CN203390389U

CN203390389U - 水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统

Info

Publication number: CN203390389U
Application number: CN201320422234.6U
Authority: CN
Inventors: 龙芋宏; 廖志强; 江威
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2023-07-16

Abstract

本实用新型为水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，本系统射流喷嘴产生的水射流束在工件表面的喷射点中心和激光束在工件表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在工件表面聚焦点半径的1～2.5倍。射流喷头的纵向中心线可和激光束中心线重合，工件表面激光聚焦点和射流喷射点中心重合。工作台为装有水的工作腔，工作台顶部凸台顶面的工件表面有0.5～1.5mm的水层。工作腔的溢流口接入水池，水泵将水池内的水泵入射流喷嘴产生水射流。使用时固定工件，调节工件表面的水射流喷射点和激光聚焦点的距离，激光刻蚀划片，水射流束对加工区冷却、冲刷。达到加工表面无再铸层、无残余应力、无微裂纹的效果，并提高加工效率。

Description

水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，具体为一种水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统。

背景技术

对于电子产品而言，“轻、薄、短、小”的市场趋势，集成电路的封装已由单一芯片变成多层芯片的堆栈式封装。一颗IC里叠加7-8层芯片，封装后的总体积减少为以前单层芯片IC的几分之一。因此硅片晶圆的厚度也由650μm减至120μm，最低已达25μm。硅片在划片之前是整个晶圆处理，划片之后得到IC封装工序所用的单芯片。由于晶圆直径的增大和厚度的变薄，晶圆的抗拉、抗挤压强度越来越弱，对机械外力极为敏感，划片时破片率大幅增加。同时，芯片单位面积上集成的电路越来越多，供分割的划切道更小，一般只有30μm左右。因此，对划片设备的加工范围、加工精度、可靠性及稳定性都提出了更高的要求。

传统金刚石砂轮划片工艺已达极限。对于制造商而言，晶圆划切技术及工艺设备成为封装线上技术难度及成本最高的工序之一。另外，low-k材料、以蓝宝石为基板的LED晶圆的划片，在MEMS方面有更多的芯片需要打孔、开异形孔和局部减薄等加工，复合芯片、覆有钻石层的芯片及复杂微结构的芯片切割等，传统的钻石刀片都不能胜任。而这些产品的市场需求却急剧增长，迫使业界寻找新一代划片的解决方案。

激光划片在某些低阶应用方面的品质尚可接受，但因其过大的热影响区、污染大和热变形严重等缺陷，在集成电路的加工处理中难以被认可。近年来，紫外激光和飞秒激光划片技术明显改善了热效应提高了切割质量。

在各类激光解决方案中，最突出的是世界专利-瑞士微水刀激光技术（Laser Micro Jet），此法为将激光聚焦后导入比发丝还细的微水柱中，水柱引导光束，光束在气液介面上全反射。激光加工时水冷却工件，在消除激光热效应方面表现优异。微水刀激光划片技术在国外很多高新科技领域已广泛应用。但是，其设备中很难控制使聚焦的激光束对准微水柱，稍有不慎就会导致烧蚀损坏产生水柱的喷嘴。喷嘴的深宽比要求达到20、孔径极小，且制作材料不易得，易耗件喷嘴提高了此种方法的使用成本。此外高压低速水流通过水腔转换为低压高速稳定的微水柱也是很难控制的，光束在水柱中的光程长，受激拉曼散射的能量损耗大。这些技术难点导致了微水刀激光设备价格昂贵，设备维护费用高，极大地限制了此技术的应用。

为此，近年来Richerzhagen博士等人研究了水导激光微细加工与金刚石切割的复合加工，探索了集合两种工艺加工性能优势的方法，但是因设备更加复杂，难以实际应用。

实用新型内容

本实用新型的另一目的是设计一种水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，包括激光控制单元、脉冲激光器和聚焦透镜和工作台，还有水射流喷嘴，激光束穿过水射流束，水射流束冷却、冲刷激光束加工区，得到加工表面无再铸层、无残余应力、无微裂纹的“三无”加工效果，完成优质高效又无表面缺陷的脆性材料超薄片的刻划。

本实用新型设计的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，包括激光控制单元、脉冲激光器和聚焦透镜，激光控制单元连接、控制脉冲激光器，脉冲激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦，工件固定于工作台上，工作台安装有工作台X轴驱动机构和工作台Y轴驱动机构。激光束经聚焦透镜聚焦于工件表面。还包括射流喷嘴，其产生的水射流束在工件表面的喷射点中心和激光束在工件表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在工件表面聚焦点半径的1～2.5倍。

