CN1938837A - 在无源电子元件衬底上形成划线的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成具有尖锐断裂线(44)的划线(36)的方法，包括沿着陶瓷或类似陶瓷的衬底(10)引导UV激光束(14)，从而除去衬底(10)的厚度(24)的一部分。所述UV激光束在所述衬底中形成划线而不会使衬底发生明显的熔融，因而清晰确定的断裂线形成高应力集中区，该集中区延伸到衬底厚度内。因此，多个深度方向的裂纹会响应于施加到所述沟槽任一侧的分裂力，从而向所述高应力集中区中衬底的厚度方向延伸传播，使所述衬底整洁地分裂成单独的电路元件。这个集中区的形成便于以更高的精确度分裂所述衬底，同时在施加分裂力的期间和施加分裂力之后保持每个电路元件衬底内部结构的完整性。

Description

在无源电子元件衬底上形成划线的方法
技术领域
本发明涉及一种在无源电子元件衬底上形成划线(scribe line)的方法，更特别地，本发明涉及一种利用紫外激光器烧蚀无源电子元件衬底因此形成划线的方法，沿着这些划线衬底分裂成若干片。
背景技术
如在本技术领域所熟知的那样，通常在陶瓷衬底上将许多无源或混合微电子电路元件(此后称为电路“元件”)加工成阵列。陶瓷衬底被切割，有时候称作切块，从而将电路元件彼此单个分开。
在过去的30年中，分割陶瓷衬底的常用方法包括使用脉冲CO2激光切割工艺，在这个工艺中，脉冲激光与行距(street)对准，然后沿着行距照射从而形成“穿孔(post hole)”划线。图1所示为由脉冲CO2激光切割所形成的穿孔划线2的扫描电子显微照片(SEM)。如图1中所示的那样，穿孔划线2包括沿着划线2的长度方向在陶瓷衬底6的厚度方向上延伸的分开的通孔4。形成穿孔划线后，在划线的任一侧向陶瓷衬底部分施力就可以使陶瓷衬底分裂成单独的小片。
虽然脉冲CO2激光切割在速度、整洁程度(cleanliness)、精确度、和减少锯痕方面具有优势，但使用穿孔划线产生分离的陶瓷小片，会使小片具有锯齿状、不平的侧边以及相当多的熔渣残留物。如图2中的SEM照片所示，根据穿孔划线方法形成的陶瓷衬底小片6具有正弦状的侧边8，而不是优选的直平侧边。而且，陶瓷衬底小片6包括熔渣残留物7。
脉冲CO2激光切割也会导致陶瓷表面的内部结构的变形，从而产生结构上薄弱的元件。具体地，陶瓷衬底的强度减小，从而降低了承受热应力或机械应力的能力。内部结构的薄弱通常表现为在激光划线附近呈现的微裂纹数量的增多。图3A和图3B的SEM示出了由脉冲CO2激光切割形成的陶瓷衬底小片的横截面。图3A以10x的放大倍数示出了陶瓷衬底小片，图3B以65x的放大倍数示出了陶瓷衬底小片的侧边。两个图都显示出从侧边8延伸到陶瓷衬底小片6内部的多个微裂纹9。根据Weibull的强度理论，随着微裂纹密度的增加，陶瓷衬底的挠曲强度会减小(Weibull，W，Proc.Roy.Swedish Inst.Engrg.Research，193.151(1939))。由于它们的挠曲强度不足，很多电路元件就会被废弃从而导致制造成本增加。
直到近来，烧结(fired)陶瓷衬底具有的长度和宽度尺寸为大约6×8英寸，厚度为大约1毫米。如果被切割的陶瓷衬底具有这些尺寸，就可以容许由脉冲CO2激光切割形成的不平的侧边、熔渣残留物、和微裂纹。
然而，近来在元件微型化方面的技术进步要求切割出的电路元件具有大约1毫米×0.5毫米(0402)或0.5毫米×0.25毫米(0201)的长度和宽度尺寸，厚度在大约80微米和大约300微米之间。这种密度和/或厚度的电路元件不会容许由脉冲CO2或Nd：YAG激光切割产生的这些不平的侧边、熔渣残留物、和微裂纹，因为这些激光切割方法会不利地影响规定的电路元件值和/或随后的元件处理。
一种现有技术试图利用锯条锯过陶瓷衬底来切割出这些更小和更薄的电路元件，锯条与厚膜和薄膜图案产生的“行距”对准，这些图案作为形成电路元件的工艺的一部分形成在陶瓷衬底上。利用对准系统来使锯条和行距对准。在锯割之前优选地将胶带附着在陶瓷衬底上从而在完成锯割时为切割出的电路元件提供支撑。这种现有技术方法的问题包括不精确的锯条定位和对准、锯条的机械摆动、以及由于锯条切割的机械性质所产生的不平或粗糙表面。而且，划线的宽度必须足够大以容纳锯条的宽度。典型的锯条沿着切割轴线方向宽度为75-150微米，产生大约150微米宽的切口。因为产生的划线具有相对大的宽度从而占据更大部分的衬底表面，对于任意给定尺寸的陶瓷衬底而言生产出的元件更少。这样就产生更多的表面面积浪费、更少的表面面积用于电路元件部分、从而超过了每个电路元件的理想成本。
形成大多数大尺寸芯片电阻器元件的方法包括，初始的时候在未烧结(unfired)状态下的陶瓷衬底内预制出划线。然后在烧结陶瓷衬底上印制出电阻器元件，沿着划线衬底被分裂从而形成单独的电路元件。因为通常预制划线在位置准确度上的变化、以及在烧结期间陶瓷衬底收缩量的不可预测的变化，随后电阻器元件的印制常常会产生与预制划线的对准不适当。这种对准的不当间接地与元件部分的尺寸成比例。
对于更小的电路元件而言，可以用YAG激光器来在烧结陶瓷衬底中形成划线。这些划线用来对准随后的印制步骤。例如，以大约1.0微米的波长运行的IR-YAG激光器可以用来在陶瓷衬底中形成划线。形成划线的方法包括在IR-YAG激光束和陶瓷衬底顶面和底面的每个表面间产生相对运动从而在其中形成沟槽。当在沟槽的任一侧施加分裂力时，裂纹延伸传播到衬底的长度方向和厚度方向，从而使陶瓷衬底分裂成多个小片。
