CN115647618A - 一种单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，包括；单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板的前处理：将单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板表面打磨抛光、超声清洗和干燥；加工圆形通孔：通过皮秒激光对前处理后的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行微加工，得到成形的圆形通孔；对加工圆形通孔后的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行后处理：将单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行超声清洗，干燥后完成圆形通孔的微加工。本发明能够对单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板材料进行微孔加工，加工工艺具有稳定、效率高、精度高等优点，对于解决单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜器件加工难及应用研究等问题具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术，尤其是复合陶瓷基板的激光加工方法，具体是利用皮秒激光在单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上快速、高效地加工微孔的方法。
背景技术
单晶钇铁石榴石铁氧体(YIG)是一种具有良好的旋磁效应，低铁磁共振线宽，高电阻率，低介电损耗等特点微波铁氧体，已经被广泛应用于微波铁氧体器件中，如YIG调谐滤波器、振荡器等。为满足相控阵雷达对T/R组件小尺寸、低功耗、高集成度等性能的要求，开展单晶YIG单晶厚膜器件研究对于相控阵雷达的发展具有重要意义。近年来，国内在高性能的YIG单晶厚膜制备，微波铁氧体器件设计方面已取得不错成绩，但在YIG厚膜加工工艺方面(如刻蚀、通孔)与国外存在明显差异，使得小型化微波铁氧体器件发展缓慢，严重限制了我国在高性能有源相控阵雷达领域的发展。
在YIG单晶膜的制备手段方面，国内已经发展出包括液相外延、激光分子束外延(PLD)等材料制备技术，能够在钆镓石榴石(GGG)衬底上制备出厚度从几十纳米至几十微米的高质量YIG单晶薄膜，可以被用在隔离器、滤波器、谐振器等微波器件中。单晶YIG铁氧体厚膜作为电磁功能基底使用时，如果只做平面型器件，会较大限制很多功能的实现，为解决立体器件，层间或者面间电路导通，则需要对单晶YIG铁氧体厚膜进行刻蚀或基片通孔。单晶YIG铁氧体厚膜存在较大的残余应力，在这种情况下进行直接刻蚀或通孔，难度很大。另外，文献调研表明目前尚未发现针对50微米厚度单晶YIG厚膜的成熟刻蚀和通孔技术。在这种强烈需求下，需要重点突破单晶YIG铁氧体厚膜刻蚀、通孔的关键技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速、高效地在单晶YIG铁氧体厚膜基板上加工微孔的方法，以解决目前YIG厚膜加工工艺及YIG单晶厚膜器件应用方面的问题。
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，包括以下步骤；
步骤一、单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板的前处理：将单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板表面打磨抛光、超声清洗和干燥；
步骤二、加工圆形通孔：通过皮秒激光对前处理后的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行微加工，得到成形的圆形通孔；
步骤三、对加工圆形通孔后的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行后处理：将单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行超声清洗，干燥后完成圆形通孔的微加工。
优选的是，所述步骤一中，单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板由钆镓石榴石基底层和钇铁石榴石生长层构成，其结构为钇铁石榴石生长层/钆镓石榴石基底层/钇铁石榴石生长层，钆镓石榴石基底层厚度200～500微米，上层的钇铁石榴石生长层和下层的钇铁石榴石生长层的厚度均为30～60微米。
优选的是，所述步骤一中，超声清洗采用在无水乙醇中进行。
优选的是，所述步骤二中，采用全固态激光器输出皮秒激光；所述皮秒激光的波长为1064nm，脉冲宽度10～15ps，平均输出功率10～20W，重复频率100～600kHz，扫描速度100～1000mm/s。
