Ультрафиолетовая лазерная резка

С. Н. Шелыгина^{1, 2}, А. А. Акимов¹, Н. В. Буров¹, info@lenlasers.ru, Д. С. Шаймадиева^{1, 2}, Карри Рао³, neo@huaraylaser.com 

¹АО «ЛЛС» , Санкт-Петербург, Россия 

²Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия 

³HUARAY PRECISION LASER CO., LTD, Ухань, Нуабей, Китай

Ультрафиолетовые лазеры имеют ряд преимуществ на рынке микрорезки металлических и неметаллических материалов. Стабильность и надежность лазерных инструментов в сочетании с точностью обработки и низкими механическими напряжениями позволяют этим лазерам выйти на рынок микроэлектронного производства. Благодаря гибкости в работе с широким спектром материалов УФ-лазеры легко адаптируется к требованиям технологических процессов и встраиваются в линии быстрой и точной лазерной обработки в производстве микроэлектроники. В статье представлены возможности твердотельных УФ-лазеров с диодной накачкой с излучением на длине волны 355 нм.

Быстрое развитие электронной промышленности, прецизионного приборостроения, разработка новых материалов со специальными свойствами, например, c высокой термостойкостью и прочностью, требует новых методов микрообработки, обеспечивающих высокую точность и эффективность. Лазерная резка обладает преимуществами перед механическими методами резки: она бесконтактна и не создает механических напряжений, которые могут повредить изделие.

Традиционно в промышленности применяются лазерные источники с излучением ближнего ИК- (волоконные лазеры, 1 064 нм) и дальнего ИК-диапазонов (СО2-лазеры, 10,6 мкм). Выбор типа источника зависит от коэффициента поглощения излучения того или иного материала на определенной длине волны: для металлов это волоконные лазеры с 1 064 нм, неметаллов – СО2-лазеры с 10,6 мкм.

Но обработка специальных материалов, таких как сапфир, различные стекла, полимерные пленки, печатные платы, полупроводниковые материалы и т. д. имеет более высокие требования, которые не могут обеспечить вышеупомянутые лазерные источники. В производстве таких изделий резка является основной операцией.

Использование систем для лазерной резки с излучением ультрафиолетового диапазона открыло новые возможности обработки специальных материалов. Для получения ультрафиолета необходима более сложная конфигурация лазера. Для генерации третьей гармоники (355 нм) в твердотельном лазере с диодной накачкой используются нелинейно-оптические явления. Генерация реализуется по следующей схеме: основная длина волны 1 064 нм возбуждает на первом нелинейном кристалле титанил-фосфата калия (KTiOPO4) вторую гармонику (532 нм). Затем излучение основной и второй гармоник смешивается на втором нелинейном кристалле, в результате чего на выходе излучается третья гармоника с длиной волны 355 нм (рис. 1).

Рис. 1. Схема генерации третьей гармоники.

Лазерное излучение УФ-диапазона (355 нм) обладает высокой энергией квантов и меньшим диаметром пятна в области фокусировки за счет более короткой длины волны по сравнению с волоконными (1064 нм) и СО2-лазерами (10,6 мкм). Длины волн излучения различных лазеров показаны на рис. 2.

Рис. 2. Длины волн различных лазерных источников [1].

Минимально возможный диаметр пятна фокусировки соответствует длине волны лазерного излучения. Соответственно, для УФ-лазера с 355 нм он в 30 раз меньше, чем для ИК с длиной волны 10,06 мкм, и составляет несколько микрометров.

Смещение длин волн в УФ-область увеличивает энергию кванта, что повышает энергоемкость потока лазерного излучения. Уменьшение длины волны лазерного излучения снижает коэффициент отражения материалов и увеличивает количество поглощенной материалом энергии.

