CN108367387A - 使用皮秒激光生产金属陶瓷基材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加工金属化陶瓷基材的方法和通过该方法得到的金属陶瓷基材。

Description

使用皮秒激光生产金属陶瓷基材的方法
本发明涉及一种加工金属化陶瓷基材的方法和通过该方法得到的金属陶瓷基材。
例如通过DCB、AMB和DAB方法得到的金属陶瓷基材是本领域技术人员已知的。这些金属陶瓷基材通常以所谓的“多用途(multiple-use)”生产。在该多用途中，陶瓷基材在陶瓷层的至少一个表面侧，但优选在两个表面侧上显示出单独的金属化，其中预定断裂线在陶瓷层上行进，使得通过这些预定断裂线断裂，大面积金属陶瓷基材可以以单个的基材分离，然后其可各自形成电路或模块的电路板。
以多用途制造这类金属陶瓷基材的方法的部分步骤是将单一部件与多用途分离，这通常通过激光进行。在这种情况下，通常使用250-400瓦特的CO2谐振器。由于激光，产生彼此靠近排列的盲孔。这些盲孔形成预定断裂线(穿孔)。
该步骤中所用运动系统通常装配有用于金属陶瓷基材的x-y桌台和刚性激光器，因为具有约10.6μm波长的CO2激光器不是光纤导光的，并且通过光学装置的移动，光路的长度以及因此光束质量发生变化。
使用透镜聚集激光。反过来，为了保护它们，使用工艺气体(例如，压缩空气或氧气)，其与激光一起从工艺气体喷嘴出现。这样，可防止由基材喷出的部分熔融材料污染透镜(工艺气体防止污染物进入喷嘴)。然而，工艺气体同时还用于将熔融材料从激光锥中吹出。
由于经常存在对刻痕的不同需求(一方面，需要产生预定断裂线，另一方面，需要切割或钻孔，即切割基材)，用于加工金属陶瓷基材的相应设备通常装配有两个不同的工艺喷嘴。
已知方法的缺点在于，由于激光喷嘴没有达到足够接近基材表面而使填充基材(例如芯片和引线键合)的处理更加困难。因此，激光锥不能被充分地吹出且玻璃相保留在激光锥中。
已知方法的缺点是激光粉尘和飞溅物必需通过清洗步骤从表面上除去。
已知方法的缺点进一步是当切割陶瓷时，产生必需机械除去的毛刺。这导致工艺复杂性增加以及产品废料增加的风险。
常用的CO2谐振器也不容许加工铜，因此不能切穿铜。
所用CO2谐振器的另一缺点是陶瓷的穿透点(初始孔)清晰可见。存在更多令人烦扰的熔融相和残余物。由于差的外观，这个初始孔通常必须放置在失效部位的区域，这也意味着增加程序创建的工作量并且需要较长的处理时间。
此外，需要一种从背面激光蚀刻金属陶瓷基材的方法。由于制造工艺，这是金属陶瓷基材的凹面。因此基材的角部和边缘在某些材料组合处向上。尽管可以减小金属陶瓷基材的偏转，但是，通常的CO2激光器不可能产生足够的焦点深度。因此，经常在边缘区域出现错误的激光加工和废料。
基于该现有技术，本发明的任务是优选避免上述现有技术的缺点。
特别地，本发明的任务是提供一种加工陶瓷或金属陶瓷基材的方法，其可以以每个激光系统的高经济效率和高加工能力进行。该方法应特别适于Al2O3、ZTA(锆掺杂Al2O3)、AlN和Si3N4类型的陶瓷。该方法应当优选不在基材上形成残余物(即激光粉尘或切割毛刺)而进行。
此外，本发明方法应当优选容许引入尽可能精确断裂的预定断裂线或激光划线，这要求引入足够的激光深度以及引入产生微裂纹的足够切口效应。另外，激光划线应当优选不在随后的电镀过程中金属化。
此外，本发明方法应当优选能够将金属陶瓷基材的铜烧蚀和切穿。
最后，本发明方法应当优选使得可加工例如用芯片和引线键合装配的陶瓷基材，而不必接受当激光锥未被吹出时出现的缺点。
这些任务通过加工金属陶瓷基材的方法解决，其中：
a.使用激光束在金属陶瓷基材中产生作为预定断裂线的激光划线；和/或
b.使用激光束将金属陶瓷基材至少部分切穿。
本发明方法的特征则是使用激光进行加工，并且在产生激光划线作为预定断裂线时或者在切穿时，选择使用的激光脉冲持续时间使得基本没有陶瓷材料的熔融相形成。
与此独立地，本发明方法的特征还通常是当产生激光划线作为预定断裂线时，或者当将金属陶瓷基材切穿时，选择激光的工艺条件使得基本没有陶瓷材料的熔融相形成。
玻璃相是激光划线中的残余物，其通过激光加热和熔化，但未从划线中除去并且在激光划线中固化。
