CN105682850B - 用于在玻璃基材中形成孔道的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过激光钻孔和酸蚀刻在玻璃基材中形成孔道的方法。在一种实施方式中，一种在玻璃基材中形成孔道的方法包括从玻璃基材的入射表面利用激光钻过该玻璃基材的厚度的至少一部分以形成孔道。本方法还包括对该玻璃基材进行一段蚀刻时间的蚀刻，以增加该孔道的入射开口的直径，并在蚀刻时间的至少一部分内对该玻璃基材施加超声波能量。所施加的超声波能量的频率为40kHz～192kHz。

Description

用于在玻璃基材中形成孔道的方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2013年8月29日提交的美国临时申请系列第61/871440号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
背景
领域
本发明总体上涉及用于在玻璃基材中形成孔道的方法，更具体而言，涉及通过激光钻孔和酸蚀刻在玻璃基材中形成孔道的方法。
技术背景
中间层可用作电子装置中的电接口以将电连接传播至更宽的间距(pitch)或将一种连接转化成不同的连接。通常，中间层的基板中形成有数以千计的孔道(即孔)，这些孔道后续被导电材料充填并被进一步处理以连接电连接。中间层可由各种材料形成，例如硅、纤维增强聚合物(“FRP”)和玻璃。
FRP中间层会饱受各种缺陷之苦。例如，可利用不希望的昂贵的精工钻头通过钻孔来在FRP中间层中形成圆柱形的孔道。这种钻头会在基材表面晃动，从而限制了孔径和孔距。另外，FRP中间层的热膨胀系数(“CTE”)可以比硅的CTE高大约5倍，导致在硅芯片与FRP中间层之间形成不希望的热错配。而且，FRP中间层有在处理过程中翘曲的倾向，导致粘接和结合上的困难。
出于各种原因，例如玻璃的CTE与硅的CTE相似以及玻璃的低成本，玻璃中间层是FRP中间层的一种有吸引力的替代选择。然而，利用例如钻孔的常规方法在玻璃中间层中形成孔道可能是困难的，这些方法并不是制造具有孔道的玻璃中间层的实用方法。
所以，需要用于在玻璃基材中形成孔道的方法。
发明概述
在一种实施方式中，一种在玻璃基材中形成孔道的方法包括从玻璃基材的入射表面利用激光钻过该玻璃基材的厚度的至少一部分以形成孔道。本方法还包括对该玻璃基材进行一段蚀刻时间的蚀刻，以增加该孔道的入射开口的直径，并在蚀刻时间的至少一部分内对该玻璃基材施加超声波能量。所施加的超声波能量的频率为40kHz～192kHz。
在另一种实施方式中，一种用于在玻璃基材中形成通孔的方法包括利用激光钻过玻璃基材的厚度以形成通孔，即从玻璃基材的入射表面钻到出口表面，以使通孔在玻璃基材的入射表面的入射开口与玻璃基材的出口表面的出口开口之间延伸。本方法还包括对玻璃基材的入射表面施用耐酸膜，以使该耐酸膜覆盖通孔的入射开口。本方法还包括对玻璃基材进行第一蚀刻时间的蚀刻，以增加通孔的出口开口的直径，从通孔的入射开口处去除耐酸膜，以及对玻璃基材进行第二蚀刻时间的蚀刻以增加通孔的入射开口和出口开口的直径。
在另一种实施方式中，一种用于在玻璃基材中形成通孔的方法包括利用激光钻过玻璃基材的厚度以形成通孔，即从玻璃基材的入射表面钻到出口表面，以使通孔在玻璃基材的入射表面的入射开口与玻璃基材的出口表面的出口开口之间延伸。本方法还包括对玻璃基材的入射表面使用耐酸膜以覆盖通孔的入射开口；对玻璃基材进行第一蚀刻时间的蚀刻以增加通孔的出口开口的直径；在第一蚀刻时间的至少一部分内对玻璃基材施加超声波能量；从通孔的入射开口处去除耐酸膜；对玻璃基材进行第二蚀刻时间的蚀刻以增加通孔的入射开口和出口开口的直径；以及在第二蚀刻时间的至少一部分内对玻璃基材施加超声波能量。第二蚀刻时间内所施加的超声波能量具有第一频率和第二频率。
附图的简要说明
图1示意性地描绘了根据本文所示和所描述的一种或多种实施方式的对玻璃基材进行激光钻孔的示例性的激光钻孔系统；
图2示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的玻璃基材蚀刻设备；
图3A示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的具有盲孔导孔的玻璃基材的横截面；
图3B示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的图3A的玻璃基材经过蚀刻后的横截面；
图4A示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的具有通孔导孔的玻璃基材的横截面；
图4B示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的图4A的玻璃基材经过蚀刻后的横截面；
图5A示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的具有通孔导孔的玻璃基材的横截面；
图5B示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的对图5A的玻璃基材的入射表面施用耐酸膜后该玻璃基材的横截面；
图5C示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的图5B的玻璃基材经过蚀刻后的横截面；