Энергия, поглощенная материалом, расходуется либо на вибрационное или электронное возбуждение, либо на фотохимическую реакцию. При вибрационном возбуждении поглощенная энергия фотона вызывает молекулярные колебания в материале: растяжение, изгибы или вращение атомных связей. Если падающий фотон имеет достаточно высокую энергию, то он может вызвать электронное возбуждение. Возбужденный электрон может потратить энергию на эмиссию фотона или на вибрационное возбуждение. Эмиссия фотона не изменяет материал или его свойства, но вибрационное возбуждение, при котором происходит значительное выделение теплоты, может изменить свойства материала. Фотохимическая реакция возникает, если энергия поглощенного фотона соответствует энергии начала химической реакции. Для начала фотохимических реакций требуется высокая энергия фотона [2].

Фотоны падающего излучения поглощаются электронами в тонком поверхностном слое материала, соответствующем глубине оптического проникновения. Высвобождаемая энергия превращается в тепло и передается цепочкам молекул. При достижении температуры испарения материала начинается абляция. Распространение теплового фронта происходит от поверхностного слоя вглубь материала. Глубина термической диффузии является функцией коэффициента диффузии материала и длительности импульса лазерного излучения.

При взаимодействии излучения УФ-диапазона с диэлектрическими материалами, такими, как полимеры, в веществе происходит разрыв внутримолекулярных связей и электронное возбуждение молекул вещества. Возникает фотохимический механизм взаимодействия, так называемая «холодная» абляция. При высокой плотности мощности лазерного излучения создаются условия, при которых величина энергии квантов оказывается достаточной как для разрыва связей между полимерными цепями, внутри цепей между отдельными молекулами, так и для разрыва химических связей внутри молекул (например, типа С–С или С–Н в полимерах) [3]. Холодная абляция характеризуется маленькой зоной термического влияния – всего несколько микрометров.

Резка печатных плат

Печатная плата представляет собой ламинированную медью непроводящую пластинку, на которой сформированы электропроводящие цепи для питания установленных на ней электронных компонентов. Существует несколько типов печатных плат: однослойные, двухслойные, многослойные и гибкие печатные платы. Они различаются количеством проводящих слоев и типом изоляционного материала. Материалы, в основном использующиеся для печатных плат, – FR‑1, FR‑2, FR‑4, CEM‑3.

Технология использования ультрафиолетового лазера универсальна: она подходит для резки, прошивки отверстий и структурирования как жестких, так и гибких печатных плат. Помимо короткой длины волны и меньшей зоны термического влияния, высокая энергия фотонов ультрафиолетового излучения позволяет работать с широким спектром материалов для печатных плат: от стандартных материалов, таких как FR‑4, и аналогичных подложек на основе смол, керамики до высокочастотных керамических композитов и материалов для гибких печатных плат, включая полиамид. На рис. 3 приведен спектр поглощения материалов, использующихся для печатных плат. Ультрафиолетовые лазеры имеют очень высокие показатели поглощения для смолы и меди, а также, достаточно высокое поглощение в стекле. Более высокие показатели поглощения среди этой группы материалов демонстрируют только эксимерные лазеры (248 нм), которые из-за своей высокой стоимости и сложности обслуживания редко применяются для подобных целей. Разнообразие материалов для обработки позволяет использовать УФ-лазеры для широкого спектра применений на печатных платах: от создания контуров цепей до выполнения сложных процессов, таких как создание карманов для встраивания микросхем. УФ лазеры в индустрии печатных плат применяются, в частности, для выделения готовых устройств из панели печатной платы. Обычный метод заключается в использовании механического фрезерного бита. Однако производители стремятся увеличить пропускную способность процесса и снизить стоимость расходных материалов.

Рис. 3. Спектр поглощения материалов, в основном использующихся для печатных плат [1].

"Холодная абляция" УФ-излучением сводит к минимуму появление заусенцев, обугливания и других негативных эффектов теплового напряжения, обычно возникающих при воздействии лазеров с более высокой мощностью.

CO2-лазеры также подходят для некоторых работ по разделению, но они сильно обугливают поверхности реза. Для многих применений наличие карбонизации недопустимо: углеродные продукты могут быть проводящими и поглощать влагу, что приведет к выходу устройства из строя. Кроме того, соединения углерода являются ароматическими, что неприемлемо для применений, в которых изделие будет находиться близко к лицу пользователя, например, мобильных телефонах, гарнитурах и тому подобное. Примеры резки печатных плат ультрафиолетовым лазером представлены на рисунке 5а, b. Данные примеры выполнены на ультрафиолетовом лазере Poplar‑355-12 с наносекундной длительностью импульса компании Huaray [1].