在本发明上下文中，术语“基本没有陶瓷材料的熔融相”应当理解激光划线包含优选小于30体积％，更优选小于20体积％，甚至更优选小于15体积％且优选大于0.1体积％，更优选大于0.5体积％，更优选大于1.0体积％的熔融相。
该量的熔融相在表面上形成(表面覆盖)。该熔融相的特征是具有微裂纹，其导致优选的切口效应和应力提高，以用于随后的陶瓷断裂。
在本发明上下文中，如果激光划线包含少量熔融相，即特别是上述最小量的熔融相，则是优选的。
如果激光在某些工艺条件下操作，则可避免形成太大量的陶瓷材料熔融相。这特别包括：
(a)激光脉冲持续时间；
(b)激光在金属陶瓷基材中的穿透深度；和
(c)激光的功率。
下文描述激光的优选实施方案，借助其可基本防止陶瓷加工期间熔融相的形成。
在本发明方法中，在产生作为预定断裂线的激光划线期间，激光划线可以以激光的一个交叉或者几个交叉产生(实施方案a)。金属陶瓷基材的切穿也可以以激光的几个交叉实现(实施方案b.)。
在本发明上下文中，激光可选自纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光，尽管根据本发明，使用皮秒激光是优选的。
此外，进一步优选皮秒激光具有优选0.1-100ps，更优选0.5-50ps，仍更优选1-30ps的脉冲持续时间，即激光脉冲的持续时间。利用选择的脉冲持续时间，可引导激光过程使得基本不产生熔融相，因此不形成沉积到基材表面上的激光飞溅物和激光粉尘。同时，利用该脉冲持续时间在激光划线中实现足够的切口效应。在本发明上下文中，由于基本仅形成冷粉尘且不形成熔融相，并且因为从光束源至基材表面的足够大的选择距离，使用工艺气体是可能的，但不是绝对必需的。
脉冲能量，即单个激光脉冲的能量含量，优选为10-500μJ，更优选50-400μJ，甚至更优选100-350μJ。
皮秒激光优选具有20-400瓦特，更优选40-200瓦特，甚至更优选50-180瓦特，仍更优选60-160瓦特，仍更优选80-130瓦特，仍更优选90-120瓦特的功率。
激光的加工速度优选为至少0.05m/sec，更优选至少0.1m/sec，更优选至少0.15m/sec，甚至更优选至少0.20m/sec，更优选至少0.25m/sec。
激光的加工速度优选为至多20.0m/sec，更优选至多19.0m/sec，进一步优选至多18.0m/sec，进一步优选至多17.0m/sec，进一步优选至多16.0m/sec。
激光的加工速度优选为0.05-20.0m/sec，更优选0.1-19.0m/sec，更优选0.15-18.0m/sec，进一步优选0.20-17.0m/sec，更优选0.25-16.0m/sec。
加工速度对应于激光在陶瓷上移动的真实速度。如果选择激光的有效速度，其中根据本发明的上述真实速度除以激光的交叉数目，则可得到相应的类似结果，其中可呈现2-50，优选2-40，更优选2-30，进一步优选2-20个交叉。
还惊讶地发现激光使用的谐振器功率(x，以瓦特表示)与激光的最大真实加工速度(y，以m/sec表示)之间存在关系。
该关系通常遵循下式：
此处，最大加工速度不依赖于陶瓷的厚度。
如果真实加工速度大于上文一般说明的或者通过上式计算的，则陶瓷基材沿着激光划线有效且安全地断裂是不可能的。
在进一步优选的实施方案中，激光的加工速度优选为至少0.05m/sec至由上述式定义的最大加工速度(以m/sec表示)：
其中x对应于激光的谐振器功率，以W表示。
在进一步优选的实施方案中，激光的加工速度优选为至少0.1m/sec至由上述式定义的最大加工速度(以m/sec表示)：
其中x对应于激光的谐振器功率，以W表示。
在进一步优选的实施方案中，激光的加工速度优选为至少0.15m/sec至由上述式定义的最大加工速度(以m/sec表示)：
其中x对应于激光的谐振器功率，以W表示。
在进一步优选的实施方案中，激光的加工速度优选为至少0.20m/sec至由上述式定义的最大加工速度(以m/sec表示)：
其中x对应于激光的谐振器功率，以W表示。
在进一步优选的实施方案中，激光的加工速度优选为至少0.25m/sec至由上述式定义的最大加工速度(以m/sec表示)：
其中x对应于激光的谐振器功率，以W表示。
