CN110695005A - 用于电子元器件的激光清洗设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于电子元器件的激光清洗设备，该用于电子元器件的激光清洗设备包括机座、可移动地设置在所述机座上的加工台、设置在所述加工台上方的激光清洗头和用于产生激光束的激光发生器，所述激光清洗设备还包括设置在所述激光束的传输光路上的第一光束整形单元和第二光束整形单元，所述第一光束整形单元用于将激光发生器产生的激光束耦合进光纤，所述第二光束整形单元用于调节从所述激光清洗头发射出的聚焦光斑的形状和能量分布。本发明用于电子元器件的激光清洗设备可增强对于微电子器件的清洗效果，保证微电子器件的产品性能，同时提高清洗效率。此外，本发明还公开一种用于电子元器件的用于电子元器件的激光清洗方法。

Description

用于电子元器件的激光清洗设备及方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术领域，具体涉及一种用于电子元器件的激光清洗设备及方法。

背景技术

众所周知，微电子器件在制作过程中，其表面容易产生不导电的氧化层及污染粒子，该氧化层及污染粒子会造成微电子器件的损坏。

现有技术中，为清除微电子器件表面存在的氧化层及污染物粒子，通常采用化学试剂对微电子器件的表面进行清洗。

然而，采用化学试剂清洗虽然能够将氧化层及污染粒子清除，但同时也会引入新的污染物，并且采用化学试剂清洗还会影响微电子器件的产品性能。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种用于电子元器件的激光清洗设备，以解决现有的化学清洗方法存在的清洗效果不佳的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于电子元器件的激光清洗设备，该激光清洗设备包括机座、可移动地设置在所述机座上的加工台、设置在所述加工台上方的激光清洗头和用于产生激光束的激光发生器，所述激光清洗设备还包括设置在所述激光束的传输光路上的第一光束整形单元和第二光束整形单元，所述第一光束整形单元用于将激光发生器产生的激光束耦合进光纤，所述第二光束整形单元用于调节从所述激光清洗头发射出的聚焦光斑的形状和能量分布。

优选地，所述第一光束整形单元包括沿所述激光束的传输方向依次设置的扩束镜和第一汇聚透镜，所述扩束镜包括发散透镜和第二汇聚透镜。

优选地，所述第二光束整形单元包括沿所述激光束的传输方向依次设置的第三汇聚透镜、准直透镜和聚焦透镜。

优选地，所述用于电子元器件的激光清洗设备还包括设置在所述第一光束整形单元和第二光束整形单元之间的倍频片，所述倍频片用于对耦合进光纤的激光束进行倍频处理，以控制输出不同波长的激光束。

优选地，所述用于电子元器件的激光清洗设备还包括用于对所述激光发生器和/或激光清洗头进行冷却的冷却装置，所述冷却装置包括冷水机和冷却水路。

优选地，所述用于电子元器件的激光清洗设备还包括用于将工件表面产生的气化物朝所述激光清洗头的周向吹除的气源辅助装置，所述气源辅助装置设置在所述加工台的上方，其包括气源和吹气气路。

优选地，所述气源中的气体为惰性气体。

优选地，所述用于电子元器件的激光清洗设备还包括用于对经激光清洗后在工件表面产生的蒸发残渣进行收集的颗粒收集装置，所述颗粒收集装置包括吸收通道和收集器。

优选地，所述用于电子元器件的激光清洗设备还包括设置在所述加工台上方、用于对所述加工台上承载的工件进行定位的视觉检测装置，所述视觉检测装置包括CCD相机。

本发明还提出一种用于电子元器件的激光清洗方法，该用于电子元器件的激光清洗方法包括：将待清洗工件放置在加工台上；启动激光发生器，对激光发生器发射出的激光束进行耦合，并输出至激光清洗头；通过激光清洗头将收集到的激光束聚焦在待清洗工件的表面，并对聚焦在工件表面的聚焦光斑的形状和能量进行调节；控制激光清洗头和加工台沿预设轨迹运动，以对工件的表面进行清洗。

