CN108436308B - 一种用于微波陶瓷基板上微孔的co2激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法。采用直径0.15‑0.3mm光斑的CO2激光，在厚度0.25‑1mm的微波陶瓷基板上加工小于所述光斑尺寸的的通孔，操作步骤如下：1.微波陶瓷基板前处理，2.在金属微孔模板上采用紫外激光开设开模孔，并加工出定位标识，所述模孔的孔径大于陶瓷基板被加工孔径10‑20μm；3.将金属微孔模板贴敷于微波陶瓷基板上；4.采用CO2激光，使激光通过金属微孔模板上的模孔，实现在微波陶瓷基板上加工出对应的一个以上的被加工孔；5.将微波陶瓷基板抛光、超声清洗和干燥，完成微波陶瓷基板的微孔加工；金属微孔模板重复使用。本发明实现较小孔径和较低锥度的微孔加工。具有微孔加工质量高、操作简单、重复性能好等优点。

Description

一种用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，尤其是涉及电子电路基板的激光加工方法，具体为用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法。
背景技术
电路基板主要作为半导体芯片、电子元器件封装的机械支撑载体，并且提供内部电路的电气互连以及电路散热的通道。陶瓷基板因其突出的电绝缘性能、优异的高频特性、较好的导热率、与各电子元件兼容、化学性质稳定等优点使其在微波电路领域的应用越来越广泛。微波电路工作频率高，其接地要求也特别的高。传统的金丝接地方法由于电路连接线过长，形成的附加电感会引起电路的串扰和插入损耗。利用通孔进行基板的接地连接，不仅能减少串扰和损耗，而且可以增加电路散热和可靠性。此外，随着电子装备对小型化、高集成度、高可靠性和低成本的需求，微波电路在垂直方向的模块叠层而形成的垂直互联是组件发展的重点方向。陶瓷穿孔互联技术可以实现垂直方向的高密度互联。因此，微波陶瓷基板通孔的高密度、高质量加工具有重要意义。
激光加工是陶瓷基板通孔加工常采用的方法。利用聚焦的高功率激光束加热陶瓷材料的小块区域，由此引起照射点材料温度急剧上升，到达沸点后，材料开始汽化并形成孔洞，随着光束与工件的相对移动，最终使材料形成切缝。切缝处的熔渣被一定压力的辅助气体吹除，从而形成通孔。激光加工技术具有非接触性、柔性化、效率高、易实现数字化控制、精度高等优点。目前，用于激光加工与处理的激光系统主要有CO2激光器、Nd:YAG 激光器及准分子激光器等，它们的脉冲宽度涵盖了从连续至纳秒直至皮秒的范围。随着激光技术的发展，脉冲宽度更窄的飞秒激光在微纳加工中的应用也已经引起人们的极大重视。准分子激光的波长很短，因而光束可被聚焦至很小的空间尺寸，从而提高对材料的加工精度，可以对陶瓷材料进行钻孔等微细加工。但是由于准分子激光对材料的破坏主要基于光化学反应过程，限制了其加工深度。只能在较浅的常用的区域进行，不适合较大厚度（大于0.5mm）的陶瓷基板通孔制作。脉冲宽度更短的皮秒、飞秒脉冲激光虽然可更好提高微加工质量和加工精度，但是这些激光器的结构复杂，价格高昂、功率较低。加工效率和加工成本难以满足要求。
陶瓷基板通孔激光加工，Nd:YAG激光器和CO2激光器相比其他种类激光器，容易实现高功率，价格相对便宜，加工维护成本相对较低。Nd:YAG激光加工陶瓷基板时允许得到更小的聚焦光斑，划片线宽更窄，切割口径更小，更符合精密加工要求。但是陶瓷基板对1.06μm 波长附近的激光反射率很高，可超过80%，导致加工时常常会产生断点、断线、切割深度不一致等问题。而对于CO2激光，波长为10.6μm。陶瓷激光吸收率非常高，可以达到80%以上。加之CO2激光每瓦所耗的费用最低，使得CO2激光器被广泛应用于陶瓷基板加工中。但是CO2激光加工陶瓷基板通孔时，问题主要在于孔的不圆度、热损伤重熔层以及孔径较大等，趋向产生低质孔，制约了CO2激光通孔加工技术的深入应用。
目前研究多集中在优化激光参数的方法来改善通孔加工的质量。受制于激光光斑尺寸和热效应的影响，CO2激光打孔孔径较大，热损伤区域明显。对于光斑大小为150μm，激光能量为100W时，其热损伤区域可达到100μm，降低能量可降低热损伤区域，但是正常情况下仍不能用于加工小于200μm的通孔。
