激光打孔推动陶瓷基片更进一步发展

作为电子元件的支撑底座,陶瓷基片能促进电子设备散热。陶瓷基片初胚成形后还需进行打孔、划线加工。而传统的加工方法不能满足陶瓷基片的高精度加工需求。激光加工技术的发展,使激光加工成为陶瓷加工的最佳手段之一。

据统计,打孔加工约占机械加工总量的1/3,占机械加工时间的1/4。在打孔加工中尤其以微孔尤其以微孔的加工最为困难。随着各项科学技术和工业生产的发展,小孔的应用日趋广泛。而加工微孔的方法有:机械加工、电火花加工、电解加工、激光打孔、超声波打孔、电子束打孔等。

1 陶瓷基片的特点:

电子封装材料包括基片、布线、框架、层间介质以及密封材料等。而基片材料作为一种底座电子元件,主要为电子元件及其相互联线提供承载支撑、气密性保护和促进电气设备散热。陶瓷基片相对常见的金属、塑料复合材料等相比,具备如下特点:

(1)绝缘性好、可靠性高。高电阻率是电子元件对基片的最基本要求,基片的电阻越大,封装可靠性越高。

(2)介电常数较小,高频特性好。较低的介电常数和介电损耗,可减少信号延迟,提高传输速率。

(3)热膨胀系数小,热失配率低。

(4)热导率高。

2 陶瓷基片的种类及特性:

陶瓷基片(基板)是以电子陶瓷为基底,对膜电路元件以及外贴元件形成一个支撑底座的片状材。陶瓷基片材料有氧化铝、氮化铝、碳化硅、氧化铍、氮化硼、莫来石和玻璃陶瓷等。

其中,氧化铍(BeO)和碳化硅热导率很高,但氧化铍因具有毒性,应用范围小,故产量低;

碳化硅(SiC)因体积电阻较小、介电常数较大、介电损耗较高,不利于信号的传输,且成型工艺复杂、设备昂贵,故应用范围也很小;

氮化铝(AlN)陶瓷基片是新一代高性能陶瓷基片,具有很高的热导率,较低的介电常数和介电损耗、以及和硅相配比的热膨胀系数等优点,但由于成本高,一直没能大规模应用;

氧化铝(Al2O3)陶瓷基片虽然热导率不高,但因其生产工艺相对简单,成本较低,价格便宜,被大量用作集成电路绝缘基片、封装材料、片式电阻器、电位器、散热片、基座、绝缘板材、可控硅等领域。

激光打孔推动陶瓷基片更进一步发展

图1. 氧化铝激光打孔基片via网络

3 什么是激光打孔?

(1)简介

激光打孔是利用脉冲激光的高功率和良好空间相干性,使材料熔化、汽化而形成孔。激光打孔的过程是一个激光和物质相互作用的热物理过程,激光和工件相互作用,存在着许多不同的能量转换过程,包括反射、吸收、汽化、再辐射和热扩散等,它是由激光波长、脉冲宽度、聚焦状态等光束特性和物质诸多的物理特性决定的。

(2)优势:

激光打孔是最早实用化的激光加工技术。早在60年代就用激光在钻石上打孔,随着激光技术的发展,激光打孔能力不断提高,投入陶瓷加工上已有几十年。

①速度快,效率高,经济效益好。由于激光打孔是利用功率密度高的激光束对材料进行瞬时作用,因此打孔速度非常快。配合高精度的机床和控制系统可实现高效率打孔。在相同的工件上,激光打孔与电火花打孔、机械钻孔相比,效率高出10~100倍。

②可获得大的深径比。在微孔加工中,深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。激光打孔相对于其它打孔方法,参数便于优化,所以可获得比电火花、机械打孔大得多的深径比。

③可在各类材料上进行,不受材料硬度、刚度、强度和脆性等机械性能限制,这对于陶瓷加工来说是十分重要的。

④没有工具损耗。激光打孔为无接触加工,避免了机械钻微孔时易断钻头的问题。

⑤适合于数量多、高密度的孔加工。当激光打孔机与自动控制系统和工控机配合,实现光、机、电一体化,使得激光打孔过程可重复性非常强。

⑥能在难于加工材料倾斜面上进行加工小孔。而机械打孔和电火花打孔属于接触打孔,想再倾斜面打孔非常困难。

⑦可以对置于真空中或其它条件下的工件进行加工。

激光打孔推动陶瓷基片更进一步发展

图2.陶瓷激光打孔机via深圳市天天激光技术有限公司官网

4 陶瓷激光打孔面临的问题:

陶瓷激光打孔的非接触式加工,无机械切削力,无刀具磨损,柔韧性,高加工率等特点,使其成为陶瓷打孔加工的首选。但是由于激光束与材料相互作用的强热性质,特别是对于长波长激光,因此陶瓷打孔面临着一些具有挑战性的问题:

(1)减少加工过程中的热损伤;

(2)消除打孔加工中的微裂纹

(3)获得高精度的孔形和好的表面质量;

(4)控制打孔的锥度;

(5)尽量减少甚至消除飞溅;

(6)残渣和重铸层。

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