Другое применение УФ-лазера в индустрии печатных плат – перфорация. Производительность этого процесса зависит от свойств материала. Для максимизации производительности перфорация выполняется в два похода: абляция медного слоя при высоких плотностях энергии лазерного излучения (около 4 Дж / см2), затем перфорация непроводящей подложки излучением с более низкой плотности энергии (100 мДж / см2). Данная последовательность обеспечивает наименьшую зону термического влияния при воздействии на материал подложки, тем самым позволяет получать отверстия наилучшего качества: 30 мкм в диаметре, скорость перфорации при этом может достигать 250 отверстий в секунду. Кроме того, в ходе данного воздействия улучшаются адгезивные свойства поверхности меди в результате лазерного структурированная, что хорошо сказывается на последующем нанесении покрытия. СО2-лазеры, с обычным для них диаметром пучка 70 мкм и большой зоной термического влияния, не позволяют достигать подобных результатов.

Небольшой размер пятна УФ-лазера открывает новые возможности лазерного структурирования: прямая абляция лаков и фоторезистов (прямая фотолитография УФ-лазером) – альтернатива традиционной фотолитографии. Минимальная ширина линий, достигнутая таким методом, – 30 мкм [1].

УФ-лазерные системы работают напрямую от данных САПР и исключают любое посредничество в процессе создания платы. Это позволяет УФ-системам работать с высоким разрешением и высокой точностью повторного позиционирования. С помощью программного обеспечения ультрафиолетовые лазеры идеально подходят для HDI-приложений (High DensityInterconnect). Возможна резка сложных изделий, состоящих из нескольких слоев различных материалов (например, FR‑4 / полиимид / эпоксидная смола) с высокой скоростью и отсутствием расслоения.

Рис. 4. Панель печатной платы с отдельными платами, соединенными вместе, готовая к процессу лазерного разделения [1].

Тенденция к миниатюризации в электронных устройствах привела к использованию гибких печатных плат. Гибкие печатные платы – это один или более слоев диэлектрика со сформированной на нем электронной схемой. Изготовление печатных плат из гибких материалов расширяет возможности их применения за счет гибкости конструкции, меньшей массы, большей плотности компоновки, устойчивости к динамическим и термическим нагрузкам и делает их наиболее оптимальным, не имеющим альтернатив способом межсоединений в электронике. Применение такого материала накладывает ограничения на методы его обработки: резка механическим методом имеет слишком широкий рез и создает высокие механические напряжения, недопустимые для схем со сложной топологией, лазерная резка СО2-лазером обладает большой зоной термического влияния.

Рис. 5. Резка печатных плат: а) материал печатной платы без проводящего слоя; b) материал с двумя проводящими слоями.

Поглощение лазерного излучения диэлектриками обусловлено наличием колебательных степеней свободы кристаллической решетки, межмолекулярными колебаниями, примесями, дефектами и т. д. Коэффициент поглощения зависит от длины волны излучения и наибольшее значение имеет в УФ- и ИК-диапазоне излучений. Диэлектрики также имеют высокие коэффициенты поглощения на длине волны λ = 10,6 мкм излучения СО2-лазеров, однако ИК лазеры удаляют материал путем интенсивного локального нагрева, при этом возникают продукты карбонизации, обугленные края и высокие термические напряжения. К тому же, излучение СО2 лазера полностью отражается металлами, что делает невозможным резку гибких печатных плат с металлическими цепями. Лазерная резка УФ-лазером позволяет выполнить резку гибких печатных плат с высоким качеством. На рис. 6 представлены результаты резки печатных плат СО2-лазером и УФ-лазером. При резке СО2-лазером присутствуют следы карбонизации материала, при УФ-резке – чистый, ровный край реза.

Рис. 6. Резка гибкой печатной платы на СО2- и УФ-лазере

Еще одно применение, свидетельствующее об универсальности ультрафиолетовых лазеров, – это гравировка по глубине. Она позволяет создавать карманы для встраивания микросхем и ступени на подложках печатной платы. Пример гравировки по глубине представлен на рис. 7. Контролируемая глубокая гравировка может быть автоматизирована с помощью программного обеспечения.