发明内容
针对CO2激光热效应明显，通孔加工尺寸大，无法满足高密度通孔互联的问题，本发明通过技术改进，提供一种用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法。
一种用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法，采用光斑直径0.15-0.3mm的CO2激光，在厚度0.25-1mm的微波陶瓷基板上加工小于所述光斑尺寸的通孔，操作步骤如下：
（1）微波陶瓷基板前处理
将微波陶瓷基板表面打磨平坦，抛光、超声清洗和干燥；
（2）制备金属微孔模板
采用厚度0.1mm-0.3mm的金属板作为金属微孔模板，在金属微孔模板上采用小光斑紫外准分子激光开设模孔，并加工出定位标识，所述模孔与所述微波陶瓷基板上的被加工孔的个数、位置分别对应；所述模孔的孔径大于微波陶瓷基板上被加工孔的孔径10-20μm；
（3）安装金属微孔模板
将金属微孔模板贴敷于微波陶瓷基板上，采用胶带或胶水在边角固定；
（4）CO2激光打孔
采用CO2激光，通过金属微孔模板上的定位标识，使得激光通过金属微孔模板上的模孔，实现在微波陶瓷基板上加工出对应的一个以上的被加工孔，一个以上的被加工孔均为通孔；
（5）微波陶瓷基板后处理
解胶取下金属微孔模板，将微波陶瓷基板抛光、超声清洗和干燥，完成微波陶瓷基板的微孔加工；超声清洗金属微孔模板，使金属微孔模板重复使用。
进一步限定的技术方案如下：
步骤（1）中，微波陶瓷基板材料为低温共烧陶瓷材料或高温共烧陶瓷材料。
所述高温共烧陶瓷材料为氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料。
步骤（1）中，所述微波陶瓷基板上被加工的通孔的直径为0.05-0.2mm。
步骤（2）中，所述微波陶瓷基板上相邻被加工孔之间的间距大于一个被加工孔的孔径。
步骤（2）中，金属微孔模板材料为铜片或镀金铜片，使用前依次经过草酸溶液、去离子水、分析纯酒精中超声清洗，并干燥。
步骤（2）中，采用紫外准分子激光器加工金属微孔模板上的模孔和定位标示，激光参数为：激光能量8W，激光光斑直径0.015mm，频率32KHz，切割速率200mm/s，加工遍数50-100次。
步骤（4）中，激光加工参数：激光波长10.6μm，激光光斑直径0.15-0.3mm，激光能量40-100W，切割打孔速率0.1-0.5mm/s。
本发明的机理说明如下：
微波陶瓷基板微孔CO2激光加工归属于激光加工范畴，主要是利用激光为热源对微波陶瓷基板工件进行热加工去除材料。通过高能激光束照射微波陶瓷基板工件，微波陶瓷基板工件吸收光能并转变为材料的热能，根据激光功率密度和材料的吸收率的不同，微波陶瓷基板工件被激光照射位置表面区域发生各种不同的变化。这种变化包括温度升高、熔化、汽化、形成小孔和等离子体云等。针对陶瓷基板上微孔的CO2激光加工，激光功率较低时，陶瓷基板材料由表及里温度升高，但维持固相不变。随着激光功率的增大，被辐照陶瓷基板材料表面熔化甚至汽化，达到材料的去除和破坏的目的，激光作用结束后加工区冷凝形成孔洞。
CO2激光功率一定时，激光束内部的能量分布也是不同的，通常呈现正态分布。在光斑中心，能量密度高，可使微波陶瓷基板工件被激光照射位置直接汽化去除。而在光斑的外围，能量密度较小，通常只能熔化微波陶瓷基板工件材料或加热微波陶瓷基板工件材料表面。激光打孔时，激光光斑外围能量扩大了激光的热影响区，增大了孔的锥度。本发明的主要机理主要是采用对CO2激光具有高反射率的铜或金材料模板过滤掉激光光斑的外围能量，选择性透过较小光斑尺寸的光斑中心能量，从而实现小于激光光斑的微孔加工。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1）本发明通过在陶瓷基板表面贴装金属微孔模板，突破CO2激光打孔孔径极限，实现小于激光光斑的微孔加工。这种方法不需要复杂繁琐的处理步骤，操作简单，金属微孔模板可重复利用，所用材料廉价易得，具有较好的经济效益。
2）设备兼容性好，CO2激光加工设备无需升级和改造，对激光光斑质量要求低。