使用这种方法的一些缺陷包括：(1)使用IR-YAG激光器引起的热损坏会使金属导线垫片分层；(2)顶面和底面划线的不对准会使切割出的陶瓷衬底小片具有不均匀的侧缘；以及(3)效率不高，因为必须翻转、重新对准、以及随后在顶面和底面上划线、以及因此所花费的超过刻划单个表面所需的两倍的时间。
过去用的流行划线方法之一就是首先预刻划烧结的芯片电阻器陶瓷衬底，然后将导体和电阻器的丝网印制图案对准划线。然而，随着电路元件尺寸进一步减小，将丝网印刷图案对准先前形成的划线就变得很难实现。
因此就必需在印制烧结完成的芯片电阻器图案上形成偏离轴线的划线。对于烧结的陶瓷元件(芯片电容器、导体、过滤器等等)而言也明显具有这种需要，烧结工艺包括将陶瓷衬底暴露在大约750℃和大约1100℃的温度之间。延长在这些高温中的暴露会使陶瓷衬底沿着一条或两条轴线弯曲，从而形成非标准形状的陶瓷衬底。因此，就需要一种激光器能够对准并准确地刻划这些非标准形状的陶瓷衬底，从而形成多个名义上相同的电路元件。本领域普通技术人员可以理解的是，印制和刻划顺序是可以互换的并不影响最终结果。
另外，很多电路元件都具有包括金属的顶层。这个层能够延伸到沿着x轴或y轴延伸的行距的一个或两个行距中。所属技术领域的普通技术人员很容易认识到，顶层中存在金属会阻止CO2激光的使用，因为金属会反射CO2激光束。而且，用机械方式锯割含金属的层是不理想的，因为很多金属具有延展性，例如铜，使得机械锯割含金属的层是极其缓慢和困难的过程。
利用UV-YAG激光器的钻孔广泛地用于印制线路板(PWB)工业中。具体地，在下面的有机材料被钻孔之前，UV-YAG激光器发出激光束，该激光束切割穿过含金属的顶层。因此，本领域普通技术人员就很容易理解UV激光锯割铜、以及其它用于电路元件制造中的金属。
因此，需要一种经济的方法来在由陶瓷或类似陶瓷的材料所制成的衬底中形成划线，这种划线利于将衬底干净整洁地分裂成单独的电路元件部分，这些元件部分具有清楚形成的侧缘、最少的熔渣残留物，而且出现的微裂纹也减少。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，通过这种方法，其上附着有多个均匀隔开的电子元件的无源电子元件衬底，可以被整洁地分裂成单独的电路元件，包括，例如，电阻器、电容器、电感器、过滤器、变阻器、和热敏电阻器。
本发明的方法包括引导UV激光束以沿着无源电子元件衬底形成划线，以使衬底厚度方向上的一部分被除去从而形成沟槽。沟槽的宽度从衬底表面汇合到沟槽的底部从而确定出一条尖锐或陡峭的明晰的断裂线。
术语“无源电子元件衬底”此处用来表示单层结构和结合的叠层、多层、以及层压的多层结构。无源电子元件衬底有不同的类型，包括，但并不限于，优选的是下述的陶瓷或类似陶瓷的材料。
第一种是陶瓷衬底，被构造成单层或者多层的平板状。划线可以形成在未经热处理的(软)或烧结(硬)板中，包括高温共烧陶瓷(HTCC)和低温共烧陶瓷(LTCC)材料。
第二种是单层烧结陶瓷衬底，该衬底的图案具有单个(芯片)电阻器、电阻器网络、或混合电阻器网络(即，那些具有不只一个的薄片电阻率值)；压电、电光、或光电子器件；电感器；或其它构造在更大的多元件陶瓷衬底上的单个元件。
第三种实施为多层陶瓷技术，包括HTCC或LTCC材料、芯片电容器、芯片阵列、由多种元件阵列构成的网络(例如，电阻器、电容器、和电感器)、以及包括无源元件的HTCC和LTCC电子封装；或用作将半导体(例如，硅)器件连接到其它电子封装的插入装置(interposer)的电子封装。
第四种是特制的陶瓷衬底，该衬底是烧结的或未烧结的单层或多层结构，例如像是，变阻器或热敏电阻器的衬底。普通技术人员认为热敏电阻器和变阻器衬底的单层结构指的是圆盘状、杆状、垫圈状、厚块状、平板状、管状、和珠状的任一种。
UV激光器发射出激光束，该激光束的特征是其能量和光斑尺寸足以在衬底中形成划线，而不会发生明显的熔融衬底，以使清晰确定的尖锐或陡峭的断裂线形成沿着断裂线长度方向延伸并延伸到衬底厚度方向内的高应力集中区域。因此，多个深度方向的裂纹会响应于施加到沟槽任一侧的分裂力，从而向高应力集中区中衬底的厚度方向延伸传播，使衬底整洁地分裂成单独的电路元件，该电路元件的侧缘是由断裂线(snapline)确定的。
高应力集中区的形成便于以更高的精确度分裂衬底，同时在施加分裂力的期间和施加分裂力之后保持每个电路元件衬底内部结构的完整性。之所以如此是因为形成在衬底中的多个深度方向上的裂纹在施加分裂力后，在深度方向上延伸传播穿过高应力集中区中衬底的厚度，而不是沿着长度方向穿越每片陶瓷衬底的内部结构延伸传播。以这种方式形成的深度方向的裂纹便于更清晰地分裂衬底从而形成多个名义上相同的电路元件。
激光束切割过程产生最少的衬底材料再凝固，从而减小了在使用UV激光束期间沟槽侧壁熔融形成熔渣残留物的程度。没有明显的再凝固以及因此形成清晰确定的沟槽壁使得衬底可以沿着划线的长度方向以更高的精确度分裂，因为激光束的性质使衬底变薄但不影响衬底的内部结构。
从以下结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的其它方面和优点将会清晰。
附图说明
图1是扫描电子显微照片，显示利用现有技术CO2激光切割在陶瓷衬底上所形成的穿孔划线的顶视图。
