CN104465266B - 一种大面积厚gem的制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积厚GEM的制作工艺，包括阻焊层覆盖、激光开窗、绝缘环加工、通孔成型和阻焊层消褪处理等步骤，采用激光钻孔方式，激光钻孔开窗和激光钻孔通孔成型的双重定位技术进行厚GEM的加工。本发明大面积厚GEM的制作工艺具有成本低、加工精度高和生产效率高等特点。

Description

一种大面积厚 GEM 的制作工艺

技术领域

本发明涉及气体电子倍增器技术领域，具体是指一种大面积厚GEM的制作工艺。

背景技术

厚型气体电子倍增器（Thick Gaseous Electron Multiplier，THGEM, 以下称厚GEM）是在以色列的物理学家A. Breskin于2004年在传统气体电子倍增器基础上提出的一种新型微结构气体探测器。其特点是利用工业的PCB加工技术，在0.1～1.0mm的PCB板上通过机械钻孔形成密集均匀的微孔阵列，且PCB板上、下表面覆导电金属层（铜）。由于微孔结构的存在，当在上、下两平面电极附加一定电压差时，就能够在通孔内形成很强的电场。将探测器置于工作气体后，电离电子进入通孔内，在强电场的作用下即发生气体的雪崩倍增过程，从而实现信号的放大和物理过程的探测。厚GEM结构简单、成本低、增益高、结实耐用，计数率高，在粒子物理和辐射成像等领域具有广阔的应用前景。

国内外制作厚GEM有四种不同的工艺，都是通过机械钻孔形成孔阵列，通过化学腐蚀形成绝缘环，只是在工艺顺序和细节处理上有所差异。随着厚GEM性能的不断提高和技术的不断成熟，推广其实际应用成了主要的目标。然而，实际应用的前提是能够制作较大的尺寸，如>=200*200mm^2。大面积意味着钻孔数目高达数十万，甚至上百万。采用机械钻孔的加工方式每分钟仅能完成数百个孔，要实现大面积厚GEM的制作不仅要求连续钻孔时间极长（如>24h），而且需要更换大量钻头以保证钻孔质量，更换频率约为2000孔/头，如此在钻孔过程中也将造成相当大的物耗成本。此外，当孔间距要求≤0.5mm时，钻孔的精度要求会显著提高，而常规的工业化设备定位精度有限，无法满足加工需求，需要采用精密的数控钻床进行加工，这进一步形成了大面积制作效率低、成本高和实际应用批量生产需求之间的瓶颈。

因此，发展一种高效率、高精度和成本适宜的厚GEM制作技术成为推动其实际大规模应用的关键。

发明内容

本发明针对目前传统的气体电子倍增器在加工中存在的加工难度大的问题，提供一种大面积厚GEM的制作工艺，具有成本低廉、加工精度高和生产周期短的优点。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种大面积厚GEM的制作工艺，包括以下步骤：

第一步、阻焊层覆盖，对基板进行双面绿油印制，在基板的双面覆盖阻焊层；

第二步、激光开窗，根据大面积厚GEM的分布要求，在第一步所得的覆盖有阻焊层的基板上采用激光对孔环位进行阻焊开窗，形成通孔的激光窗位

第三步、绝缘环加工，把第二步所得激光开窗处理后的基板先采用等离子清洗工艺去除激光开窗后残余铜面的保护膜，然后侧蚀方式精确蚀刻绝缘环，完成激光窗位的二次蚀刻规整限位。得到激光窗位的绝缘环；

第四步、通孔成型，调节激光发生器激光照射方向对准经过第三步二次蚀刻规整限位处理的绝缘环的圆心对齐定位，从基板的双面同时进行激光钻孔通孔成型，在基板上均匀形成与绝缘环高同心度高的激光通孔；

第五步、阻焊层消褪处理，把经过第四步通孔成型处理的基板进行阻焊层消褪处理，去除基板通孔成型后残余的阻焊层。

在第二步中的激光开窗和第四步中采用激光通孔成型，充分发挥激光发生器的对位精度高的特点，可以使制板的重复定位精准度达±5um，最终得到与绝缘环高同心度激光通孔，第三步采用等离子清洗和侧蚀方式，有效保证了绝缘环内部的规整程度，有效保证激光照射绝缘环圆心的同心效果。第四步通孔成型采用通孔采用激光双面加工，可得到高真圆度通孔孔型，且孔径尺寸偏差可以有效降低。