3）通过在微波陶瓷基板表面贴装金属微孔模板，突破CO2激光打孔孔径极限，扩充了设备的加工能力，实现小于激光光斑的微孔加工，微孔具有更小的尺寸，对于光斑大小为0.15mm的激光最小可加工直径为0.05mm的通孔。
4）间接提升了激光束质量，微孔具有更低的锥度。特别对于厚度1mm的氧化铝（96%）微波陶瓷基板材料，激光加工微孔锥度可从6/25降低至6/100，仅为原来的1/4。
5）金属微孔模板安装方便，加工过程简单，不需要复杂的后处理过程。金属微孔模板可重复使用，具有较好的经济效益。
6）相较于紫外激光等通孔加工方法，本发明的微孔加工效率高，在一分钟内可一次性实现数十个通孔制作，适合微波陶瓷基板大规模通孔的高效加工。
附图说明
图1是本发明金属微孔模板和微波陶瓷基板的安装示意图。
图2是微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工示意图。
图3是传统的微波陶瓷基板微孔CO2激光加工示意图。
上图中序号：微波陶瓷基板1、二氧化碳激光束2、通孔3、金属掩模4、金属掩模通孔5、固定胶6。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特点与优势，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
被加工件：厚度为1mm的氧化铝（96%）陶瓷基板，被加工孔的直径为0.15mm，个数为100个（10×10），相邻被加工孔之间的间距为1mm。
用于CO2激光加工微波陶瓷基板上微孔的操作步骤如下：
（1）微波陶瓷基板前处理
将氧化铝陶瓷基板表面研磨平坦，进行抛光、超声清洗，去除表面污垢和油污后干燥。
（2）制备金属微孔模板
金属微孔模板材料为镀金铜片，厚度为0.254mm。采用紫外准分子激光器加工金属微孔模板上的100个模孔和定位标识，激光参数为：激光能量8W，激光光斑直径0.015mm，频率32KHz，切割速率200mm/s，每个模孔的孔径为0.15mm，加工遍数100次。100个模孔加工完成后，金属微孔模板依次经过草酸溶液、去离子水、分析纯酒精中超声清洗，并干燥；模孔的孔径大于陶瓷基板上被加工孔径10μm，模孔的大直径端孔径为0.17mm；模孔的小直径端孔径为0.16mm。
（3）安装金属微孔模板
参见图1，直接将金属微孔模板贴敷于被加工的氧化铝陶瓷基板，且模孔的大直径端对应着CO2激光的入射端，采用胶带在边角固定。
（4）CO2激光打孔
参见图2，切割打孔路径图形设置为直径为0.03mm的圆；CO2激光加工参数：激光波长10.6μm、激光能量100W、激光光斑直径为0.25-0.3mm，切割打孔速率0.1mm/s。
（5）：微波陶瓷基板后处理
撕下粘接胶带，取下金属微孔模板，并清洁氧化铝陶瓷基板；氧化铝陶瓷基板上的与入射激光对应一侧面的被加工孔的孔径为0.14mm，另一侧面的孔径为0.08mm。
参见图3，未采用本发明方法加工金属微孔模板的与入射激光对应一侧面的被加工孔的孔径为0.35mm，另一侧面的孔径为0.11mm。
实施例2
被加工件：厚度为0.25mm的氧化铝（99%）陶瓷基板，被加工孔直径设置为0.05mm，个数为100个（10×10），相邻被加工孔之间的间距为1mm。
用于CO2激光加工微波陶瓷基板上微孔的操作步骤如下：
（1）清洁氧化铝陶瓷基板
将氧化铝陶瓷基板表面研磨平坦，进行抛光、超声清洗，去除表面污垢和油污后干燥。
（2）微孔加工金属模板制备
金属片选为镀金铜片，厚度为0.1mm。采用紫外准分子激光器加工金属通孔和定位标识，激光参数为：激光能量8W，频率32KHz，切割速率200mm/s，切割图形直径为0.05mm，加工遍数50次。金属片依次经过草酸溶液、去离子水、分析纯酒精中超声清洗，干燥后获得微孔加工金属微孔模板，模板孔径大小约为0.06mm。
（3）：直接将金属微孔模板贴敷于微波陶瓷基板，采用胶带在边角固定。
（4）：CO2激光打孔；切割打孔路径图形为直径为0.01mm的圆；CO2激光打孔参数为：激光波长10.6μm，激光光斑直径0.15mm，激光能量40W，切割打孔速率0.5mm/s。