Рис. 7. Гравировка по глубине полиэтиленового материала: шаг на глубине 2 мм, 8 мм и 10 мм [1].

Прецизионная резка и перфорация металлической фольги

Длина волны третьей гармоники твердотельного лазера с диодной накачкой 355 нм хорошо поглощается металлами (Cu, Ni, Au, Ag). Спектр поглощения представлен на рис. 8. УФ лазер позволяет выполнять прецизионную обработку металлов. На рис. 9 приведены пример резки твердотельным лазером с диодной накачкой с длиной волны 355 нм фольги из нержавеющей стали толщиной 200 мкм и прошивки отверстия в фольге толщиной 50 мкм [5].

Рис. 8. Спектры поглощения различных металлов [1]

Рис. 9. Резка и прошивка отверстий в фольге [5]

Резка хрупких материалов

Лазерная обработка стекла активно используется в производстве бытовой электроники. Мотивирующими факторами для этого являются снижение стоимости за счет увеличения выхода продукции и улучшения качества готового устройства. Лазеры используются для обработки различных типов стекла: от недорогого натриево-кальциевого до разнообразных высококачественных боросиликатных стекол. Требованиями к данному процессу являются сокращение объема расплавленного материала и предотвращение образования микротрещин. УФ-лазер благодаря небольшому диаметру пятна и небольшой зоне теплового влияния снижает тепловую нагрузку на стекло. Контроль образования микротрещин может быть выполнен путем настройки длительности импульса. Также УФ-лазер позволяет выполнять резку других хрупких материалов с высокой температурой плавления, таких как, керамика, сапфир и оксид алюминия.

Рис. 10. УФ-резка керамики

Резка материалов со слоистой структурой: слюда

УФ-лазер может выполнять резку слюды с отсутствием расслоения материала. На рис. 11 приведены образцы резки слюды на волоконном, СО2- и УФ-лазерах. Как видно, наилучший результат показывает ультрафиолет.

Рис. 11. Резка слюды: а) волоконным лазером (1 064 нм); b) СО2-лазером (10,6 мкм); c) УФ- лазером (355 нм)

Заключение

Системы для лазерной обработки на основе УФ-лазерных источников с длиной волны 355 нм имеют более высокую точность, скорость и лучшее качество резки, они представляют собой идеальный инструмент для микрообработки и наиболее часто используются в производстве печатных плат и электроники, прецизионной резки металлов и хрупких материалов. Они подходят для промышленных и научных применений, например, для экспериментов в области атомной и молекулярной спектроскопии и химической динамики. Использование УФ-лазеров предполагает появление новых приложений в нанотехнологиях, материаловедении, биологии, химии, физике плазмы и многих других областях. Твердотельные лазеры с диодной накачкой с излучением 355 нм имеют низкую стоимость эксплуатации, высокую надежность и долгий срок службы.

Литература

1. URL: http://www.huaraylaser.com. PCB Depaneling. HUARAY PRECISION LASER CO., LTD.
2. Ражев А. М. Оптические технологии с использованием импульсных УФ-лазеров для микроэлектроники и медицины. Труды МНК «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии». 2012: 1(5); 187–192.
3. Валиев К. А., Великов Л. В., Душенков С. Д., Митрофанов А. В., Прохоров А. М. Эффект фототравления полимеров под действием ультрафиолета. Письма в ЖТФ. 1982: 8(1): 36–36.
4. Meier D. J., Schmidt S. H. PCB Laser Technology for Rigid and Flex HDI – Via Formation, Structuring, Routing. OR Published at IPC Printed Circuit Expo 2002, Long Beach, CA. LPKF Laser&Electronics North America. URL: [https://www.lpkfusa.com].
5. Molpeceres C., Lauzurica S., Garcıa-Ballesteros J. J., Morales M., Ocana J. L. Advanced 3D micromachining techniques using UV laser sources. Microelectronic Engineering. 2007; 84: 1337–1340.