图2是顶视图的扫描电子显微照片，显示当在图1所示的穿孔划线的相对侧施加分裂力时，对于切割到陶瓷衬底内的一条划线，由CO2激光切割所形成的熔渣残留物和锯齿状、不平的陶瓷衬底侧边。
图3A和图3B是扫描电子显微照片，分别以10x的放大倍数和65x的放大倍数示出了陶瓷衬底片的横截面，其具有利用现有技术的CO2激光切割形成的延伸穿过衬底片内部的微裂纹。
图4是根据本发明的一种激光刻划机的图示性示意图，该刻划机发射激光束以照射陶瓷衬底表面从而形成划线。
图5A是一种无源电子元件衬底的示意图，该衬底用于芯片电容器，仅在一个表面上被刻划。
图5B是一种无源电子元件衬底的示意图，该衬底用于芯片电容器，在两个表面上都被刻划。
图6是一种由陶瓷衬底表面上多个行距的划线网格的顶视图，该陶瓷衬底上附着有多个电子元件，例如电阻器，沿着该衬底形成根据本发明的划线。
图7是扫描电子显微照片，以65x的放大倍数示出了根据本发明所刻划的光滑平直的陶瓷衬底侧边。
图8是一种陶瓷过滤器侧视图的图示性示意图，该过滤器包括利用本发明的方法被刻划的金属顶层。
图9是扫描电子显微照片，示出了形成在未经热处理的(未烧结的)陶瓷衬底中的划线的侧视图。
图10是分割出的芯片电容器侧缘的扫描电子显微照片，该电容器形成在图9的陶瓷衬底上。
图11是形成在陶瓷衬底上的对准孔的扫描电子显微照片。
具体实施方式
本发明包括引导固态紫外线激光器发射的激光束在无源电子元件衬底上形成划线。描述的优选实施例针对由陶瓷材料制成的衬底；然而，在衬底中形成划线的工艺可以在由其它类似陶瓷的合适材料制成的衬底中进行，例如电子陶瓷、陶瓷半导体、陶瓷导体、电介质、压电体、热电体、电光陶瓷、光电材料、磁性陶瓷(铁素体)、玻璃陶瓷、绝缘体和陶瓷超导体。在优选的实施例中，陶瓷衬底吸收发射激光束的能量，因此沿着深度方向除去衬底的一部分从而沿着行距形成沟槽，行距是由形成在陶瓷衬底上的图案产生的，图案形成是形成电路元件的工艺的一部分。根据加工的电路元件的类型，图案通常由厚膜工艺(例如，由丝网印制形成厚膜电阻器或多层芯片电容器(MLCCs)或由薄膜工艺(例如，由真空沉积)形成。沟槽包括两个侧壁，这两个侧壁从陶瓷衬底表面延伸并汇聚从而在沟槽的底部形成清晰确定的断裂线，使得沟槽具有大致三角形(一个宽开口和一个顶点)的横截面。沟槽的深度优选地足够地浅，使得沟槽不会明显穿透陶瓷衬底的厚度区间，从而将微裂纹的形成降至最少因此保持了在分裂衬底期间衬底结构的完整性，所述微裂纹通常以垂直于衬底中划线的方向延伸。而且，优选地，激光束的波长足以使衬底沿着划线侧壁的再凝固最小化。
用于本发明的方法的一种优选的激光器是一种具有Q开关、二极管泵浦的固态UV激光器，其包括固态激射物，例如Nd：YAG、Nd：YLF、Nd：YAP、或Nd：YVO4、或掺杂有钬或铒的YAG晶体。(UV激光器定义为一种能发射波长小于400纳米的光的激光器。)UV激光器是优选的，因为(1)陶瓷衬底在UV范围内呈现很强的吸收能力；(2)UV激光划线很快因为它不要求在衬底的两侧都划线；(3)因为UV激光划线很大程度上是非热处理过程(non-thermal process)，所以可以产生非常尖锐的切口，该切口可以产生整洁平直的竖直裂纹，切口的斜度通常小于3度；(4)UV激光切割可以特别顺列地除去金属(切口整洁干净，很少甚至没有在沟槽中剩下材料，这些剩下的材料会妨碍分裂或金属垫片的分层)。
优选的激光器提供以谐波方式产生具有一个或多个激光脉冲的UV激光输出，该激光脉冲具有的波长例如为355纳米(三倍频率Nd：YAG)或266纳米(四倍频率Nd：YAG)并具有基本接近TEM00的空间模式外形。波长为355纳米的激光输出特别优选，因为用来产生第三谐波的晶体能够提供更高的功率和更高的脉冲重复频率。激光优选地以大约0.5瓦和大约10瓦之间的功率运行，重复频率在大约15千赫和100千赫之间。脉冲宽度优选地为15纳秒和大约100纳秒，但可以是任意合适的脉冲宽度。
UV激光脉冲可以被各种熟知的光学器件转换成扩展的准直脉冲，这些光学器件包括扩束器或向上准直仪棱镜元件(具有，例如2x的扩束因子)，设置在激光束的路径上。光束定位系统通常将准直脉冲引导通过扫描物镜或切割透镜(cutting lens)到达陶瓷衬底上的希望的激光目标位置。
被加入到本申请的受让人美国俄勒冈州波特兰的电子科学工业公司(Electro Scientific Industries，Inc.)制造的型号系列Nos.4370和4420小面积微加工系统中的光束定位系统，适于实施本发明来刻划更小(例如，小于10.2厘米×10.2厘米(4英寸×4英寸))的陶瓷衬底。被加入到电子科学工业公司制造的Model Series Nos.52xx and 53xx大面积微加工系统中的光束定位系统适于实施本发明来刻划更大(即，大约10.2厘米×10.2厘米(4英寸×4英寸))的陶瓷衬底。同样还有，混合光束定位系统，例如Cutler等人的专利号为No.5,847,960，名称为“MULTI-TOOLPOSITIONING SYSTEM”和专利号为No.5,754,585，名称为“HIGHSPEED，HIGH ACCURACY MULTI-STAGE TOOL POSITIONINGSYSTEM”中描述的系统。这些系统中的一些系统利用X-Y线性电动机来移动工件，利用X-Y平台来移动扫描透镜，对于加工长直的切口而言是成本有效的或合算的。普通技术人员也可以理解的是，可以选择地利用这样的系统，该系统具有单个X-Y平台用于工件定位，并具有固定的光束位置和/或静止的电流计或检流计用于光束定位。