图5D示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的图5C的玻璃基材去除耐酸膜后的横截面；以及
图5E示意性地描绘了根据本文所示和所述的一种或多种实施方式的图5D的玻璃基材经过蚀刻后的横截面。
发明详述
下面对用于对玻璃基材进行激光钻孔和蚀刻以在该玻璃基材中形成孔道的各种实施方式进行详细描述，其例子在附图中示出。只要可能，在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的组件。
如本文所述，用于在玻璃基材中形成孔道的方法总体上包括利用激光钻过该玻璃基材的厚度的至少一部分以形成孔道，对该玻璃基材进行一段蚀刻时间的蚀刻以增加孔道的入射开口的直径，以及在该蚀刻时间的至少一部分内对该玻璃基材施加超声波能量。在一些实施方式中，所施加的超声波能量的频率可为40kHz～192kHz。通过在蚀刻过程中施加频率为40kHz～192kHz的超声波能量，可快速制得包含具有所需尺寸和性质的孔道的玻璃基材，并使对玻璃的损伤最小化。
本文还描述了用于在玻璃基材中形成通孔的方法，所述方法总体上包括利用激光钻过玻璃基材的厚度以形成通孔；对该玻璃基材的入射表面施用耐酸膜以覆盖该通孔的入射开口；对该玻璃基材进行第一蚀刻时间的蚀刻；从该通孔的入射开口处去除耐酸膜，以及对该玻璃基材进行第二蚀刻时间的蚀刻。通过利用这种方法来形成通孔，该孔道可具有相当的入射开口尺寸和出口开口尺寸，从而避免了入射开口与出口开口尺寸不匹配所带来的加工问题、加工成本和加工延误。
如本文所用，术语“通孔”表示玻璃基材中延伸完全通过该玻璃基材全部厚度的孔。如本文所用，术语“盲孔”表示在玻璃基材中开口并从玻璃基材的表面一路延伸通过该玻璃基材的厚度的一部分而到达一个深度，但不一路延伸穿过该玻璃基材的厚度。
现在参照图1，图1示意性地描绘了用于对玻璃基材进行激光钻孔的示例性的系统。系统100总体上包含用于对玻璃基材150进行激光钻孔的激光源110。激光源110可以是能够钻穿玻璃基材150的厚度的任意种类的激光器。激光可利用任意激光钻孔技术来对玻璃基材150进行钻孔，例如但不限于激光烧蚀、穿孔、冲击钻孔等等。在一些实施方式中，激光源110是一种发射波长为355nm的脉冲激光束112的固态紫外线激光器(例如Nd:YAG激光器)。但是应当理解的是，在其它实施方式中，也可使用具有其它波长的激光源来对玻璃基材150进行激光钻孔。
如本文所述，在一些实施方式中，激光源110可发射激光束112以激光钻出用于通孔或盲孔的导孔。通孔的导孔一路延伸穿过玻璃基材150的厚度。盲孔的导孔从玻璃基材的表面延伸通过玻璃基材的厚度的一部分而到达一个深度，但不一路延伸穿过玻璃基材的厚度。可将玻璃基材150置于平移台(未在图中示出)上，以使其可进行二维(或三维)的平移以在玻璃基材150中钻出多个导孔。附加地或替代地，激光源110可与平移机械装置连接，以使激光源110所产生的激光束112可相对于玻璃基材150进行平移从而在玻璃基材150中钻出多个导孔。
玻璃基材150可由各种玻璃组合物形成，包括但不限于硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃和钠钙玻璃。另外，玻璃基材150可经过强化(例如利用离子交换法强化)或未经强化。示例性的玻璃基材可包括但不限于康宁(Corning)EAGLE 玻璃和经过化学强化或未经强化的康宁玻璃。
现在参照图2，图2示意性地描绘了用于对玻璃基材150进行蚀刻以打开由激光钻得的导孔的示例性的蚀刻设备200。总体上，示例性的蚀刻设备200包含外部容器210、水槽220、蚀刻溶液槽230、样品固定器240、超声波换能器250和超声波发生器260。在所示的实施方式中，蚀刻溶液槽230被安置于水槽220内部，而水槽220被安置于外部容器210的内部。超声波换能器250可被安置于外部容器210的内部并与水槽220相互接合，以对水槽220内装的水225施加超声波能量，进而对位于蚀刻溶液槽230内装的蚀刻溶液235施加超声波能量，并最终对蚀刻溶液槽230中受到样品固定器240支撑的玻璃基材150施加超声波能量。应当理解的是，超声波换能器250可配置成位于相对于水槽220的任意位置和取向，例如在水槽220的下方以及/或者在水槽220的侧方。如将在下文中详细描述的那样，对正在蚀刻溶液槽230中被蚀刻溶液235蚀刻的玻璃基材150施加超声波能量加强了对玻璃基材150的蚀刻并有助于形成具有所述特征的孔道。
在图2所示的实施方式中，样品固定器240制造成使玻璃基材150以垂直取向支撑。无意受制于理论，当样品固定器240以垂直取向支撑玻璃基材150时，可同时处理若干玻璃基材，且可通过超声波的正弦性来促进蚀刻剂进出孔道，这是因为超声波与基材的表面横交并同时产生了声空化效应。在其它实施方式中，样品固定器240可制造成使玻璃基材150以水平取向被支撑，在这种情况中，超声波可直接或纵向地穿过孔道。无意受制于理论，当玻璃基材150以水平取向被支撑时，蚀刻剂对孔道的进出可利用重力和声波对孔道的纵向穿透来完成。当玻璃基材150以水平取向被支撑时，每次对一个玻璃基材150进行处理以避免可能由于超声波在基材之间穿梭而导致声衰减，这可能是有利的。