所述射流喷嘴喷孔直径为mm量级。

所述水射流的纵向中心线和激光束中心线重合，激光束经聚焦透镜、穿过射流喷嘴的喷孔后穿过水射流、聚焦于工件表面，激光束在工件表面的聚焦点中心和水射流束在工件表面的喷射点中心重合。

所述水射流的水为超纯水，所述的超纯水为去离子水或蒸馏水。

工作台上方有装水的工作腔，工作台顶部的凸台位于工作腔内，工作台凸台顶面的工件表面低于工作腔内水面0.5～1.5mm，即工件表面有0.5～1.5mm的水层。

工作腔有溢流口，溢流口的最低点高于工作台上工件表面0.5～1.5mm，以保持工件表面的水层深度。

工作腔的溢流口经溢流管接入水池，水池内存储产生射流的水，水泵的进口经过滤器接入水池内、吸取水池内的水，水泵出口接入射流喷嘴，泵出的压力水经射流喷嘴产生水射流。

所述水泵出口经球阀接入射流喷嘴，球阀相当于液流开关，开启球阀水泵可向射流喷嘴压送水。

所述水泵出口经三通连接溢流调压阀的一端，溢流调压阀的另一端连接射流喷嘴，第三端经溢流调压管接回水池。调节溢流调压阀可调节水泵输送到射流喷嘴的水压，从而调节射流喷嘴的水射流喷射速度。水射流喷射速度根据加工的材料的厚度进行调整。

X轴伺服电机和Y轴伺服电机分别连接工作台X轴驱动机构和工作台Y轴驱动机构，X轴伺服电机和Y轴伺服电机均与计算机连接。

本水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统的使用时工件固定于工作台凸台顶面，处于激光束聚焦区域内，调节工作腔的溢流口高度，使工件表面水深度为0.5～1.5mm；

确认管路畅通，开启球阀，开启水泵，调节溢流调压阀，使水经射流喷嘴产生高速稳定的水射流束，且使水射流束在工件表面的喷射点中心和激光束在工件表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束聚焦点半径的1～2.5倍；

调节激光控制单元，控制脉冲激光器产生激光束，调节聚焦透镜，激光束聚焦于工件表面，X轴伺服电机和Y轴伺服电机分别驱动工作台X轴驱动机构和工作台Y轴驱动机构，带动工作台在X轴和Y轴上移动，聚焦的激光束对工作台上的工件表面按设定路径进行刻蚀划片，与此同时，水射流束对工件6表面激光加工区进行冷却、冲刷，避免产生再铸层，工件表面的水层进一步冷却，减小薄片工件上的温差，达到划片的加工表面无再铸层、无残余应力、无微裂纹的“三无”加工效果。

所述水泵送入射流喷嘴的水压力为0.3Mpa～1Mpa。

与现有技术相比，本实用新型水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统的优点为：1、稳定喷射的水射流束进行对激光加工划片区域冷却，水的冷却作用可以消除热影响，消除残余应力及微裂纹；而高速冲刷也能带走熔滴，可有效阻止再铸层的生成，提高脆性材料的划片良品率；2、保证了射流束喷射点与激光束聚焦点在工件表面的划片位置完全重合或近于重合，水射流的激光划片的复合加工作用，既优化了划片表面质量，又提高了加工效率；特别适合用于电子行业的超薄硅片的划片；3、激光束在通过水射流束后才聚焦，不会烧蚀损坏射流喷嘴，且激光束在水中的光程短，水对光的吸收极小，激光能量损耗少；4、系统结构简单，易于安装、检修，操作方便，适合于推广应用。

附图说明

图1为本水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统实施例1的结构示意图；

图2为本水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统实施例2的结构示意图。

图内标号为：

1、激光控制单元，2、脉冲激光器，3、反射镜，4、聚焦透镜，5、射流喷嘴，6、工件，7、工作腔，8、工作台，9、水池，10、过滤器，11、溢流调压阀，12、水泵，13、球阀。

具体实施方式

水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统实施例1

本水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统实施例1结构如图1所示，包括激光控制单元、脉冲激光器、聚焦透镜以及射流喷嘴，激光控制单元1连接、控制脉冲激光器2，脉冲激光器2发出的激光束经反射镜3改变方向后、经聚焦透镜4聚焦于工件6表面。工作台8上方有装有水的工作腔7，工作台8有凸台位于工作腔7内，工件6固定于工作台8的凸台上，工作台8凸台上工件6表面低于工作腔7内水表面0.5～1.5mm，即工件6表面有0.5～1.5mm的水层。工作腔7有溢流口，溢流口的最低点高于工作台8上工件6表面0.5～1.5mm。工作台8安装有工作台X轴驱动机构和工作台Y轴驱动机构，X轴伺服电机和Y轴伺服电机分别连接工作台X轴驱动机构和工作台Y轴驱动机构。X轴伺服电机和Y轴伺服电机均与计算机连接。