本发明的方法可以结合在不同参数下工作的多个激光系统来使用。因为每个特定激光系统的操作参数可以协同工作从而形成清晰确定的划线，可以根据激光系统、衬底、或加工限制条件来调节操作参数。例如，利用下列操作参数中的任一个、或结合下列参数，可以根据本发明的方法对厚衬底有效地划线，这些操作参数为：高功率激光、高重复频率、多遍扫描、或每个脉冲的高能量。相反，利用下列操作参数中的任一个、或结合下列参数，可以根据本发明的方法对薄衬底有效地划线，这些操作参数为：低功率激光、低重复频率、单遍扫描、或每个脉冲的低能量。
图4示出一个实例性的无源电子元件衬底，激光束14瞄准到陶瓷衬底10上。陶瓷衬底10包括第一表面18和第二表面20，两者之间确定了衬底厚度24。陶瓷衬底10也包括行距28(图6中所示)和多个电子元件12，例如电阻器，电子元件附着到第一衬底表面18或第二衬底表面20的一个表面上。本发明的划线方法可以在陶瓷衬底10的任一侧或在陶瓷衬底10的两侧上进行。如果刻划芯片电阻器衬底，优选的是单侧衬底划线(图5A中所示)，如果刻划芯片电容器衬底，优选的是双侧衬底划线(图5B中所示)。
利用上述的激光定位系统，将包括激光32的激光刻划机与行距28对准。然后烧蚀陶瓷衬底10与行距28同延的部分从而形成沟槽36。沟槽36可以通过单遍或多遍激光束14扫描掠过来形成，这取决于激光系统的操作参数、被刻划的陶瓷衬底的厚度、密度和种类、以及任何加工中的限制条件。沟槽36的长度通常延伸过陶瓷衬底表面的整个有用的长度或宽度范围。沟槽36包括的沟槽长度优选地与行距28的长度相同，沟槽宽度优选地小于大约30微米，更优选地在20微米和大约30微米之间，如激光束的光斑尺寸产生的宽度。
沿着行距28可以产生多个沟槽从而在陶瓷衬底表面上形成网格，如图6所示。可用本领域普通技术人员已知的任意方式来形成多个沟槽，包括在刻划另外的划线之前用多遍扫描刻划一条划线、在用另一遍扫描刻划每一条划线之前用第一遍扫描刻划网格中的每条划线、以及用交替方式来刻划。(一个交替方式刻划的实例就是，对于一组在长度方向并排排列的多个行距而言，沿着该组行距中两个不重叠的子集中的行距以交替的顺序来形成划线。)因为陶瓷衬底保持热量，刻划密间距(网格中相邻的划线以小于400微米的间距分开)网格的方法包括以交替方式来划线，在用另一遍扫描刻划每一条划线之前用第一遍扫描刻划每条单独的划线。针对每条划线，第一遍和第二遍之间的时间间隔便于散热，因此将由于入射的热量累积所产生的陶瓷衬底的裂口和裂纹降至最少。
沟槽36进一步包括两个倾斜的侧壁40，这两个侧壁从陶瓷衬底表面18延伸并汇聚从而在沟槽36的底部形成清晰确定的断裂线44，使得沟槽具有大致三角形(一个宽开口和一个顶点44)的横截面。在图4中，沟槽36的沟槽深度48从陶瓷衬底10的第一表面18(图4)或第二表面20延伸到沟槽36的底部，其中两个侧壁40汇聚形成具有高应力集中的断裂线44。沟槽深度48优选地足够地浅，使得沟槽36不会明显穿透陶瓷衬底的厚度24区间，从而将微裂纹的形成降至最少，微裂纹通常在垂直于划线的方向延伸。沟槽深度48取决于电路尺寸和衬底厚度，优选地在衬底厚度24的大约5％到40％之间。可以通过选择合适的功率设置和激光束14的应用时间来控制沟槽深度48。理想的划线深度取决于其中形成划线的衬底材料。因此，理想值可以通过每种衬底材料的性质和每组激光操作参数来确定。
然后通过施加垂直于划线的分裂张力使陶瓷衬底10分裂成多个小片。沟槽36优选地具有三角形的横截面形状，使得在沟槽36的两侧施加分裂力会使陶瓷衬底10沿着断裂线44整洁地断裂。得到的多个电路元件所包括的侧缘为原来的沟槽侧壁40。
可以用本发明的方法在陶瓷衬底10上形成多个沟槽36。一个实例性的加工多个电路元件的方法在图6中示出，所示为在陶瓷衬底10的表面上的划线网格56。划线网格56包括水平(x轴)28h和竖直(y轴)28v行距，从而确定了独立区域阵列，每个独立区域对应一个单独的电路元件。划线网格56也包括与水平(x轴)28h和竖直(y轴)28v行距共延(coextensive)的沟槽36。
被激光束14照射的陶瓷衬底表面可以没有覆盖牺牲层或者覆盖有牺牲层，如本领域普通技术人员所熟知的那样，可以在陶瓷表面的后侧20来进行激光切割因此激光产生的残渣就无关紧要了。后侧的对准可以用激光或其它标记或陶瓷衬底10前侧18的对准孔来实现。实例性的对准孔在图11中示出。可以选择地，后侧对准可以利用边对准和/或相机视界的校准来实现，如本领域普通技术人员所已知的那样。以下的实例示出了实例性的激光和操作参数协作来从深度方向除去烧结和未经热处理的(未烧结的)陶瓷衬底材料从而形成本发明清晰确定的断裂线。
实例1.较低功率、较高重复频率的微加工
利用发射25微米高斯光束的的型号为No.V03激光器，在厚度0.913毫米的烧结陶瓷衬底材料上形成划线，该激光器由加利福尼亚洲Mountain View的LightWave Electronics公司制造，该激光器置于电子科学工业公司制造的型号为No.5200激光系统中。该工艺以0.5毫米/秒(实际速度＝25毫米/秒/重复次数(mm/s/repetitions))的有效速度运行。所用的操作参数在表I中列出。
表I. 操作参数
脉冲重复频率(PRF) 3kHz