水槽220包含所充填的水225，所述水225的液位足以确保由超声波换能器250产生的超声波能量传递至浸入蚀刻溶液槽230内的玻璃基材150。在一些实施方式中，水225是去离子水，其可包含数毫升的洗涤剂以降低表面张力。但是应当理解的是，在其它实施方式中，水225可以是一种去离子水以外的水并且/或者可以不包含洗涤剂。另外应当理解的是，可以使用水以外的液体以将超声波从超声波换能器250传递至蚀刻溶液槽230内的蚀刻溶液235。一些实施方式可不包含水槽220，例如在一些实施方式中，超声波换能器对蚀刻溶液槽230中的蚀刻溶液235进行直接搅动。
蚀刻溶液槽230可由耐酸材料形成，例如塑料，诸如聚丙烯或高密度聚乙烯。蚀刻溶液槽230包含所填充的蚀刻溶液235，所述蚀刻溶液235的液位足以确保由超声波换能器250产生的超声波能量传递至玻璃基材150。在一些实施方式中，蚀刻溶液235是水溶液，包括去离子水、一级酸和二级酸。一级酸可以是氢氟酸而二级酸可以是硝酸、盐酸或硫酸。在一些实施方式中，蚀刻溶液235可包含氢氟酸以外的一级酸和/或硝酸、盐酸或硫酸以外的二级酸。另外，在一些实施方式中，蚀刻溶液235可只包含一级酸。在一些实施方式中，蚀刻溶液235可包含20体积％的一级酸(例如氢氟酸)、10体积％的二级酸(例如硝酸)和70体积％的去离子水。在其它实施方式中，蚀刻溶液235可包含不同比例的一级酸、二级酸和去离子水。在一些实施方式中，蚀刻溶液235可包含表面活性剂，例如5～10mL的市售可得的表面活性剂。
超声波发生器260通过电缆270与超声波换能器250电连接。超声波发生器260使超声波换能器250产生一种或多种频率的超声波能量。超声波换能器250可产生各种频率的超声波能量。在一些实施方式中，超声波能量的频率可为40kHz～192kHz。在一些实施方式中，超声波能量的频率可为80kHz～132kHz。在一些实施方式中，超声波能量以一个主频率为中心并在该主频率上下颤动或扫频，例如当超声波能量以80kHz为中心并在79kHz～81kHz之间(即80kHz+/-1kHz)来回扫频。在其它实施方式中，超声波能量可以不同的频率为中心，并且/或者在大于主频率上下1kHz的范围内颤动或扫频。在一些实施方式中，超声波能量具有第一频率和第二频率，例如当超声波换能器250产生具有至少两个频率的超声波能量时。例如，第一超声波换能器可产生具有第一频率的超声波能量，同时，第二超声波换能器可产生具有第二频率的超声波能量。在一些实施方式中，超声波换能器250可以“40kHz/80kHz交叉式”配置来产生超声波能量，其中第一频率为40kHz而第二频率为80kHz。在一些实施方式中，超声波换能器250可以“80kHz/120kHz交叉式”配置来产生超声波能量，其中第一频率为80kHz而第二频率为120kHz。应当理解的是，超声波能量以一个主频率为中心颤动或扫频或具有第一频率和第二频率(即呈“交叉式”配置)的实施方式可在玻璃基材150中避免当使用单一频率时可能出现的不希望的超声波“热点”(在该区域玻璃损伤或蚀刻会比其它区域更快地发生)。
下面参照图3A～3B对一种通过激光钻孔然后进行超声波强化蚀刻以在玻璃基材中形成盲孔的方法进行详细描述。现在参照图3A，用于盲孔310的导孔通过激光钻过玻璃基材150的厚度的一部分来形成。在一些实施方式中，导孔可利用图1所示的系统100来钻取。用于盲孔310的导孔通过从玻璃基材150的入射表面152用激光钻至玻璃基材150的一个深度来形成。该导孔延伸通过玻璃基材150，即从玻璃基材150的入射表面152的入射开口311进入玻璃基材150。用于盲孔310的导孔并不一路延伸穿过玻璃基材150的厚度。
如图2所示，一旦钻得用于盲孔310的导孔，就将玻璃基材150浸没在蚀刻溶液槽230的蚀刻溶液235中。利用超声波换能器250对正在被蚀刻的玻璃基材150施加超声波能量。如图3B所示，使用蚀刻溶液对玻璃基材150进行一段蚀刻时间的蚀刻以增加盲孔310的入射开口311的直径和沿着盲孔310的整个深度的直径。在一些实施方式中，玻璃基材150还受到机械搅动，例如在蚀刻时间的至少一部分内通过手动或利用机械在蚀刻溶液235中上下或左右地移动玻璃基材150以促进淤渣从孔道处去除。
下面参照图4A～4B对一种通过激光钻孔然后进行超声波强化蚀刻以在玻璃基材中形成通孔的方法进行描述。现在参照图4A，用于通孔410的导孔通过激光钻过玻璃基材150的整个厚度来形成。在一些实施方式中，导孔可利用图1所描绘的系统100来钻取。利用激光从玻璃基材150的入射表面152钻过玻璃基材150的厚度而到达玻璃基材150的出口表面154以形成用于通孔410的导孔。该导孔延伸通过玻璃基材150，即从玻璃基材150的入射表面152的入射开口411延伸至出口表面154的出口开口412。入射开口411的直径通常大于出口开口412的直径。
如图2所示，一旦钻得用于通孔410的导孔，就将玻璃基材150浸没在蚀刻溶液槽230的蚀刻溶液235中。利用超声波换能器250对正在被蚀刻的玻璃基材150施加超声波能量。如图4B所示，利用蚀刻溶液235对玻璃基材150进行一段蚀刻时间的蚀刻以增加通孔410的直径。在一些实施方式中，玻璃基材150受到机械搅动，例如在蚀刻时间的至少一部分内通过手动或利用机械在蚀刻溶液235中上下或左右地移动玻璃基材150以促进淤渣从孔道处去除。