进一步地，第三步所述等离子清洗工艺使用的清洗介质为四氟化碳和氧气的混合气，所述混合气的体积配比四氟化碳：氧气为5:2，有效清除阻焊层覆盖后在基板铜面残留的氧化层，确保绝缘环的侧蚀的蚀刻效果。

进一步地，第一步所述的阻焊层覆盖包括阻焊前处理、阻焊印刷和阻焊固化步骤，有效保证了阻焊层的结合效果。

进一步地，第一步阻焊层覆盖所用的基板是以铜箔为原材料通过开料、棕化和叠板压合步骤加工形成的。为了保证后续阻焊层覆盖的效果，在进行叠板压合时要注意铜箔反压毛面向外以降低铜牙放电对阻焊层结合效果的破坏，必要时还需要在压合后进行砂带磨板削除表面铜牙。

进一步地，完成第五步阻焊层消褪处理的基板还包括后处理工序，所述后处理工序包括喷砂、外层线路制造、图电金和耐高压测试，最终获得成品。

优选地，所述激光通孔的孔径为0.05mm～1.0mm，相对于机械钻孔，其孔径更小，可满足更高的加工要求。

优选地，所述激光通孔的孔距为0.15mm～10.0mm，相对于机械钻孔，其孔距更小，可满足更高的加工要求。

优选地，第二步所述激光开窗和第四步所述通孔成型的激光定位的精度≤40um，相对于机械钻孔，其精度更高，可满足更高的加工要求。

本发明大面积厚GEM的制作工艺，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

第一、成本低，通过采用激光钻孔代替传统的机械钻孔方式，显著降低钻孔钻偏的缺陷，可以有效提高成品率，进行规模化生产，有效节约材料成本和减少加工损耗成本；

第二、加工精度高，采用激光钻孔方式进行激光开窗和通孔成型，既可以保证有效利用激光钻孔精度的优点，又实现双重对位保证绝缘环与激光通孔的同心度，同时激光双面通孔加工也可以有效保证通孔的高真圆度和减少孔径尺寸偏差，进一步提高加工的精度；

第三、生产效率高，通过激光钻孔方式代替传统的机械钻孔，加工速度快，可达到10000孔/秒，生产效率显著提高，大大缩短生产周期；

第四、操作方便，激光钻孔方式自动化程度高，绝缘环加工采用的等离子清洗和侧蚀方式可以规模化进行，直接提高操作的便捷性；

第五、一致性好。通过在激光开窗和通孔成型之间加入绝缘环加工工序，有效避免激光开窗钻孔残留氧化膜对通孔成型的影响，保证保证绝缘环与激光通孔的同心度，减少孔径尺寸偏差，提升加工的一致性。

附图说明

附图1为本发明大面积厚GEM的制作工艺的工艺流程图；

附图2为激光打孔与机械钻孔厚GEM的增益曲线对比图；

附图3为激光打孔与机械钻孔厚GEM的增益稳定性对比图；

附图4为激光打孔与机械钻孔厚GEM的能量分辨对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。

如图1所示，一种大面积厚GEM的制作工艺，在进行大面积厚GEM加工前，以铜箔为原材料通过开料、棕化和叠板压合步骤加工形成基板。根据基板表面的铜牙状况进行砂带磨板进一步消除表面铜牙，然后按照如下工序进行加工：。

第一步、阻焊层覆盖，对基板进行双面绿油印制，在基板的双面覆盖阻焊层，此步包括阻焊前处理、阻焊印刷和阻焊固化等工序；

第二步、激光开窗，根据大面积厚GEM的分布要求，在第一步所得的覆盖有阻焊层的基板上采用激光对孔环位进行阻焊开窗，形成通孔的激光窗位，在加工过程中控制激光定位的精度≤40um；

第三步、绝缘环加工，把第二步所得激光开窗处理后的基板先采用等离子清洗工艺去除激光开窗后残余铜面的保护膜，然后侧蚀方式精确蚀刻绝缘环，完成激光窗位的二次蚀刻规整限位。得到激光窗位的绝缘环，此步中所述等离子清洗工艺使用的清洗介质为四氟化碳和氧气的混合气，所述混合气的体积配比四氟化碳：氧气为5:2；

第四步、通孔成型，调节激光发生器激光照射方向对准经过第三步二次蚀刻规整限位处理的绝缘环的圆心对齐定位，从基板的双面同时进行激光钻孔通孔成型，在基板上均匀形成与绝缘环高同心度高的激光通孔。在加工过程中控制激光定位的精度≤40um，激光通孔的孔径为0.05mm～1.0mm，激光通孔的孔距为0.15mm～10.0mm；