平均功率(Avg.Power) 1.4W
最小功率(Min.Power) 1.4W
最大功率(Max.Power) 1.4W
波长(Wavelength) 355nm
稳定度* (Stability) 100％
能量/脉冲(Energy/Pulse) 466.7μJ
能量密度(Fluence) 95J/cm2
速度(Speed) 25mm/s
切入或烧蚀尺寸(Bite Size) 8.33微米
光斑直径(Spot Diameter) 25微米
重复次数(No.of Repetitions)≠ 1到50
* 稳定度是脉冲到脉冲的激光稳定性的测量值。≠ 重复次数是指激光束扫描过特定区域的遍数。
形成划线后，沿着划线陶瓷材料被分裂从而形成两个分离开的电路元件，用光学显微镜来检测以评价切口质量、深度、和特征。电路元件的侧边是干净的，没有残渣。由于高斯光束的外形，切口壁稍微倾斜。总之，该工艺产生了具有良好边缘和干净分裂的干净切口。关于切口深度与重复次数和切口百分比(切口/烧结陶瓷材料的总厚度)对比的数据在表II中示出，可以看出使用这些操作参数时多次重复是优选的。
表II. 针对切口深度、切口百分比、和每遍的深度的测试结果
 遍数(pass)  切口深度(毫米)(Depth of Cut） 切口百分比(percent cut)  每遍的深度(毫米)(Depth per pass)
  4  0.014 1.53％   0.014
  5  0.017 1.86％   0.003
  6  0.023 2.52％   0.006
  7  0.029 3.18％   0.006
  8  0.029 3.18％   0
  9  0.031 3.40％   0.002
  10  0.032 3.50％   0.001
  11  0.038 4.16％   0.006
  12  0.038 4.16％   0
  13  0.046 5.04％   0.008
  25  0.08 8.76％   0.034
  50  0.165 18.07％   0.085
实例2.较高功率、较低重复频率的微加工
利用发射25微米高斯光束的的型号为No.Q301激光器，在厚度0.962毫米的烧结陶瓷衬底材料上形成划线，该激光器由加利福尼亚洲Mountain View的LightWave Electronics公司制造，该激光器置于电子科学工业公司制造的型号为No.5200激光系统中。所用的操作参数在表III中列出。
表III.操作参数
脉冲重复频率(PRF)   15kHz
平均功率(Avg.Power)   7.27W
最小功率(Min.Power)   7.25W
最大功率(Max.Power)   7.29W
波长(Wavelength)   355nm
稳定度*(Stability)   99.3％
能量/脉冲(Energy/Pulse)   484.7μJ
能量密度(Fluence)   98.7J/cm2
*稳定度是脉冲到脉冲的激光稳定性的测量值。
以不同的速度和切入尺寸所进行的三个独立的测试如表IV、V和VI所示。
表IV.测试#1
速度(Speed) 25mm/s
切入尺寸(Bite Size) 1.667微米
光斑直径(Spot Diameter) 25微米
重复次数(No.of Repetitions) l到2
有效速度(Effective Speed) 12.5 mm/s
表V.测试#2
速度(Speed) 50mm/s
切入尺寸(Bite Size) 3.33微米
光斑直径(Spot Diameter) 25微米
重复次数(No.of Repetitions) 2
有效速度(Effective Speed) 25mm/s
表VI. 测试#3
速度(Speed) 100mm/s
切入尺寸(Bite Size) 6.66微米
光斑直径(Spot Diameter) 25微米
重复次数(No.of Repetitions) 3
有效速度(Effective Speed) 33mm/s
形成划线后，沿着划线陶瓷材料被分裂从而形成两个分离开的电路元件，用光学显微镜来检测以评价切口质量、深度、和特征。电路元件的侧边是干净的，没有残渣。由于高斯光束的外形，切口壁稍微倾斜。以50mm/s和100mm/s速度的激光刻划在所刻划的电路元件上产生的边缘分裂区域，沿着断裂线产生了非常干净的边缘。可以在边缘上看到大约20微米的边缘倾斜或，这是因为划线宽度大约为45微米。
针对在表IV到VI所述的三个测试中的每个测试，关于切口深度与重复次数对比的数据在表VII中示出。
表VII. 以25mm/s、50mm/s、和100mm/s的速度操作的激光每次重复的切割深度
                              25mm/s
 遍(pass)    切口深度(毫米)  切口百分比   每遍深度(毫米)
    123        0.0190.0270.038    1.98％2.81％3.95％       0.0190.0080.011
                              50mm/s
 遍(pass)     切口深度(毫米)  切口百分比   每遍深度(毫米)
    123       0.0140.0170.023    1.46％1.77％2.39％       0.0140.0030.006