（5）：CO2激光打孔完成后，撕下粘接胶带，取下金属微孔模板，并清洁陶瓷基板。增加金属微孔模板的微孔正面孔径大小约为0.06mm，圆度较好，背面孔径大小约为0.03mm。
实施例3：
被加工件：厚度为0.5mm的低温共烧陶瓷基板，被加工孔直径设置为0.1mm，个数为10×10，孔间距为1mm×1mm。
用于CO2激光加工微波陶瓷基板上微孔的操作步骤如下：
步骤1：清洁基板，去除表面污垢和油污后干燥。
步骤2：微孔加工金属模板制备；金属片选为镀金铜片。厚度为0.254mm，采用紫外准分子激光器加工金属通孔和定位标示，激光参数为：激光能量8W，激光光斑直径0.015mm，频率32KHz，切割速率200mm/s，切割图形直径为0.1mm，加工遍数100次。完成通孔后，金属片依次经过草酸溶液、去离子水、分析纯酒精中超声清洗，干燥后获得金属微孔模板，金属微孔模板上部孔径大小约为0.12mm。底部约为0.11mm。
步骤3：直接将金属微孔模板贴敷于微波陶瓷基板，孔径较大一侧朝上放置，采用胶带在边角固定。
步骤4：CO2激光打孔；切割打孔路径图形为直径为0.02mm的圆；CO2激光打孔参数为：激光波长10.6μm，激光光斑直径0.2mm，激光能量70W，切割打孔速率0.3mm/s。
步骤5： CO2激光打孔完成后，撕下粘接胶带，取下金属微孔模板，并清洁陶瓷基板。增加金属微孔模板的微孔正面孔径大小约为0.09mm，圆度较好，背面孔径大小约为0.05mm。

Claims (4)

1.一种用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法，其特征在于：采用光斑直径0.15-0.3mm的CO2激光，在厚度0.25-1mm的微波陶瓷基板上加工小于所述光斑尺寸的通孔，操作步骤如下：
（1）微波陶瓷基板前处理
将微波陶瓷基板表面打磨平坦，抛光、超声清洗和干燥；
（2）制备金属微孔模板
采用厚度0.1mm-0.3mm的金属板作为金属微孔模板，在金属微孔模板上采用小光斑紫外准分子激光开设模孔，并加工出定位标识，所述模孔与所述微波陶瓷基板上的被加工孔的个数、位置分别对应；所述模孔的孔径大于微波陶瓷基板上被加工孔的孔径10-20μm；
采用紫外准分子激光器加工金属微孔模板上的模孔和定位标识的激光参数为：激光能量8W，光斑直径0.015mm，频率32KHz，切割速率200mm/s，加工遍数50-100次；
（3）安装金属微孔模板
将金属微孔模板贴敷于微波陶瓷基板上，采用胶带或胶水在边角固定；
（4）CO2激光打孔
采用CO2激光，通过金属微孔模板上的定位标识，使得激光通过金属微孔模板上的模孔，实现在微波陶瓷基板上加工出对应的一个以上的被加工孔，一个以上的被加工孔均为通孔；所述微波陶瓷基板上被加工的通孔的直径为0.05-0.2mm；相邻被加工孔之间的间距大于一个被加工孔的孔径；
激光加工参数：激光波长10.6μm，激光光斑直径0.15-0.3mm，激光能量40-100W，切割打孔速率0.1-0.5mm/s；
（5）微波陶瓷基板后处理
解胶取下金属微孔模板，将微波陶瓷基板抛光、超声清洗和干燥，完成微波陶瓷基板的微孔加工；超声清洗金属微孔模板，使金属微孔模板重复使用。
2.根据权利要求1所述一种用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法，其特征在于：步骤（1）中，微波陶瓷基板材料为低温共烧陶瓷材料或高温共烧陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述一种用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法，其特征在于：步骤（1）中，所述高温共烧陶瓷材料为氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述一种用于微波陶瓷基板上微孔的CO2激光加工方法，其特征在于：步骤（2）中，金属微孔模板材料为铜片或镀金铜片，使用前依次经过草酸溶液、去离子水、分析纯酒精超声清洗，并干燥。
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