本发明实施例的有益效果在于：通过激光清洗头发射出的激光束，利用微电子器件与污染物(氧化层)对激光束的吸收能力的差异，使得存在于微电子器件表面的污染物发生振动、融化或者气化等变化，从而使其脱离于微电子器件表面，实现对微电子器件的激光清洗。本发明所提出的用于电子元器件的激光清洗方法相较于现有的化学试剂清洗方法，不仅能够增强对于微电子器件的清洗效果，保证微电子器件的产品性能，还能够有效的提高对于微电子器件的清洗效率。

附图说明

图1为本发明用于电子元器件的激光清洗设备一实施例的结构示意图；

图2为图1所示的用于电子元器件的激光清洗设备的主视图；

图3为本发明用于电子元器件的激光清洗设备的功能模块图；

图4为本发明用于电子元器件的激光清洗设备的激光清洗原理示意图；

图5为本发明用于电子元器件的激光清洗设备的除尘原理示意图；

图6为本发明用于电子元器件的激光清洗设备另一实施例的功能模块图；

图7为本发明的用于电子元器件的激光清洗设备的激光耦合原理示意图；

图8为本发明的用于电子元器件的激光清洗设备的聚焦光斑调节原理示意图；

图9为本发明用于电子元器件的激光清洗方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于电子元器件的激光清洗设备，结合图1、图2及图3，该激光清洗设备包括机座1、可移动地设置在机座1上的加工台2、设置在加工台2上方的激光清洗头3和用于产生激光束的激光发生器4，激光清洗设备还包括设置在激光束的光路上的第一光束整形单元5和第二光束整形单元6，第一光束整形单元5用于将激光发生器4产生的激光束耦合进光纤，第二光束整形单元6用于调节从激光清洗头3发射出的聚焦光斑的形状和能量分布。

需要说明的是，本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备主要是利用了激光的高能量、高频率及高功率的特性，通过将高能量密度的光束打在待清洗工件的表面，如电池极耳，并根据基底材料与附着物对激光吸收能力的差异，以使待清洗工件表面的附着物或涂层蒸发或剥离。由于金属(待清洗工件)和非金属(氧化层)对同一波长的吸收系数不同，因此，在利用激光清洗时不会导致微电子器件的损坏，从而避免在清洗时影响微电子器件的产品性能。

本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备由预先设定好的计算机程序所控制，通过该计算机程序可控制加工台2与激光清洗头3的独立运动以及两者之间的相互联动，以使得激光清洗头3能够完成对放置在加工台2上的待清洗工件的清洗工序。在一优选实施例中，加工台2具有三轴的运动模组，具体包括X轴、Y轴及Z轴方向的运动。在激光发生器4产生激光束后，计算机程序将执行控制光束整形单元的启动，以对激光束进行整形。具体的，激光束通过第一光束整形单元5后，将被耦合进用于输送激光束的光纤中，耦合后的激光束经过光纤输送至激光清洗头3内，而后，再由第二光束整形单元6对该耦合激光束聚焦在待清洗工件表面的聚焦光斑进行形状及能量分布的调节，以获得更好的清洗效果和更高的清洗精度。

为提高本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备的清洗效率，参见图1，在加工台2的一侧设置有送料装置9，通过该送料装置9可实现待清洗工件的自动转移，包括将待清洗工件传送至加工台2上，以供激光清洗头3对其进行清洗，以及将清洗完成后的工件传送至下料区。送料装置9可采用同步带轮、齿轮齿条及辊轮等结构实现，包括但不限于此，本领域技术人员可根据实际情况进行设置，只需能够实现工件的传送即可。另外，为减少人力成本，可在上料及下料位置处设置一个机械手，以通过该机械手将待清洗工件抓取并转移至送料装置上，并由送料装置将其传送至加工台2位置处，待清洗完成后，再由送料装置将工件传送至下料位置处，最后由机械手将清洗后的工件转移至指定区域。