在一些实施方式中，在蚀刻时间的至少一部分内对如上述图3A～3B和4A～4B所描述的玻璃基材150施加的超声波能量的频率为40kHz～192kHz。在蚀刻过程中使用40kHz～192kHz范围内的超声波频率能够促进蚀刻以及玻璃从导孔壁上的溶解，从而使盲孔310的入射开口311的直径增大到所需的直径。40kHz～192kHz范围内的超声波频率可使玻璃基材150的表面损伤最小化，所述表面损伤可在使用更低频率的超声波能量时发生。另外，40kHz～192kHz范围内的超声波频率可使得对孔道的有效蚀刻以可以接受且以相对稳定的蚀刻速率进行。
在一些实施方式中，在蚀刻时间的至少一部分内对玻璃基材施加的超声波能量的频率为80kHz～132kHz。在蚀刻过程中施加频率在80kHz～132kHz范围内的超声波能够促进蚀刻以及玻璃从导孔壁上的溶解，从而使盲孔310的入射开口311的直径增大并达到所需的直径。80kHz～132kHz范围内的超声波频率可使玻璃基材150的表面损伤最小化，所述表面损伤可在使用频率低于80kHz的超声波能量时发生。另外，80kHz～132kHz范围内的超声波频率使得对孔道的有效蚀刻以可以接受且相对稳定的蚀刻速率进行。80kHz～132kHz的范围可比更宽的40kHz～192kHz的范围更加优选，因为该范围足够高从而能够预防表面损伤，又足够低从而能够确保有效的蚀刻。但是应当理解的是，在其它实施方式中，超声波频率也可以在除了40kHz～192kHz或80kHz～132kHz以外的范围内。
如对图2所作的上述描述，在一些实施方式中，超声波能量具有第一频率和第二频率，例如当超声波换能器250产生具有至少两个频率的超声波能量时。在一些实施方式中，超声波换能器250可以“40kHz/80kHz交叉式”配置来产生超声波能量，其中第一频率为40kHz而第二频率为80kHz。在一些实施方式中，超声波换能器250可以“80kHz/120kHz交叉式”配置来产生超声波能量，其中第一频率为80kHz而第二频率为120kHz。在一些实施方式中，如上所述，超声波换能器250可产生以一个主频率为中心并在该主频率上下颤动或扫频的超声波能量。
下面参照5A～5E对一种用于在玻璃基材中形成通孔的方法进行详细描述，所述方法包括施用和去除耐酸膜。现在参照图5A，用于通孔510的导孔通过激光钻过玻璃基材150的整个厚度来形成。在一些实施方式中，导孔可利用图1所述的系统100来钻取。利用激光从玻璃基材150的入射表面152钻过玻璃基材150的厚度而到达玻璃基材150的出口表面154以形成用于通孔510的导孔。该导孔延伸通过玻璃基材150，即从玻璃基材150的入射表面152的入射开口511延伸至出口表面154的出口开口512。入射开口511的直径通常大于出口开口512的直径。如果如上文中图3B所描绘的那样对通孔510的导孔进行蚀刻以打开通孔510，则出口开口512的直径仍然会如图3B所描绘的那样小于入射开口511的直径。这种入口开口直径与出口开口直径之间的不匹配会导致下游的加工问题，这会导致加工时间和成本的上升。为了生产入口开口直径与出口开口直径相匹配的通孔，可以使用参照图5B～5E将在下文描绘和描述的加工步骤。
现在参照图5B，可对玻璃基材150的入射表面152施用耐酸膜505以覆盖通孔510的入射开口511。应当理解的是图5B中所示的耐酸膜的厚度只是用作说明性用途且该图并未按比例绘制。在一些实施方式中，耐酸膜505是基于聚合物的膜。可以通过层压对入射表面152施用耐酸膜505。在一些实施方式中，耐酸膜505可以是可被施用于玻璃基材150的表面的带粘性的耐酸膜，例如胶带。可以通过手动或自动化过程将这种带粘性的耐酸膜施用于玻璃基材150的表面。在一些实施方式中，耐酸膜505可以是涂覆于入射表面152上然后进行固化的光刻胶聚合物膜。
将耐酸膜505施用于入射表面152以覆盖入射开口511后，如图2所示，将玻璃基材150浸没在蚀刻溶液槽230的蚀刻溶液235中一段第一蚀刻时间以增加通孔510的出口开口512的直径。耐酸膜505应当能够在第一蚀刻时间内耐受蚀刻溶液235，使入射开口511的直径的增加速率逐渐减小。在一些实施方式中，玻璃基材150在经过第一蚀刻时间的蚀刻后，入射开口511的入射直径与出口开口512的出口直径基本相等。这种入射直径与出口直径之间的匹配避免了上述会由于入口与出口直径之间的不匹配而导致的问题。可以对第一蚀刻时间进行选择，以使玻璃基材150在经过第一蚀刻时间的蚀刻后，入射开口511的入射直径与出口开口512的出口直径基本相等。在一些实施方式中，以任何上述方式在对玻璃基材150进行蚀刻的同时利用超声波换能器250施加超声波能量。在一些实施方式中，玻璃基材150受到机械搅动，例如在蚀刻时间的至少一部分内通过手动或利用机械在蚀刻溶液235中上下或左右地移动玻璃基材150以促进淤渣从孔道处去除。图5C示意性地描绘了经过该蚀刻步骤后的玻璃基材150。
接着，如图5D所示，可从玻璃基材150的入射表面152去除耐酸膜505。在一些实施方式中，可以通过利用溶剂洗涤玻璃基材150或将耐酸膜505浸入热水中并将其从玻璃基材150上剥离来去除耐酸膜505。