                             100mm/s
 遍(pass)     切口深度(毫米)  切口百分比   每遍深度(毫米)
   12      0.010.021    1.04％2.18％      0.010.011
比较表II和VII可以看出实例2中使用的功率增大会使除去陶瓷材料的速度增大。因此，对于激光系统每个脉冲以较高的功率在较高的重复频率下操作是优选的。
实例3.较高功率、较低重复频率的微加工
利用发射25微米高斯光束的的型号为No.Q302激光器，在厚度大约100微米的烧结陶瓷衬底材料上形成划线，该激光器由加利福尼亚洲Mountain View的LightWave Electronics公司制造，该激光器置于电子科学工业公司制造的型号为No.5200激光系统中。所用的操作参数在表VIII中列出。
表VIII. 操作参数
  波长(nm)   平均功率(W)  脉冲重复频率(kHz)   能量/脉冲(μJ)  重复次数   脉冲宽度(ns)   最大功率(kw)   有效光斑直径(μm)  能量密度(J/cm2)
  355   3.9   50   78   1   25   3.12   30  1.10
用编程控制的速度100mm/s移动激光束，并且有效速度为50mm/s。划线的整个深度为大约28微米。因为切入尺寸(bite size)为大约2微米，在两次重复的每遍扫描掠射中存在显著的重叠。形成划线后，沿着划线陶瓷材料被分裂从而形成两个分离开的电路元件，用光学显微镜来检测以评价切口质量、深度、和特征。被刻划电路元件上的边缘分裂区域没有显著的熔渣残留。
实例4.未经热处理的陶瓷衬底的UV激光刻划
利用发射25微米高斯光束的的型号为No.Q301的激光器，在厚度800微米的未热处理的(未烧结的)MLCC衬底上形成划线，该激光器由LightWave Electronics公司制造，该激光器置于电子科学工业公司制造的型号为No.4420激光系统中。所用的操作参数在表IX中列出。
表IX. 操作参数
 波长(nm)   平均功率(W)  脉冲重复频率(kHz)  脉冲重复频率(kHz)   重复次数  切入尺寸(μm)  光束速度(mm/s)   切口深度(pm)  透镜
 355   8.1  10  10   5-10  5   50   60  25mm
图9是扫描电子显微照片，示出了形成在未经热处理的(未烧结)MLCC衬底中的划线的侧视图。如图9所示，沟槽具有清晰确定的侧壁，侧壁汇聚从而形成尖锐的断裂线。沟槽的横截面形状是三角形。
形成划线后，烧结未经热处理的MLCC衬底。烧结衬底板会导致衬底的收缩。陶瓷衬底通常会经历大约10％和大约20％之间的收缩，这取决于若干变量，例如颗粒尺寸、颗粒形状、电介质和内部电极金属粉末的分布、未经热处理的衬底的密度、用来形成板的方法和操作参数(例如，带铸造(tape casting)或丝网印制)、以及电介质的组成成分。申请人发现当MLCC衬底被烧结时划线的有效切口深度增加。
形成划线和烧结衬底后，MLCC材料沿着划线分裂从而形成多行电路元件(例如，芯片电容器)，用光学显微镜来检测以评价切口质量、深度、和特征。图10示出在附图所在的平面中一行芯片电容器的侧缘。芯片电容器的侧缘是干净的，没有残渣。总之，该工艺产生了具有良好边缘和干净分裂的干净切口。刻划未经热处理的陶瓷衬底的一个优点是可以在未经热处理的陶瓷材料上形成更深的划线，因为它更软。
如果形成芯片电容器，优选地在第一和第二衬底表面上都刻划，使得在第一表面上的划线与第二表面上的划线空间对准。这种双侧刻划是这样进行的：(1)在衬底中钻出对准孔，(2)利用上述方法在第一表面上形成划线，(3)翻转衬底并利用对准孔重新对准，(4)利用上述的方法在第二表面上形成划线，使得在第二表面上的划线与第一表面上的划线空间对准。
通常在衬底的角落形成多个对准孔，从而在翻转衬底和刻划第二表面时便于对准衬底。一种实例性的对准孔80在图11中示出。图11的对准孔80形成在未经热处理(未烧结)的厚度为800微米的MLCC衬底上，利用发射25微米高斯光束的由加利福尼亚洲Mountain View的LightWaveElectronics公司制造的Model No.Q301激光器，该激光器置于电子科学工业公司制造的Model No.4420激光系统中。所用的操作参数在表X中列出。
表IX. 操作参数
 功率级(W)  切入尺寸(μm)  光束速度(mm/s)   脉冲重复频率(kHz)
  8.1  3   30   10
如上述的那样，可以结合使用其它的对准方法在未经热处理的材料上形成划线。
当分离开的电路元件形成芯片电容器时，形成在衬底10中的沟槽36的棱边70优选地进行棱边倒圆处理(如图5B、9、和10所示)。更具体地，侧壁40与第一表面18相交在衬底10的第一表面18处形成棱边70。对这些棱边进行倒圆处理是工业标准。进行棱边倒圆有两个主要原因：(1)芯片的棱边是在尖锐区域处的主要机械应力集中源，倒圆去掉棱边就可以降低棱边处的应力集中，从而降低在处理和/或操作期间终端涂层碎裂并露出内部电极的几率，和(2)便于均匀末端终端芯片在棱边处会聚。这种倒圆处理就是引导紫外线激光束从而除去棱边处的衬底材料以使其具有曲线形状。用于棱边倒圆的示例性数据是：＜3微米的顶点-对-侧边的比例以及＜20微米的角会聚。