在本发明实施例中，激光发生器4可以为二氧化碳激光器、皮秒激光器及飞秒激光器等，该激光发生器4设置在加工台2的外侧，其与激光清洗头3通过光纤连接，激光清洗头3通过振镜扫描的方式对工件进行区域清洗。具体的，激光发生器4产生激光束后，通过光纤将激光发生器4产生的激光束输送至激光清洗头3内，以供激光清洗头3清洗工件使用。由于激光发生器4与激光清洗头3是分开设置的，若激光发生器4或激光清洗头3出现故障，可单独对激光发生器4或激光清洗头3进行维护，其相较于合体设置的激光发生器4与激光清洗头3，具有方便维护的特点。

为获得较好的清洗效果，需要对激光束的波长、功率密度、脉冲宽度、扫描速度及离焦量等参数进行控制，其中，由激光清洗后的工件表面的微粒数量与激光清洗前的工件表面的微粒数量的比值表示激光清洗的洁净度。具体的，波长越短，激光清洗的能力就越强，清洗的阈值越低，而在进行激光清洗时，激光的功率密度存在一个上限损伤阈值与下限损伤阈值，在此范围内，激光的功率密度越大，其清洗能力就越强，清洗效果也就越明显。在激光清洗的过程中，激光扫描的速度越快，扫描的次数就越少，激光清洗的功率就越高，但是可能会降低激光清洗的清洗效果。此外，在激光清洗前，激光大都会经过一次的聚焦透镜组合进行会聚，而在实际的清洗过程中，一般都是在离焦的情况下进行，离焦量越大，照射在材料上的聚焦光斑的密度也就越大，其清洗能力越强，效率也越高，但在总功率一定时，离焦量越小，激光的功率密度就越大，清其洗能力越强。为减弱激光束对基底材料的影响，可采用柱透镜将光束整合成线型，同时提高激光清洗的效率。前述提及的激光的各参数，也是根据预先设定的计算机程序进行控制的，以实现用于电子元器件的激光清洗设备的自动化控制，并保证用于电子元器件的激光清洗设备的清洗效果，使得工件的洁净度达到最优。

为将激光发生器4产生的激光束耦合进行光纤内，参见图7，在上述实施例中所提及的第一光束整形单元5包括有沿激光束的传输方向依次设置的扩束镜和第一汇聚透镜，而扩束镜则包括有发散透镜51和第二汇聚透镜。激光发生器4产生的激光束经焦距为F1的发散透镜51发散后，再经焦距为F2的第二汇聚透镜52对发散后的激光束进行第一次汇聚，第一汇聚的激光束经焦距为F的第一汇聚透镜53再次汇聚并耦合进输送光纤中，最后，由输送光纤将耦合后的激光束输送至激光清洗头3内。

可以理解的是，对于从光纤出射的激光，其能量分布不均匀，光束光轴附近的能量密度要高于边缘的能量密度，而直接应用这种激光进行清洗会影响清洗效果。传统的改进方法是通过光阑将边缘的光滤除，但是此种方式会导致较多的激光浪费。为此，本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备提出了第二光束整形单元6，参见图8，该第二光束整形单元6包括有沿激光束的传输方向依次设置的第三汇聚透镜61、准直透镜62和聚焦透镜63。耦合后的激光束经焦距为F3的第三汇聚透镜61汇聚后，再经焦距为F4的准直透镜62对激光束进行准直处理，最后，经焦距为F5的聚焦透镜63将激光束照射至待清洗工件的表面，并在工件表面形成具有一定能量的聚焦光斑。通过加工台2与激光清洗头3的协同运动，实现激光清洗头3在工件表面的扫描清洗。