激光的光斑直径优选为20-80μm，更优选30-70μm，仍更优选40-60μm。
在本发明一个优选实施方案中，所用激光为IR激光。
本发明的下面任务特别通过使用IR激光，更优选皮秒IR激光解决，其中不受理论束缚，假定皮秒IR光束的光特别有效地耦合到陶瓷基材的表面或金属涂层的表面中，即它特别有效地被陶瓷基材或金属涂层吸收。另外，IR激光具有高能量效率，这对解决以上任务而言也是有利的。
使用IR激光加工陶瓷基材或金属陶瓷基材的另一优点是IR激光可直接由二极管光产生，而绿色激光首先由IR激光以60％的效率产生，且UV激光又必须也以60％的另一效率由绿色激光产生。
与例如CO2激光相反，皮秒IR激光可明显进一步远离待构造的金属陶瓷基材布置，因此可实现较高的焦点深度。
另外，借助IR激光，可实现与CO2激光相比足够高的焦点深度。
当IR激光用于本发明中时，IR激光的频率优选为350-650kHz，更优选375-625kHz，仍更优选400-600kHz。
当IR激光用于本发明中时，IR激光的脉冲能量优选为100-300μJ，更优选125-275μJ，仍更优选150-250μJ。
根据备选方案a.和b.的本发明方法可在工艺气体的存在下进行。工艺气体例如为氧气。
根据备选方案a.和b.的本发明方法优选在具有抽吸装置的设备中进行，其中所述抽吸装置吸收由激光加工产生的粉尘。
下面更详细地描述加工陶瓷基材或金属陶瓷基材的实施方案。
实施方案a.：在金属陶瓷基材中激光划线作为预定断裂线
在第一实施方案中，本发明方法适于在金属陶瓷基材中产生作为预定断裂线的激光划线。
要在金属陶瓷基材中产生的作为预定断裂线的激光划线可连续或者不连续地在金属陶瓷基材中产生。为了容易地使金属陶瓷基材随后发生断裂，优选激光划线的深度为陶瓷基材的层厚度的5-50％，更优选8-45％，仍更优选10-40％。
在常规陶瓷基材中，当作为预定断裂线的激光划线产生时，使用的激光参数(即例如脉冲持续时间、频率和功率)使得产生至少20μm，更优选至少30μm，甚至更优选至少50μm的划线深度，各自垂直于陶瓷基材的平面。
由于本发明方法，如果需要的话，可做出显示出偏离这些深度的划线。例如，可设计本发明方法使得划线深度在划线的初始区域中较高，以促进断裂的开始或者使切割与划线轮廓之间过渡处的断裂图案最佳化。例如，在金属陶瓷基材的外部轮廓要为圆形并因此由于小半径曲率而必须切割的情况下，可在金属陶瓷基材的角处产生孔，其中从划线起的断裂图案停止并在孔的另一侧上重新开始。在将裂纹再引入激光划线中的区域中，则可优选产生较高的划线深度以促进该裂纹再引入过程。
要根据本发明产生的划线具有优选20-70μm，更优选25-65μm，甚至更优选30-60μm的宽度，且优选在金属陶瓷基材的x/y方向上直线行进。因此，根据本发明，优选不提供激光划线中弧或半圆(radii)的形成。优选，为了标记的目的，通过激光将轮廓引入金属陶瓷基材中。
如已经描述的，在产生作为预定断裂线的激光划线期间，优选选择使用的激光脉冲持续时间使得在激光期间基本没有陶瓷材料的熔融相形成。
因此，在划线的面上，划线基本不釉化(所谓的激光投掷(laser throwup))。在划线本身中，优选基本不存在或者至少几乎不存在玻璃相的残余物(即，被激光熔融但未除去的材料)。此外，在本发明方法中，基本没有(至少几乎无)激光粉尘沉积在激光划线的面上。
根据本发明得到的激光划线优选具有微裂纹，所述微裂纹由于激光期间的热应力产生并且有利于随后的划线断裂。另外，激光划线优选在随后的电镀工艺步骤中不被金属化。
在本发明上下文中，激光划线可通过激光在金属陶瓷基材上的一个交叉产生。在备选路线中，激光划线通过激光的几个交叉产生作为预定断裂线，其可以是优选的以便降低比能输入，即单位时间的能量。然而，交叉的数目取决于材料，即所用金属涂层或陶瓷，以及所需的加工深度。
激光的加工速度取决于实际工艺条件，即所用激光和用于金属涂层和陶瓷的材料以及所需加工深度。
激光的加工速度优选如上文所述。
与IR激光使用有关的另一优点是避免两个划线之间的交叉点。当两个激光划线交叉时，使用CO2激光，两个激光脉冲可能在同一位置上重叠。这提高了弹孔的深度。在极端情况下，它可能会出现子弹，并延伸到相反的陶瓷侧。这可对基材的断裂行为或随后的机械强度具有负面影响。由于IR激光技术非常高的精确性，尤其是在使用皮秒IR激光时，以及所有划线交叉多次并且因此不产生中意的划线这一事实，其中一条划线可以简单地被中断或调整交叉区域中的参数，从而避免交叉区域中的划线深度增加。