将耐酸膜505从入射表面152去除后，如图2所示，再次将玻璃基材150浸没在蚀刻溶液槽230的蚀刻溶液235中一段第二蚀刻时间以增加通孔510的入射开口511的直径和出口开口512的直径。在一些实施方式中，玻璃基材150在经过第二蚀刻时间的蚀刻后，入射开口511的入射直径与出口开口512的出口直径基本相等。这种入射直径与出口直径之间的匹配避免了上述会由于入口与出口直径之间的不匹配而导致的问题。可以对第二蚀刻时间进行选择，以使入射开口511的入射直径和出口开口512的出口直径达到所需的直径。在一些实施方式中，在以任何上述方式在对玻璃基材150进行蚀刻的同时，利用超声波换能器250施加超声波能量。在一些实施方式中，玻璃基材150受到机械搅动，例如在蚀刻时间的至少一部分内通过手动或利用机械在蚀刻溶液235中上下或左右地移动玻璃基材150以促进淤渣从孔道处去除。图5E示意性地描绘了经过该蚀刻步骤后的玻璃基材150。
有关在蚀刻过程中利用超声波搅动来形成孔道的实施例
下面的实施例描述了使用不同的超声波方案以在蚀刻过程中提供超声波能量来通过湿法蚀刻形成孔道。蚀刻溶液通过形成一升含有20体积％的氢氟酸(HF)、10体积％的硝酸(HNO3)、剩余为去离子(DI)水的混合物来制备。蚀刻溶液都在蚀刻溶液槽230中制备。将要进行蚀刻的样品被置于样品固定器240中并开启超声波浴。然后将蚀刻溶液槽230置于水槽220中并使样品固定器降入蚀刻溶液槽230中。接着，将样品固定器240所支撑的玻璃基材样品浸没在蚀刻溶液中一段预定的蚀刻时间。蚀刻后，将样品固定器240连同样品一起移出并将其置于水浴中以结束蚀刻过程。
实施例A-1
在本对照例中，在不进行超声波搅动的条件下对四个玻璃样品进行蚀刻。得到了四个Eagle 玻璃的样品。使用激光束钻穿这些玻璃样品以形成通孔导孔。先对这些样品的厚度进行测量和记录。在使用机械搅动但不施加超声波的条件下将这些样品在一升HF和HNO3的溶液中蚀刻一段特定的时间。蚀刻溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，再次对样品蚀刻后的厚度进行测量。为了确定孔的品质和形状，对这些孔的入射表面上的直径(也称为入口孔)、其腰部直径(即入射表面与出口表面之间中点处的直径)和出口表面直径进行测量。以下的表1中示出了四个样品各自的通孔的入口孔、出口孔以及腰部的平均直径和平均圆度。从表1中可以看出，腰部/入口以及腰部/出口的形态比(aspect ratio)都小于0.3，这在许多应用中可能无法被接受。
表1－实施例A-1的测量结果
入口孔 样品1 样品2 样品3 样品4
平均直径，[μm] 51.63 51.96 51.13 51.54
平均圆度，[μm] 8.28 8.99 7.46 8.24
出口孔
平均直径，[μm] 40.64 48.53 47.91 58.49
平均圆度，[μm] 0.91 0.96 0.84 1.00
腰部
平均直径，[μm] 8.42 9.13 8.62 14.54
平均圆度，[μm] 0.52 0.75 0.53 1.79
形态比
出口/入口 0.79 0.93 0.94 1.13
腰部/入口 0.16 0.18 0.17 0.28
腰部/出口 0.21 0.19 0.18 0.25
实施例A-2
得到了至少两个Eagle 玻璃的样品。使用激光束钻穿这些玻璃样品以形成通孔导孔。在测得这些样品的厚度以后，在存在40kHz的超声波场的条件下在一升HF和HNO3的溶液中对其进行蚀刻。这些样品还受到机械搅动。初始的蚀刻溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，再次对样品蚀刻后的厚度进行测量。为了确定孔的品质和形状，对这些孔的入射表面的直径、它们的腰部直径和出口表面的直径进行测量。以下的表2中的“40kHz”一列示出了该实施例的测量结果和估算值(例如延伸通过玻璃样品的有缺口的入口孔的数量、通孔的数量等)。
实施例A-3
得到了至少两个Eagle 玻璃的样品。使用激光束钻穿这些玻璃样品以形成通孔导孔。在测得这些样品的厚度以后，在存在132kHz的超声波场的条件下在一升HF和HNO3的溶液中对其进行蚀刻。这些样品还受到机械搅动。初始的蚀刻溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，再次对样品蚀刻后的厚度进行测量。为了确定孔的品质和形状，对这些孔的入射表面上的直径、它们的腰部直径和出口表面的直径进行测量。以下的表2中的“132kHz”一列示出了该实施例的测量结果和估算值(例如延伸通过玻璃样品的有缺口的入口孔的数量、通孔的数量等)。
实施例A-4
得到了至少两个Eagle 玻璃的样品。使用激光束钻穿这些玻璃样品以形成通孔导孔。在测得这些样品的厚度以后，在存在192kHz的超声波场的条件下在一升HF和HNO3的溶液中对其进行蚀刻。这些样品还受到机械搅动。初始的蚀刻溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，再次对样品蚀刻后的厚度进行测量。为了确定孔的品质和形状，对这些孔的入射表面上的直径、它们的腰部直径和出口表面的直径进行测量。以下的表2中的“192kHz”一列示出了该实施例的测量结果和估算值(例如延伸通过玻璃样品的有缺口的入口孔的数量、通孔的数量等)。
实施例A-5
得到了至少两个Eagle 玻璃的样品。使用激光束钻穿这些玻璃样品以形成通孔导孔。在测得这些样品的厚度以后，在存在40/80kHz的双频率超声波场的条件下在一升HF和HNO3的溶液中对其进行蚀刻。这些样品还受到机械搅动。初始的蚀刻溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，再次对样品蚀刻后的厚度进行测量。为了确定孔的品质和形状，对这些孔的入射表面上的直径、它们的腰部直径和出口表面的直径进行测量。以下的表2中的“40/80kHz”一列示出了该实施例的测量结果和估算值(例如延伸通过玻璃样品的有缺口的入口孔的数量、通孔的数量等)。