优选的是，所述步骤二中，加工圆形通孔的具体过程为：首先，以待成形孔中心为激光束起点，采用逐层切除方式加工粗加工通孔，粗加工通孔孔径为成形孔孔径的80％，并具有锥度；其次，以粗加工通孔的内表面为起点，激光束以螺旋状路径切除表面材料，并采用逐层切除的方式消除粗加工通孔中的锥度，并使粗加工通孔的孔径达到成形孔孔径的98％；最后，对消除锥度的粗加工通孔表面进行逐层修整加工，去除表面粘结的残留材料和氧化层，获得成形的圆形通孔。
优选的是，所述步骤二中，圆形通孔的直径为25-100微米。
优选的是，所述步骤三中，超声清洗采用在无水乙醇中进行。
本发明针对单晶YIG厚膜复合基板材料的特性，利用超短脉冲皮秒激光的极高峰值功率特点，成功实现了微通孔加工。
本发明至少包括以下有益效果：
(1)单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板材料属于典型的难加工硬脆性材料，采用本发明中的加工方法，可获得无裂纹的高质量微通孔。
(2)适用于高深径比硬脆性复合材料的微孔加工；图1和图2为本发明中所加工成形通孔的照片；复合基板材料中单晶YIG膜典型厚度是50微米，单晶GGG基底的厚度是200微米；图1中设计孔径为100微米时，成形后实测孔径为100.57微米，图2设中计孔径为25微米时，成形后实测孔径为25.699微米，与预期偏差较小。
(3)本发明能够对单晶YIG厚膜复合基板材料进行微孔加工，加工工艺具有稳定、效率高、精度高等优点，对于解决单晶YIG厚膜器件加工难及应用研究等问题具有重要的意义。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明实施例1加工获得的微孔照片；
图2为本发明实施例2加工获得的微孔照片。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
被加工件：总厚度为300微米单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板(即单晶YIG厚膜复合基板(YIG/GGG/YIG复合基板)，其由钆镓石榴石基底层和钇铁石榴石生长层构成，即其结构为钇铁石榴石生长层/钆镓石榴石基底层/钇铁石榴石生长层(YIG/GGG/YIG)，单晶钆镓石榴石(GGG)基底层厚度200微米，单晶钇铁石榴石(YIG)生长层厚度50微米；所成形孔的直径为100微米；
一种单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，包括以下步骤；
步骤一、单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板的前处理：将YIG/GGG/YIG复合基板表面打磨抛光平整、抛光后用无水乙醇超声清洗10分钟，去除表面杂质和油污，最后用氮气吹干；
步骤二、加工圆形通孔：采用全固态激光器输出1064nm的皮秒激光对前处理后的单晶YIG厚膜复合基板进行微孔加工，皮秒激光波长为1064nm，脉冲宽度为15ps，平均输出功率20W，重复频率100kHz，扫描速度为400mm/s；首先，以待成形孔中心为激光束起点，以螺旋状路径切除表面材料并逐渐达到成形孔径尺寸的～80％，并重复上述操作过程，逐层切除材料，直至得到贯通的粗加工孔，粗加工通孔孔径为成形孔孔径的～80％，并具有锥度；其次，采用沿轴线方向逐层切除的方式消除粗加工通孔中的锥度；以粗加工通孔的内表面为起点，激光束以螺旋状路径切除表面材料并逐渐达到成形孔径尺寸的～98％，并重复上述操作过程，逐层切除材料，直至消除粗加工通孔中的锥度；最后，对消除锥度的粗加工通孔表面进行逐层修整加工，去除表面粘结的残留材料和氧化层，获得与成形孔径基本一致的通孔；以消除锥度的通孔内表面为起点，激光束以环形路径切除表面材料并逐渐达到成形孔径尺寸；
步骤三、对加工圆形通孔后的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行后处理：将单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板在无水乙醇中超声清洗10分钟，消除表面和孔壁残留碎屑等杂质，并干燥后获得成形圆形通孔。
实施例2：
被加工件：总厚度为250微米单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板(即单晶YIG厚膜复合基板(YIG/GGG/YIG复合基板)，其由钆镓石榴石基底层和钇铁石榴石生长层构成，即其结构为钇铁石榴石生长层/钆镓石榴石基底层/钇铁石榴石生长层(YIG/GGG/YIG)，单晶钆镓石榴石(GGG)基底层厚度200微米，单晶钇铁石榴石(YIG)生长层厚度25微米；所成形孔的直径为25微米；
一种单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，包括以下步骤；