与使用CO2激光相比的另一优点是使用本发明提供的IR激光，特别是皮秒IR激光将陶瓷预激光加工。在金属陶瓷基材的领域中，存在使用预激光加工的陶瓷的产品。此处，在金属与陶瓷的结合过程之前已经将陶瓷激光加工。例子包括具有通孔(多个通孔)或突出金属(引线(lead-off))的产品。在用CO2激光加工的情况下，必须将在激光加工期间产生的粉尘和激光投掷物再次除去。这例如用圆盘刷、超声波清洗系统、研磨(lapping)或其它机械方法进行。由于它的高耐化学品性，化学方法在氧化铝的情况下是无用的。通过使用合适的IR激光，不产生必须除去的粉尘和投掷物。因此，可避免适当的提纯。
实施方案b.：使用激光束切割金属陶瓷基材
部分地需要在金属陶瓷基材中引入与直线不同的轮廓。这些可例如为在金属陶瓷基材中心的孔或者在金属陶瓷基材角落处的圆角。该轮廓可通过使用激光切割金属陶瓷基材的陶瓷而得到。
如果在本发明上下文中，借助激光将陶瓷基材切穿，则不存在陶瓷发生初始切断的穿透点。因此，在本发明上下文中，在轮廓之外刺入并且以起始斜坡接近实际切割轮廓不是必需的。
如果在本发明上下文中，使用激光切断陶瓷基材，则切割边具有角，所述角通常偏离直角优选至多30°，更优选至多25°。这导致顶部比底部更大的孔。
本发明用IR激光，特别是皮秒IR激光分离陶瓷基材的另一优点是在底部，即激光离开面，不产生由熔融相形成的毛刺，其必须在另外的程序步骤中除去。
实施方案a.和b.的优点
考虑上述实施方案a.和b.，可用相同的激光加工金属涂层和陶瓷基材。因此，具有结构化金属涂层的金属陶瓷基材的生产可以经济有效地实现。详细而言，可：
I)仅部分烧蚀上部金属涂层或者切穿到陶瓷，并且例如在金属涂层中产生精细结构，这使用蚀刻方法是不可能的；
II)切穿金属涂层和陶瓷基材到下部金属涂层(这样就可形成通孔的基础，当用导电材料填充适当的盲孔时，就制成了一个通孔。填充材料例如为金属糊或电镀产生的材料。)；
III)切穿金属涂层和陶瓷基材或者仅切割金属涂层或者陶瓷基材，如果陶瓷基材上不存在金属涂层的话(例如，由于它已经被蚀刻掉或者甚至没有涂覆)。
根据实施方案a.和b.的加工金属陶瓷基材的本发明方法优选在工艺气体的存在下进行，其中例如氧气或压缩空气可用作工艺气体。如上文所述，工艺气体的使用不是强制性的，但建议保护束源免受污染。在这种情况下，压缩空气的使用将是优选的选择。
在本发明方法中，由于通过激光加工产生粉尘，特别优选所用设备具有抽吸由激光加工产生的粉尘的吸尘装置。
抽吸装置可以例如由围绕投射的激光的抽吸管或抽吸箱形成，其下边缘与金属陶瓷基材表面的距离优选为0.5-10cm，更优选0.75-7.5cm，更优选1-5cm。
本发明的另一目的是通过上述方法得到的金属陶瓷基材。
本发明金属陶瓷基材可具有连续或中断的划线槽，所述划线槽具有例如至少20μm，更优选至少30μm，甚至更优选至少50μm的深度，各自垂直于陶瓷基材的平坦表面。
对于具有0.38mm的层厚度的陶瓷基材，激光划线的目标深度优选为30-120μm，更优选40-110μm，甚至更优选50-100μm。
对于具有0.63mm的层厚度的陶瓷基材，激光划线的目标深度优选为40-140μm，更优选50-130μm，仍更优选60-120μm。
另外，金属陶瓷基材具有优选15-75μm，更优选20-70μm，仍更优选25-65μm的划线槽宽度。
通过本发明方法加工的陶瓷基材在划线的面上基本不含釉且在划线内基本不含玻璃相的残余物。由于在划线区域中形成的微裂纹，陶瓷基材的断裂可毫无困难。
本发明金属陶瓷基材可具有通过用IR激光处理而得到的轮廓，所述轮廓偏离直线且通过使用激光束切割陶瓷基材而形成。此外，本发明金属陶瓷基材可显示出在角处的孔和/或圆角，其由于切穿陶瓷基材而产生。
通过使用皮秒IR激光的IR激光方法得到的金属陶瓷基材具有偏离直角优选至多30°，更优选至多25°的角的切割边。如果通过IR激光方法将孔引入金属陶瓷基材中，则它们的尺寸可在陶瓷基材的两个面上不同。然而，优选，金属陶瓷基材在孔和/或圆角处都不显示毛刺。