本例水为去离子水。

工作腔7的溢流口经溢流管接入水池9，水池9内存储产生射流的去离子水，水泵12的进口经过滤器10接入水池9内、吸取水池9内的去离子水，水泵12出口经球阀13接入射流喷嘴5，由射流喷嘴5产生水射流束。本例射流喷嘴5喷孔直径为3mm。

所述水泵12出口还经三通接溢流调压阀11的一端，溢流调压阀11的另一端经溢流调压管接回水池12。

本例的激光束聚焦于工件6表面，聚焦点半径为25μm，水射流束在工件6表面的喷射点中心和激光束在工件6表面的聚焦点中心的距离为20μm，小于激光束在工件表面聚焦点半径。由图1可见，激光穿过侧向入射的水射流束到达工件表面，不会损伤射流喷嘴。本例中激光束的中心线与水射流束的中心线成60度角，但二者与工件界面的交点仅为20μm。水射流束对激光加工区进行充分的冷却和冲刷，保证激光加工面的质量。

本例脉冲激光器2工作参数为：激光功率50W，激光重复频率100Hz。工件6为厚度小于150μm的超薄硅片，划片线宽≤50μm，最大划片速度达150mm/s。用高倍光学显微镜和计算机图像采集系统对刻划的超薄硅片进行表面形貌分析，采用表面轮廓测试仪测量刻蚀深度，进行检测，刻划所得的无再铸层、无残余应力、无微裂纹的超薄硅片良品的比率达85%。

水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统实施例2

本水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统实施例2结构如图2所示，本例射流喷头5的纵向中心线和激光束中心线重合，激光束经聚焦透镜4、穿过射流喷嘴5的喷孔后穿过水射流、聚焦于工件6表面，激光束在工件6表面的聚焦点中心与水射流束在工件6表面的喷射点中心重合。水射流更好地完成冷却和冲刷。

本例射流喷嘴5喷孔直径为3mm。

本例水射流的水为蒸馏水。

本例的水射流束的中心线和激光束中心线重合，水射流束在工件表面的喷射点中心和激光束在工件表面的聚焦点中心重合。

水泵12送入射流喷嘴5的蒸馏水压力为1.5Mpa。脉冲激光器2工作参数为：激光功率50W，激光重复频率200Hz。工件6为厚度150μm以下的超薄硅片，划片线宽≤50μm，最大划片速度达150mm/s。本例结果刻划超薄硅片的良品率达85%。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，包括激光控制单元、脉冲激光器和聚焦透镜，激光控制单元连接、控制脉冲激光器，脉冲激光器发出的激光束经聚焦透镜聚焦，工件固定于工作台上，工作台安装有工作台X轴驱动机构和工作台Y轴驱动机构；其特征在于：

所述激光束经聚焦透镜（4）聚焦于工件（6）表面；还包括射流喷嘴（5），其产生的水射流束在工件（6）表面的喷射点中心和激光束在工件（6）表面的聚焦点中心的距离等于或小于激光束在工件（6）表面聚焦点半径的1～2.5倍。

2.根据权利要求1所述的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，其特征在于：

所述水射流的纵向中心线和激光束中心线重合，激光束经聚焦透镜（4）、穿过射流喷嘴（5）的喷孔后穿过水射流、聚焦于工件（6）表面，激光束在工件（6）表面的聚焦点中心和水射流束在工件（6）表面的喷射点中心重合。

3.根据权利要求1或2所述的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，其特征在于：

所述射流喷嘴（5）喷孔直径为mm量级。

4.根据权利要求1或2所述的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，其特征在于：

5.根据权利要求1或2所述的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，其特征在于：

所述工作台（8）上方有装有水的工作腔（7），工作台（8）顶部的凸台位于工作腔（7）内，工作台（8）凸台顶面的工件（6）表面低于工作腔（7）内水表面0.5mm～1.5mm。

6.根据权利要求5所述的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，其特征在于：

所述工作腔（7）有溢流口，溢流口的最低点高于工作台（8）上工件（6）表面0.5mm～1.5mm。

7.根据权利要求6所述的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，其特征在于：

所述工作腔（7）的溢流口经溢流管接入水池（9），水池（9）内存储产生射流的水，水泵（12）的进口经过滤器（10）接入水池（9）内，水泵（12）出口接入射流喷嘴（5）。

8.根据权利要求7所述的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，其特征在于：

所述水泵（12）出口经球阀（13）接入射流喷嘴（5）。

9.根据权利要求8所述的水射流激光刻划脆性材料超薄片的系统，其特征在于：

所述水泵（12）出口经三通接溢流调压阀（11）的一端，溢流调压阀（11）的另一端经溢流调压管接回水池（9）。