表2－实施例A-2至A-5的测量结果
40kHz 40/80kHz 132kHz 192kHz
平均入口直径[μm] 54.25 51.62 53.25 44.74
平均腰部直径[μm] 43.12 37.82 40.83 26.04
平均出口直径[μm] 45.01 42.40 43.71 36.98
圆形入口孔[μm] 1.78 1.45 1.80 1.63
圆形出口孔[μm] 1.12 1.06 1.11 1.04
有缺口的入口孔 9 11 5 6
#通孔 100 100 100 61
出口/入口直径 0.83 0.82 0.82 0.83
腰部/入口直径 0.79 0.73 0.77 0.58
腰部/出口 0.96 0.89 0.93 0.70
实施例A-6
得到了十个Eagle 玻璃的样品。使用激光束钻穿这些玻璃样品以形成通孔导孔。在测得这些样品的厚度以后，在存在40/80kHz的双频率超声波场的条件下在一升HF和HNO3的溶液中对这些样品中的五个进行蚀刻。在测得这些样品的厚度以后，在存在80/120kHz的双频率超声波场的条件下在一升HF和HNO3的溶液中对这些样品中的五个进行蚀刻。这些样品还受到机械搅动。初始的蚀刻溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，再次对样品蚀刻后的厚度进行测量。为了确定孔的品质和形状，对这些孔的入射表面上的直径、它们的腰部直径和出口表面的直径进行测量。以下的表3显示了该实施例的测量结果和估算值(例如缺失的出口孔、蚀刻损伤等)。从表3中可以明显发现，所有样品都具有100％的通孔。40/80kHz样品与80/120kHz样品具有相似的孔径和圆度。但是，5个使用40/80kHz超声波能量系统进行蚀刻的样品中有4个展现出一定程度的表面损伤。然而，80/120kHz超声波能量系统未对样品产生任何损伤，同时还展现出相当的腰部直径:入口直径。从该实验中可以明显发现，范围在80kHz～132kHz或大约80kHz～120kHz之间的超声波频率为形成具有所需形态比的孔道和使玻璃基材的表面损伤最小化提供了有效的条件。
表3－实施例A-6的测量结果
实施例A-7
得到了至少两个Eagle 玻璃的样品。使用激光束钻穿这些玻璃样品以形成通孔导孔。在测得这些样品的厚度以后，在存在80/120kHz的双频率超声波场的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对其进行蚀刻。这些样品未受机械搅动。初始的蚀刻溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，再次对样品蚀刻后的厚度进行测量。为了确定孔的品质和形状，对这些孔的入射表面上的直径、它们的腰部直径和出口表面的直径进行测量。许多孔在蚀刻后未打开，这表明在蚀刻过程中进行机械搅动在一些情况下可能是有益的。
有关在孔道的形成中施用和去除耐酸膜的实施例
以下实施例描述了孔道的形成，其包括对不同的玻璃样品进行蚀刻，对其入射孔直径和出口孔进行比较。从这些实施例中可以推断，当在进行无层压的第二蚀刻步骤之前在入射表面上进行具有层压的第一蚀刻步骤时，可以实现相等的出口直径和入射直径。可对第一蚀刻步骤的长度进行调整以实现所需的数值为1的形态比(即相等的入口和出口直径)。另外，通过对实施例B-2～B-4(在这些实施例中，只在第二蚀刻步骤中使用超声波搅动)与实施例B-6～B-4(在这些实施例中，在第一蚀刻步骤和第二蚀刻步骤中都使用超声波搅动)进行比较，可以推断，通过在第一蚀刻步骤和第二蚀刻步骤中施加超声波搅动使蚀刻速率增加。
实施例B-1
在本实施例中，使用超声波搅动在无层压的条件下对对照样品进行蚀刻。使用激光束钻穿玻璃样品以形成通孔导孔。在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对该样品进行8分钟的蚀刻。溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，对样品入射表面和出口表面上的孔的直径进行测量。经计算，出口侧直径相对于入射侧直径的比值为0.87。
实施例B-2
使用激光束钻穿玻璃样品以形成通孔导孔。使用清洁的耐HF酸聚合物膜在激光束的入射面上对该样品进行层压。然后在无任何超声波搅动的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对该样品进行4分钟的蚀刻。对样品进行洗涤并去除层压膜。这一次，在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升新鲜的溶液中再次对该样品进行大约8分钟的蚀刻。溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，对样品入射表面和出口表面上的孔的直径进行测量。经计算，出口侧直径相对于入射侧直径的比值为0.97。
实施例B-3