步骤一、单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板的前处理：将YIG/GGG/YIG复合基板表面打磨抛光平整、抛光后用无水乙醇超声清洗10分钟，去除表面杂质和油污，最后用氮气吹干；
步骤二、加工圆形通孔：采用全固态激光器输出1064nm的皮秒激光对前处理后的单晶YIG厚膜复合基板进行微孔加工，皮秒激光波长为1064nm，脉冲宽度为10ps，平均输出功率20W，重复频率100kHz，扫描速度为400mm/s；首先，以待成形孔中心为激光束起点，以螺旋状路径切除表面材料并逐渐达到成形孔径尺寸的～80％，并重复上述操作过程，逐层切除材料，直至得到贯通的粗加工孔，粗加工通孔孔径为成形孔孔径的～80％，并具有锥度；其次，采用沿轴线方向逐层切除的方式消除粗加工通孔中的锥度；以粗加工通孔的内表面为起点，激光束以螺旋状路径切除表面材料并逐渐达到成形孔径尺寸的～98％，并重复上述操作过程，逐层切除材料，直至消除粗加工通孔中的锥度；最后，对消除锥度的粗加工通孔表面进行逐层修整加工，去除表面粘结的残留材料和氧化层，获得与成形孔径基本一致的通孔；以消除锥度的通孔内表面为起点，激光束以环形路径切除表面材料并逐渐达到成形孔径尺寸；
步骤三、对加工圆形通孔后的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行后处理：将单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板在无水乙醇中超声清洗10分钟，消除表面和孔壁残留碎屑等杂质，并干燥后获得成形圆形通孔。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一、单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板的前处理：将单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板表面打磨抛光、超声清洗和干燥；
步骤二、加工圆形通孔：通过皮秒激光对前处理后的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行微加工，得到成形的圆形通孔；
步骤三、对加工圆形通孔后的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行后处理：将单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板进行超声清洗，干燥后完成圆形通孔的微加工。
2.如权利要求1所述的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，其特征在于，所述步骤一中，单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板由钆镓石榴石基底层和钇铁石榴石生长层构成，其结构为钇铁石榴石生长层/钆镓石榴石基底层/钇铁石榴石生长层，钆镓石榴石基底层厚度200～500微米，上层的钇铁石榴石生长层和下层的钇铁石榴石生长层的厚度均为30～60微米。
3.如权利要求1所述的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，其特征在于，所述步骤一中，超声清洗采用在无水乙醇中进行。
4.如权利要求1所述的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，其特征在于，所述步骤二中，采用全固态激光器输出皮秒激光；所述皮秒激光的波长为1064nm，脉冲宽度10～15ps，平均输出功率10～20W，重复频率100～600kHz，扫描速度100～1000mm/s。
5.如权利要求1所述的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，其特征在于，所述步骤二中，加工圆形通孔的具体过程为：首先，以待成形孔中心为激光束起点，采用逐层切除方式加工粗加工通孔，粗加工通孔孔径为成形孔孔径的80％，并具有锥度；其次，以粗加工通孔的内表面为起点，激光束以螺旋状路径切除表面材料，并采用逐层切除的方式消除粗加工通孔中的锥度，并使粗加工通孔的孔径达到成形孔孔径的98％；最后，对消除锥度的粗加工通孔表面进行逐层修整加工，去除表面粘结的残留材料和氧化层，获得成形的圆形通孔。
6.如权利要求1所述的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，其特征在于，所述步骤二中，圆形通孔的直径为25-100微米。
7.如权利要求1所述的单晶钇铁石榴石铁氧体厚膜复合基板上的微孔加工方法，所述步骤三中，超声清洗采用在无水乙醇中进行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230131 |
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