第五步、阻焊层消褪处理，把经过第四步通孔成型处理的基板进行阻焊层消褪处理，去除基板通孔成型后残余的阻焊层

完成第五步阻焊层消褪处理的基板进入后处理工序，所述后处理工序包括喷砂、外层线路制造、图电金和耐高压测试等步骤。

为了进一步说明本发明所述一种大面积厚型电子倍增器的效果，我们同时对本法激光制版制备的大面积厚GEM和采用传统机械钻孔方式的厚GEM进行工艺效果对比，对接结果如表 1所示：

表1 工艺效果对比表表 1

项目	激光钻孔厚型气体电子倍增器	机械钻孔厚型气体电子倍增器
			孔径	100um	150um
孔间距	300um	400um
			厚度	100um	100um
Rim	20um	70um
			本征分辨率	87um	116um

从表 1可以看到，采用厚度相同的基板进行加工，采用激光钻孔方式的厚GEM可加工的孔径、孔间距和rim更小，本征分辨率更高，说明采用激光钻孔方式的厚GEM较机械钻孔方式制备的厚型气体电子倍增管精度更高。

同时，为了进一步从增益效果上说明采用本发明制备方法制备的厚GEM的性能，分别对激光钻孔方式和机械钻孔方式制备的厚GEM进行增益、增益稳定性和能量分辨测试，具体如图2、图3、图4所示。在附图2中，上侧为激光制板增益效果曲线，下侧为机械制板增益效果曲线；在附图3中，上侧为激光制板增益稳定性曲线，下侧为机械制板增益稳定性曲线；在附图4中，上侧为激光制板能量分辨图谱，下侧为机械制板能量分辨图谱。图2、图3和图4的结果表明，采用激光打孔方式制作厚GEM可以得到与机械钻孔方式厚GEM的相同性能，甚至更好，而其可达到的本征分辨率更小，且能在更低的电压下获得较大增益，能量分辨也有更大的的提升空间。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大面积厚GEM的制作工艺，其特征在于包括以下步骤：

第一步、阻焊层覆盖，对基板进行双面绿油印制，在基板的双面覆盖阻焊层；

第二步、激光开窗，根据大面积厚GEM的分布要求，在第一步所得的覆盖有阻焊层的基板上采用激光对孔环位进行阻焊开窗，形成通孔的激光窗位

第三步、绝缘环加工，把第二步所得激光开窗处理后的基板先采用等离子清洗工艺去除激光开窗后残余铜面的保护膜，然后侧蚀方式精确蚀刻绝缘环，完成激光窗位的二次蚀刻规整限位，得到激光窗位的绝缘环；

第四步、通孔成型，调节激光发生器激光照射方向对准经过第三步二次蚀刻规整限位处理的绝缘环的圆心对齐定位，从基板的双面同时进行激光钻孔通孔成型，在基板上均匀形成与绝缘环高同心度的激光通孔；

第五步、阻焊层消褪处理，把经过第四步通孔成型处理的基板进行阻焊层消褪处理，去除基板通孔成型后残余的阻焊层。

2.根据权利要求1所述的大面积厚GEM的制作工艺，其特征在于：第三步所述等离子清洗工艺使用的清洗介质为四氟化碳和氧气的混合气，所述混合气的体积配比四氟化碳：氧气为5:2。

3.根据权利要求1或2所述的大面积厚GEM的制作工艺，其特征在于：第一步所述的阻焊层覆盖包括阻焊前处理、阻焊印刷和阻焊固化步骤。

4.根据权利要求3所述的大面积厚GEM的制作工艺，其特征在于：第一步阻焊层覆盖所用的基板是通过开料、棕化和叠板压合步骤加工形成的。

5.根据权利要求4所述的大面积厚GEM的制作工艺，其特征在于：完成第五步阻焊层消褪处理的基板还包括后处理工序，所述后处理工序包括喷砂、外层线路制造、图电金和耐高压测试。

6.根据权利要求5所述的大面积厚GEM的制作工艺，其特征在于：所述激光通孔的孔径为0.05mm～1.0mm。

7.根据权利要求6所述的大面积厚GEM的制作工艺，其特征在于：所述激光通孔的孔距为0.15mm～10.0mm。

8.根据权利要求7所述的大面积厚GEM的制作工艺，其特征在于：第二步所述激光开窗和第四步所述通孔成型的激光定位的精度≤40um。