在一较佳实施例中，参见图6，本发明所涉及用于电子元器件的激光清洗设备还包括设置在第一光束整形单元5和第二光束整形单元6之间的倍频片7，倍频片7用于对耦合进光纤的激光束进行倍频处理，以控制输出不同波长的激光束。如前所述，本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备主要是利用了微电子器件与污染物对激光的吸收波长存在差异，在经激光照射后，工件表面的污染物发生振动、融化或者气化等物理或化学变化，从而使其脱离工件表面。因此，激光波长对于激光清洗具有较大的影响，为达到最佳的清洗效果，需根据工件及污染物对于波长的吸收差异，选择输出不同波长的激光。为此，本发明技术方案通过在第一光束整形单元5和第二光束整形单元6之间设置一个倍频片7，以通过倍频片7控制输出不同波长的激光束。比如，波长为1064nm的红外激光束，经一次倍频后，将输出波长为532nm的绿光，经二次倍频后，将输出波长为266nm的紫光。进一步的，在对应波长不是很大时，可利用重复频率较高的脉冲激光，使被照射的污染物瞬间形成较大的温度梯度，进而使得污染物与被清洗工件之间产生应力，以通过该应力破坏污染物附着在工件表面上的作用力，当作用力被抵消时，污染物得以清除。

在另一较佳实施例中，本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备还包括用于对激光发生器4和/或激光清洗头3进行冷却的冷却装置8，冷却装置8包括冷水机和冷却水路。激光发生器4在长时间运行过程中，会不断产生高温，温度过高将会影响激光发生器4的正常运行，因此，需通过冷却装置8对激光发生器4进行水循环冷却，以控制激光发生器4的使用温度，使激光发生器4保持正常运行。具体的，冷却水通过冷却水路流向激光发生器4表面，以通过换热的方式，将激光发生器4产生的热量带走，并将换热后的冷却水循环至冷水机中，以由冷水机对其进行制冷处理，如此循环往复，实现对激光清洗头3和/或激光发生器4的冷却。

在又一较佳实施例中，本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备还包括用于将工件表面产生的气化物朝激光清洗头3的周向吹除的气源辅助装置，气源辅助装置设置在加工台2的上方，其包括气源和吹气气路。在本实施例中，参见图4，为防止激光清洗过程中产生的气化物喷溅至光学镜头表面以及对工件造成二次污染，在激光照射到待清洗工件表面的同时，通过气源辅助装置将一定量的保护气体吹向清洗区域，以将工件表面的气化物沿激光清洗头3的周向吹除。

进一步的，上述又一较佳实施例中提及的气源中的气体为惰性气体，以保护工件表面不被氧化。利用激光进行激光清洗时，会在工件表面形成熔池，为避免高温金属免受外界气体的侵害(氧化)，可通过施加惰性气体，即氦气和氩气，其密度均比空气大，流速也比空气低，不会与高温金属发生反应。

在再一较佳实施例中，参见图5，本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备还包括用于对经激光清洗后在工件表面产生的蒸发残渣进行收集的颗粒收集装置，颗粒收集装置包括吸收通道和收集器。本实施例中，在对工件进行激光清洗的过程中会产生蒸发残渣，为避免蒸发残渣污染周围环境，可通过本发明所涉及的颗粒收集装置将其吸入并收集在收集器内，待清洗完成后，再对收集器内收集的蒸发残渣进行处理。

更进一步的，在上述各实施例中，本发明所涉及的用于电子元器件的激光清洗设备还包括设置在加工台2上方、用于对加工台2上承载的工件进行定位的视觉检测装置，该视觉检测装置包括CCD相机。本实施例中，利用CCD相机进行图像采集，对采集到的图像进行处理和分析，以对工件表面的待清洗区域进行定位；待定位完成后，由控制系统规划清洗路径；而后，启动激光发生器4，将激光发生器4产生的激光束通过激光清洗头3聚焦在工件的待清洗区域；然后，由设置在激光清洗头3上的激光焦点跟踪系统，实时测量和显示激光清洗头3输出激光的焦点与工件之间的距离；最后，在控制系统的控制下，激光束在待清洗的工件表面进行扫描，完成激光清洗。

