6b、6c)和所述独立对电极(7a、7b、7c)交替连接至高电压源以提供高电压击穿。
2.根据权利要求1所述的设备，其中电介质工件(1)是玻璃或玻璃状材料。
3.根据权利要求1所述的设备，其中电介质工件(1)是半导体。
4.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述独立电极(6a、6b、6c)和所述独立对电极(7a、7b、7c)被对称布置在每个预期的孔(12)周围并相对于所述工件(1)彼此相对，并且所述独立电极(6a、6b、6c)和所述独立对电极(7a、7b、7c)能成对地电连接至所述高电压源。
5.根据权利要求1所述的设备，
其中三个独立电极(6a、6b、6c)和三个独立对电极(7a、7b、7c)设置在所述电极(6)和对电极(7)的每个位置处。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极保持件(21)和对电极保持件(31)中的每一个包括用于相应的独立电极(6a、6b、6c)和相应的独立对电极(7a、7b、7c)的圆柱形罩(22；32)以及电极通道(24；34)。
7.根据权利要求6所述的设备，
其中所述电极(6)和对电极(7)具有通过相应的陶瓷外套管(26)绝缘的电极轴，并且
其中所述圆柱形罩(22；32)适用于精确支撑相应的电极(6)和对电极(7)。
8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的设备，其中所述独立电极(6a、6b、6c)和所述独立对电极(7a、7b、7c)由碳化钨合金制成。
9.根据权利要求1至7中的任何一项所述的设备，其中，所述独立电极(6a、6b、6c)和所述独立对电极(7a、7b、7c)中的每一个具有指向相应的预期的孔(12)的电极尖端。
10.根据权利要求4至7中的任何一项所述的设备，其中提供置换电路以变化所述独立电极(6a、6b、6c)和所述独立对电极(7a、7b、7c)的对中的连接。
11.根据权利要求1至7中的任何一项所述的设备，其中所述独立电极(6a、6b、6c)和所述独立对电极(7a、7b、7c)被对称布置在预期的孔(12)周围的所述电极(6)-对电极(7)对连接至分离的高电压源。
12.根据权利要求1至7中的任何一项所述的设备，其中标记装置布置在孔形成装置的上游，用于在所述工件(1)上标记穿孔点(10)。
13.根据权利要求12所述的设备，
其中所述标记装置包括激光器(40)的多重阵列(4)，所述激光器(40)的多重阵列(4)根据要被产生的所述孔(12)的图案来布置，或能够通过所述工件(1)的移动来寻找该图案。
14.根据权利要求13所述的设备，
其中所述激光器(40)能够发射在基本上透过所述工件(1)的波长范围中的辐射(41)，并且辐射强度使得要被穿孔的所述工件(1)沿丝状沟道(11)经历非热破坏，所述丝状沟道(11)将所述穿孔点(10)标记为对高电压火花具有降低的电介质强度的区域。
15.根据权利要求12所述的设备，
其中所述标记装置是用于将点状耦合材料施加至所述工件的装置，并且其中所述耦合材料具有高电介质损耗因数并包括促进高电压击穿和熔体流动的物质。
16.一种用于在以薄片材和基板形式的电介质工件(1)中产生孔(12)的方法，包括如下步骤：
a)将工件(1)引入电极(6)和对电极(7)之间的处理空间(23)，所述电极(6)和所述对电极(7)围绕所述工件中相应的要产生的孔(12)形成独立电极(6a、6b、6c)和独立对电极(7a、7b、7c)的对称布置；
b)交替使每个预期穿孔点的所述独立电极(6a、6b、6c)和独立对电极(7a、7b、7c)经受高电压，以跨所述工件(1)产生电击穿；以及
c)将所述击穿加宽至所述孔(12)的所需尺寸。
17.根据权利要求16所述的方法，其中电介质工件(1)是玻璃或玻璃状材料。
18.根据权利要求16所述的方法，其中电介质工件(1)是半导体。
19.根据权利要求16所述的方法，
其中所述交替经受根据相互关联的电极-对电极的触发方案来实现，其中所有有效电极对通常等同地出现。
20.根据权利要求16所述的方法，
其中在步骤a)之前，所述工件(1)在意图穿孔点(10)处被标记。
21.根据权利要求20所述的方法，
其中所述标记通过激光辐射(41)生效，所述激光辐射(41)在所述工件(1)中产生丝状沟道(11)。
22.根据权利要求20所述的方法，
其中所述标记通过以点形式施加的耦合材料生效，所述耦合材料具有高电介质损耗因数并促进高电压击穿和熔体流动。
23.根据权利要求16至22中的任何一项所述的方法，
其中利用深反应离子蚀刻执行步骤c)。
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