由于本发明的IR激光方法，可得到在陶瓷基材的金属涂层上具有编码的金属陶瓷基材。该编码优选通过IR激光烧蚀金属涂层而进行。
此外，利用本发明方法，可得到金属陶瓷基材，其中陶瓷基材上的金属化具有至少一个边缘衰减或者其中金属化具有至少一个接收电子组件如芯片的凹口，其中凹口通过激光处理产生。参考以下实施例更详细地解释本发明：
实施例1：
(1)金属陶瓷基材：
在通过DCB方法得到的金属陶瓷基材上进行以下试验。
陶瓷基材为Al2O3陶瓷材料。陶瓷基材的层厚度为0.38mm(试验系列1)和0.63mm(试验系列2)。
(2)激光
随后的试验用以下激光进行：
功率：100W
激光源：IR
激光脉冲持续时间：0.1-100ps
激光脉冲能量：10-500μJ
光斑直径：30μm
激光频率：350-650kHz
使用上述激光，在陶瓷基材中产生激光划线，然后使陶瓷基材在激光划线处断裂。
(3)结果
评定：
+：良好的断裂行为
0：平均断裂行为
-：差的断裂行为
试验系列显示至多15m/sec的IR激光真实速度对断裂行为而言是合适的。较高的IR激光真实速度导致差的断裂行为。
使用这些IR激光速度，基本避免激光划线中的玻璃相，并且形成足够的微裂纹使得可切穿陶瓷。
0.05m/sec以下的真实速度是不利的，因为产生太深的划线(导致形成太多的玻璃相)。另外，由于经济原因，0.05m/sec以下的真实速度是不利的。

Claims (15)

1.一种加工金属陶瓷基材的方法，其中：
a.使用激光束在金属陶瓷基材中产生作为预定断裂线的激光划线；和/或
b.使用激光束将金属陶瓷基材至少部分切穿；
其特征在于使用激光进行加工，并且在产生激光划线作为预定断裂线时或者在切穿时，选择使用的激光脉冲持续时间使得基本没有陶瓷材料的熔融相形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于激光划线是连续或不连续地形成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于激光为皮秒激光。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于激光具有0.1-100ps的脉冲持续时间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于在产生作为预定断裂线的激光划线期间，激光划线以激光的几个交叉产生和/或金属陶瓷基材的至少部分切穿以激光的几个交叉产生。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于激光为IR激光。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于IR激光具有60-160瓦特的功率。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于IR激光的频率为350-650kHz。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于IR激光的脉冲能量为100-300μJ。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法，其特征在于IR激光的光斑直径为20-100μm。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于所述方法在具有抽吸粉尘的吸尘装置的设备中进行，其中所述粉尘由激光加工产生。
12.一种金属化陶瓷基材，其可通过根据权利要求1-11中任一项的方法得到。
13.根据权利要求12所述的金属化陶瓷基材，其特征在于所述陶瓷基材具有连续划线槽。
14.根据权利要求12或13所述的金属化陶瓷基材，其特征在于陶瓷基材具有至少20μm深度的连续划线槽，各自垂直于陶瓷基材的平坦表面。
15.根据权利要求12所述的金属化陶瓷基材，其特征在于陶瓷基材具有偏离直线的轮廓，所述轮廓是通过使用激光束切割陶瓷基材而产生的。
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