基于上述提出的用于电子元器件的激光清洗设备，本发明还提出一种用于电子元器件的激光清洗方法，参见图9，该用于电子元器件的激光清洗方法包括：

步骤S10，将待清洗工件放置在加工台上；

步骤S20，启动激光发生器，对激光发生器发射出的激光束进行耦合，并输出至激光清洗头；

步骤S30，通过激光清洗头将接收到的激光束聚焦在待清洗工件的表面，并对聚焦在工件表面的聚焦光斑的形状和能量进行调节；

步骤S40，控制激光清洗头和加工台沿预设轨迹运动，以对工件的表面进行清洗。

在进行激光清洗之前，可由人工或机械手将待清洗工件放置到加工台上；而后，启动激光发生器，通过前述提及的由发散透镜、第二汇聚透镜和第一汇聚透镜组成的第一光束整形单元对激光发生器发射出的激光束进行耦合处理，并输出至激光清洗头内；耦合后的激光束经光纤被输送至激光清洗头内，以供激光清洗使用，在激光束从激光清洗头内发出之前，需先通过上述提及的由第三汇聚透镜、准直透镜和聚焦透镜组成的第二光束整形单元对聚焦在工件表面的聚焦光斑的形状和能量进行调节，以提高激光清洗的清洗效果和清洗精度；最后，通过控制系统控制激光清洗头和加工台沿着预设的轨迹运动，以振镜扫描的方式完成对工件表面的清洗工作。

需要说明的是，本发明所提出的用于电子元器件的激光清洗方法是基于用于电子元器件的激光清洗设备所提出的，因此，在激光清洗设备中所提及的内容适用于用于电子元器件的激光清洗方法，比如，在激光清洗的过程中，可通过施加惰性气体，以起到吹除气化物的作用，同时，还可达到保护工件表面不被氧化的目的。由于倍频、冷却、气源辅助、颗粒收集及CCD定位所涉及的技术方案均已在前文记载，其同样适用于本发明所提出的用于电子元器件的激光清洗方法，故申请人在此不再赘述。

以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，包括机座、可移动地设置在所述机座上的加工台、设置在所述加工台上方的激光清洗头和用于产生激光束的激光发生器，所述激光清洗设备还包括设置在所述激光束的传输光路上的第一光束整形单元和第二光束整形单元，所述第一光束整形单元用于将激光发生器产生的激光束耦合进光纤，所述第二光束整形单元用于调节从所述激光清洗头发射出的聚焦光斑的形状和能量分布。

2.根据权利要求1所述的用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，所述第一光束整形单元包括沿所述激光束的传输方向依次设置的扩束镜和第一汇聚透镜，所述扩束镜包括发散透镜和第二汇聚透镜。

3.根据权利要求1所述的用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，所述第二光束整形单元包括沿所述激光束的传输方向依次设置的第三汇聚透镜、准直透镜和聚焦透镜。

4.根据权利要求1所述的用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，还包括设置在所述第一光束整形单元和第二光束整形单元之间的倍频片，所述倍频片用于对耦合进光纤的激光束进行倍频处理，以控制输出不同波长的激光束。

5.根据权利要求1所述的用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，还包括用于对所述激光发生器和/或激光清洗头进行冷却的冷却装置，所述冷却装置包括冷水机和冷却水路。

6.根据权利要求1所述的用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，还包括用于将工件表面产生的气化物朝所述激光清洗头的周向吹除的气源辅助装置，所述气源辅助装置设置在所述加工台的上方，其包括气源和吹气气路。

7.根据权利要求6所述的用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，所述气源中的气体为惰性气体。

8.根据权利要求1所述的用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，还包括用于对经激光清洗后在工件表面产生的蒸发残渣进行收集的颗粒收集装置，所述颗粒收集装置包括吸收通道和收集器。

9.根据权利要求1至8任一项所述的用于电子元器件的激光清洗设备，其特征在于，还包括设置在所述加工台上方、用于对所述加工台上承载的工件进行定位的视觉检测装置，所述视觉检测装置包括CCD相机。

10.一种用于电子元器件的激光清洗方法，其特征在于，包括：

将待清洗工件放置在加工台上；

启动激光发生器，对激光发生器发射出的激光束进行耦合，并输出至激光清洗头；

通过激光清洗头将接收到的激光束聚焦在待清洗工件的表面，并对聚焦在工件表面的聚焦光斑的形状和能量进行调节；

控制激光清洗头和加工台沿预设轨迹运动，以对工件的表面进行清洗。

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