实例1-4示出，高应力集中区的形成便于以更高的精确度分裂陶瓷衬底，使得在施加分裂力的期间和施加分裂力之后得到的每个陶瓷衬底片的内部完整性基本保持不变。陶瓷衬底内部保持不变，是因为形成在陶瓷衬底中的多个深度方向上的裂纹在施加分裂力后，在深度方向上延伸传播穿过高应力集中区中陶瓷衬底的厚度，而不是沿着长度方向穿越每片陶瓷衬底的内部结构延伸传播。这就便于更整洁地分裂陶瓷衬底从而形成多个电路元件。
而且，激光束的操作参数将陶瓷衬底材料出现的再凝固降至最少，从而减小了在使用激光束期间沟槽侧壁熔融的程度，因此将熔渣残留物的形成降至最少。具体地，本发明的激光刻划方法使得由激光脉冲除去的陶瓷衬底厚度的那部分吸收大部分激光能量。这样的能量吸收确保基本上之后没有剩余的热量来引起沟槽侧壁的熔融。没有明显的再凝固以及因此形成清晰确定的沟槽壁使得陶瓷衬底可以沿着划线的长度方向以更高的精确度分裂，因为激光束的烧蚀(非热)性质使陶瓷衬底变薄但没有影响陶瓷衬底的内部结构。最少的再凝固也带来优质且一致的棱边质量；更光滑的棱边消除了薄弱点的存在，而微裂纹就是源自这些薄弱点。图7的SEM以65x的放大倍数示出了陶瓷衬底片光滑且平坦的侧边，该衬底片是根据本发明的方法进行划线的。
UV激光切割的一个优点就是它比机械切割(截切宽度(slicing lane)大约为300微米，切割路径(dicing path)大约为150微米)消耗的材料显著地少(宽度小于50微米的切口，优选地宽度小于30微米)，因此在单个衬底上可以加工更多的电路元件。
本发明的方法也便于刻划非规则形状的衬底，这种衬底要求衬底和激光束偏离轴线(off-axis)对准。具体地，本发明的这种方法用来形成偏离轴线的划线，该划线相对于法线具有方位角。当在非-正交或偏离图案上形成划线时，可能要求在不同的点观测无源电子元件衬底。用于刻划这种类型的无源电子元件的一种实例性光束定位系统，是本申请的受让人位于俄勒冈州波特兰的电子科学工业公司制造的型号为Model4420或4370UV-YAG激光划线系统(Laser Scribing System)中的光束定位系统。
另外，多层陶瓷元件，例如MLCCs，包括铜、银、或镍层，可以用本发明的方法来进行划线，不会破坏其它层的完整性。在一个实施例中，未经热处理的层可以堆叠起来，然后烧结得到的陶瓷过滤结构。如图8所示，陶瓷过滤器48可以包括芯片50，该芯片被叠层52和铜、银、或镍密封涂层54所覆盖。芯片50置于陶瓷衬底62的顶部。现有技术的方法机械锯割穿过铜密封涂层54会破坏叠层52，这是不希望发生的。而且，因为铜的延展性，机械锯割顶层会很慢令人难以接受。本发明的方法使得陶瓷过滤器48的铜密封涂层54被UV激光束切割，激光束的能量和光斑尺寸足以分离切割铜密封涂层54和陶瓷衬底62，而不会破坏叠层52。结合本发明的方法使用的UV激光可以被编程控制，从而切穿铜密封涂层54而在陶瓷衬底62中留下具有断裂线的沟槽，沿着断裂线陶瓷衬底62可以被分裂成单独的、名义上相同的电路元件。可以选择地，结合本发明的方法使用的UV激光可以被编程控制，从而切穿铜密封涂层54而不影响陶瓷衬底62。根据本发明的方法，然后对激光进行编程控制，使其能量和光斑尺寸足以形成划线，沿着划线陶瓷衬底62可以被分裂成单独的、名义上相同的电路元件。
总之，本发明的方法可以用来在各种类型的无源电子元件衬底中形成划线从而分裂形成各种电子元件。列举的实例性电子元件包括芯片电阻器：芯片电容器；电感器；过滤器；变阻器(包括，但不限于，金属氧化物变阻器、多层变阻器、和圆盘变阻器)；热敏电阻器；基于磁性材料的电子元件例如铁氧体磁珠和变换器；基于压电陶瓷的电子元件例如转换器和传感器；基于光电陶瓷的电子元件例如光学开关和颜色过滤器(color filter)；以及LTCC和HTCC封装。
最后，具有这样行距的陶瓷衬底，该行距沿着x轴和y轴的任一个或着沿着两个轴延伸并装载了金属，可以用本发明的方法简单地进行分割。
显而易见，本领域普通技术人员在不背离本发明基本原则的前提下，可以对上述本发明实施例的细节进行变动。因此，本发明的范围只应该由下面的权利要求来确定。

Claims (28)

1.一种在无源电子元件衬底上形成划线的方法，该划线便于将所述衬底分裂成单独的小片，该小片具有的侧缘是由所述划线确定的，所述衬底具有厚度和表面，在所述衬底表面上形成了多个名义上相同的、互相分开的电子元件的图案，所述电子元件被行距隔开，所述划线沿着所述行距形成，以使所述衬底分裂产生的单独的小片包括单独的电路元件，所述方法包括：
将紫外线激光束对准所述衬底表面上所述行距中的一个，所述激光束的特征由能量和光斑尺寸来体现；
使所述激光束和所述衬底之间发生相对运动，以使所述激光束沿着所述行距在长度方向上被引导，从而在深度方向上除去衬底材料形成沟槽，所述紫外线激光束的能量和光斑尺寸可以在深度方向上除去材料而不会使衬底材料发生明显的熔融，以便在衬底材料中形成的所述沟槽具有宽度，该宽度从所述表面汇聚到沟槽底部形成尖锐或陡峭的断裂线；和