使用激光束钻穿玻璃样品以形成通孔导孔。使用清洁的耐HF酸聚合物膜在激光束的入射面上对该样品进行层压。然后在无任何超声波搅动的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对该样品进行5分钟的蚀刻。对样品进行洗涤并去除层压膜。这一次，在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升新鲜的溶液中再次对该样品进行大约8分钟的蚀刻。溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，对样品入射表面和出口表面上的孔的直径进行测量。经计算，出口侧直径相对于入射侧直径的比值为1.03。
实施例B-4
使用激光束钻穿玻璃样品以形成通孔导孔。使用清洁的耐HF酸聚合物膜在激光束的入射面上对该样品进行层压。然后在无任何超声波搅动的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对该样品进行6分钟的蚀刻。对样品进行洗涤并去除层压膜。这一次，在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升新鲜的溶液中再次对该样品进行大约8分钟的蚀刻。溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，对样品入射表面和出口表面上的孔的直径进行测量。经计算，出口侧直径相对于入射侧直径的比值为1.06。
实施例B-5
在本实施例中，使用超声波搅动在无层压的条件下对对照样品进行蚀刻。使用激光束钻穿玻璃样品以形成通孔导孔。在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对该样品进行8分钟的蚀刻。溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，对样品入射表面和出口表面上的孔的直径进行测量。经计算，出口侧直径相对于入射侧直径的比值为0.84。
实施例B-6
使用激光束钻穿玻璃样品以形成通孔导孔。使用清洁的耐HF酸聚合物膜在激光束的入射面上对该样品进行层压。然后在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对该样品进行2分钟的蚀刻。对样品进行洗涤并去除层压膜。在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升新鲜的溶液中再次对该样品进行大约8分钟的蚀刻。溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，对样品入射表面和出口表面上的孔的直径进行测量。经计算，出口侧直径相对于入射侧直径的比值为0.96。
实施例B-7
使用激光束钻穿玻璃样品以形成通孔导孔。使用清洁的耐HF酸聚合物膜在激光束的入射面上对该样品进行层压。然后在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对该样品进行4分钟的蚀刻。对样品进行洗涤并去除层压膜。在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升新鲜的溶液中再次对该样品进行大约8分钟的蚀刻。溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，对样品入射表面和出口表面上的孔的直径进行测量。经计算，出口侧直径相对于入射侧直径的比值为1.08。
实施例B-8
使用激光束钻穿玻璃样品以形成通孔导孔。使用清洁的耐HF酸聚合物膜在激光束的入射面上对该样品进行层压。然后在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升HF和HNO3的溶液中对该样品进行6分钟的蚀刻。对样品进行洗涤并去除层压膜。在存在40/80kHz交叉式超声波场的条件下，在一升新鲜的溶液中再次对该样品进行大约8分钟的蚀刻。溶液的温度为大约25±2℃。对样品进行彻底洗涤和干燥后，对样品入射表面和出口表面上的孔的直径进行测量。经计算，出口侧直径相对于入射侧直径的比值为1.23。
应当理解的是，本文所描述的实施方式是用于通过激光钻孔和在施加频率为40kHz～192kHz的超声波能量的过程中蚀刻在玻璃基材中形成孔道。通过在蚀刻过程中施加频率为40kHz～192kHz的超声波能量，可快速制得包含具有所需尺寸和性质的孔道的玻璃基材，并将对玻璃的损伤降到最低。另外，本文所描述的实施方式是用于通过激光钻孔、施用膜、蚀刻、去除膜和蚀刻来形成通孔，从而得到具有相当的入射开口和出口开口尺寸的孔道。
本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，且这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (17)

1.一种在玻璃基材中形成孔道的方法，所述方法包括：
利用激光钻过所述玻璃基材的厚度的至少一部分来形成所述孔道，其中，通过从所述玻璃基材的入射表面以激光钻过所述玻璃基材来形成所述孔道；
对所述玻璃基材进行一段蚀刻时间的蚀刻，从而增加所述孔道的入射开口的直径；以及