所述沟槽的形状形成高应力集中区域，该区域沿着所述断裂线延伸并延伸到所述衬底厚度方向内，多个深度方向的裂纹会响应于施加到所述沟槽任一侧的分裂力，从而向所述高应力集中区中所述衬底的厚度方向延伸传播，使所述衬底整洁地分裂成单独的电路元件，该电路元件的侧缘是由所述断裂线确定的。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括陶瓷或类似陶瓷的材料。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底由单层陶瓷或类似陶瓷的材料形成。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底由多层陶瓷或类似陶瓷的材料形成。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底在形成所述划线期间是烧结状态的。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底在形成所述划线期间是未被热处理的状态。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述表面是第一表面，所述衬底进一步包括第二表面，其中所述沟槽构成穿过所述第一表面在衬底材料中形成的第一沟槽；和
进一步包括重复激光束对准和所述激光束和所述衬底之间的相对运动，从而穿过所述第二表面在衬底材料中形成第二沟槽，以使所述第一和第二沟槽是空间对准的。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述衬底包括多个对准孔，便于形成所述第一和第二沟槽的过程中它们的空间对准。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述沟槽包括第一和第二倾斜侧壁，这些侧壁汇聚从而在所述沟槽的底部形成所述断裂线，这些侧壁与所述衬底表面相交从而在所述表面处形成棱边，所述方法进一步包括引导所述紫外线激光束从而除去所述棱边处的衬底材料以使其具有曲线形状。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述电子元件选自下述组，该组基本包括：电阻器、电容器、电感器、过滤器、变阻器、热敏电阻器、铁氧体磁珠、变换器、转换器、控制器、传感器、光学开关、和颜色过滤器。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述沟槽的横截面大致是三角形。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束具有足够短的波长，该波长和脉冲能量协作将所述衬底沿着所述沟槽侧壁的再凝固降至最少。
13.如权利要求1所述的方法，其中形成所述断裂线的深度不会明显穿透所述衬底厚度，因此将沿着大致垂直于所述衬底中划线的方向延伸的微裂纹的形成降至最少，从而在所述衬底分裂期间保持衬底结构的完整性。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述深度是在所述衬底厚度的大约5％和大约40％之间。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述表面是第一表面，所述衬底进一步包括第二表面，其中在所述第一表面和所述第二表面中的一个表面上印制有图案，该图案在所述紫外线激光束沿着所述行距在长度方向上移动时便于所述行距和所述紫外线激光束的对准。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括第一和第二相对的侧缘，所述行距与所述第一和第二侧缘以斜角相交。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述衬底大致是矩形的形状。
18.如权利要求1所述的方法，进一步包括重复紫外线激光束对准和所述紫外线激光束与所述衬底之间的相对运动从而在衬底材料上形成多个沟槽。
19.如权利要求1所述的方法，其中进行的形成所述沟槽的相对运动被执行为沿着所述行距的一遍长度方向上的扫描。
20.如权利要求1所述的方法，其中进行的形成所述沟槽的相对运动被执行为沿着所述行距的多遍长度方向上的扫描。
21.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束由脉冲UV-YAG激光器发射，该激光器以大约15千赫和大约100千赫之间的重复频率运行。
22.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束由脉冲UV-YAG激光器发射，该激光器以大约50微焦和大约1000微焦之间的能量/脉冲运行。
23.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束由运行功率在大约0.5瓦和大约10瓦之间的激光器发射。
24.如权利要求1所述的方法，其中所述沟槽的宽度小于大约30微米。
25.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束的光斑尺寸小于大约30微米。
26.如权利要求1所述的方法，其中所述表面是第一表面，所述衬底进一步包括第二表面，所述第一和第二表面中的一个表面至少部分被金属层所覆盖。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述金属层是铜、银或镍。
28.如权利要求1所述的方法，其中所述行距中的至少一个包括金属层。
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