在所述蚀刻时间的至少一部分内，对所述玻璃基材施加超声波能量，其中，所述超声波能量具有第一频率和第二频率；所述第一频率和第二频率为40-192kHz。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔道是通孔，其中，从所述玻璃基材的入射表面钻到出口表面以形成所述通孔，所述通孔在所述玻璃基材的入射表面的入射开口与所述玻璃基材的出口表面的出口开口之间延伸。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔道是盲孔，其中，从所述玻璃基材的入射表面钻到该玻璃基材的一个深度以形成所述盲孔，所述盲孔从所述玻璃基材的入射表面的入射开口延伸至所述玻璃基材的一个深度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率和第二频率为80kHz～132kHz。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波能量的所述第一频率通过第一超声波换能器来传递，所述超声波能量的所述第二频率通过第二超声波换能器来传递，且所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器同时产生所述第一频率和所述第二频率。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频率为80kHz而所述第二频率为120kHz。
7.一种在玻璃基材中形成孔道的方法，所述方法包括：
利用激光钻过所述玻璃基材的厚度的至少一部分来形成所述孔道，其中，通过从所述玻璃基材的入射表面以激光钻过所述玻璃基材来形成所述孔道；
对所述玻璃基材进行一段蚀刻时间的蚀刻，从而增加所述孔道的入射开口的直径；以及
在所述蚀刻时间的至少一部分内，对所述玻璃基材施加超声波能量，其中，所述超声波能量以一个主频率为中心并在所述主频率上下颤动或扫频；所述超声波能量的频率为40-192kHz。
8.如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，还包括在蚀刻时间内对所述玻璃基材进行机械搅动。
9.一种在玻璃基材中形成通孔的方法，所述方法包括：
利用激光钻过所述玻璃基材的厚度来形成所述通孔，其中，从所述玻璃基材的入射表面钻到该玻璃基材的出口表面以形成所述通孔，所述通孔在所述玻璃基材的入射表面的入射开口与所述玻璃基材的出口表面的出口开口之间延伸；
对所述玻璃基材的入射表面施用耐酸膜，其中，所述耐酸膜覆盖所述通孔的入射开口；
对所述玻璃基材进行第一蚀刻时间的蚀刻，从而增加所述通孔的出口开口的直径；
从所述通孔的所述入射开口处去除所述耐酸膜；
对所述玻璃基材进行第二蚀刻时间的蚀刻，从而增加所述通孔的入射开口和出口开口的直径；以及
在所述第二蚀刻时间的至少一部分内，对所述玻璃基材施加超声波能量，其中，在所述第二蚀刻时间内施加的超声波能量具有第一频率和第二频率。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一频率为40kHz而所述第二频率为80kHz，或者所述第一频率为80kHz而所述第二频率为120kHz。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括在所述第一蚀刻时间和所述第二蚀刻时间中的至少一个内，对所述玻璃基材进行机械搅动。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，使用包含一级酸和二级酸的蚀刻溶液在所述第一蚀刻时间内、在所述第二蚀刻时间内、或在所述第一和所述第二蚀刻时间内对所述玻璃基材进行蚀刻。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述一级酸是氢氟酸而所述二级酸是硝酸、盐酸或硫酸。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过层压对所述玻璃基材施用所述耐酸膜。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述玻璃基材经过所述第一蚀刻时间的蚀刻后，所述入射开口的入射直径与所述出口开口的出口直径基本相等。
16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，经过所述第二蚀刻时间后，所述入射开口的入射直径和所述出口开口的出口直径等于一个所需的直径。
17.一种在玻璃基材中形成通孔的方法，所述方法包括：
利用激光钻过所述玻璃基材的厚度来形成所述通孔，其中，从所述玻璃基材的入射表面钻到出口表面以形成所述通孔，所述通孔在所述玻璃基材的入射表面的入射开口与所述玻璃基材的出口表面的出口开口之间延伸；
对所述玻璃基材的入射表面施用耐酸膜，其中，所述耐酸膜覆盖所述通孔的入射开口；
对所述玻璃基材进行第一蚀刻时间的蚀刻，从而增加所述通孔的出口开口的直径；
在所述第一蚀刻时间的至少一部分内对所述玻璃基材施加超声波能量；
从所述通孔的所述入射开口处去除所述耐酸膜；
对所述玻璃基材进行第二蚀刻时间的蚀刻，从而增加所述通孔的入射开口和出口开口的直径；以及
在所述第二蚀刻时间的至少一部分内对所述玻璃基材施加超声波能量，其中，在所述第二蚀刻时间内所施加的超声波能量具有第一频率和第二频率。
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