CO2激光切割LTCC基板工藝技術(shù)研究
2016-10-12 來源： 中國電子科技集團公司第三十八研究 作者：王運龍，宋夏，邱穎霞，王志勤
摘要：針對LTCC基板進(jìn)行CO2激光切割實驗研究。分析激光功率、激光頻率、切割速度及輔助氣體壓力等參數(shù)對切割寬度、深度及飛濺物的影響。闡述了LTCC中金屬導(dǎo)體對切割的阻礙作用以及CO2激光的熱效應(yīng)對LTCC表層導(dǎo)體形貌及附著力的影響。
關(guān)鍵詞：CO2激光；LTCC基板；切割
低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-firedCeramics，LTCC）采用低溫?zé)Y(jié)陶瓷生料帶為電介質(zhì)層，Au、Ag或Cu等高電導(dǎo)率的金屬為導(dǎo)電材料，通過在生料帶上先打孔，然后進(jìn)行導(dǎo)體填孔和表面電路印刷，經(jīng)疊片和層壓實現(xiàn)多層印刷電路圖形的立體累加和互聯(lián)，最后在低于900 ℃的溫度條件下可燒結(jié)制成三維空間高密度電路基板[1]。LTCC技術(shù)結(jié)合了電子電路厚膜技術(shù)和金屬導(dǎo)體-陶瓷共燒技術(shù)，基板燒制溫度低，呈現(xiàn)優(yōu)異的高頻高Q 特性，傳輸損耗低，具有較好的溫度特性，可實現(xiàn)無源元件埋置，產(chǎn)品集成密度高，易于實現(xiàn)多層布線與封裝的一體化結(jié)構(gòu)[2]。由于LTCC優(yōu)異的性能，目前已被廣泛應(yīng)用于通信、射頻/微波領(lǐng)域、相控陣?yán)走_(dá)的T/R模塊等模塊中。
通常情況下，為了提高生產(chǎn)效率，LTCC是在較大的生瓷帶（如20.32 cm生瓷片）上同時制備若干個相同的電路單元，所以經(jīng)過燒結(jié)制成的基板需要對大片電路進(jìn)行切割使之成為每只獨立的電路單元。外形切割基本上是LTCC工藝過程的最后工序，其切割質(zhì)量和效率直接決定著LTCC的成品率和產(chǎn)量。另外，對于復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的LTCC產(chǎn)品，外形切割的作用顯得更加重要。LTCC主要成分為陶瓷介質(zhì)。由于陶瓷是由共價鍵、離子鍵或兩者混合的化學(xué)鍵結(jié)合的物質(zhì)，在常溫下對剪應(yīng)力的變形阻力很大，且硬度高；并且陶瓷晶體離子間由化學(xué)鍵結(jié)合而成，大，又使陶瓷有很大脆性。因此，LTCC基板材料的高硬度及脆性使其可加工性很差，即使有很小的應(yīng)力集中現(xiàn)象也很容易被破壞。
LTCC基板切割可采取機械砂輪磨削劃切和激光劃切。機械砂輪劃切采用高速轉(zhuǎn)動的砂輪對陶瓷進(jìn)行磨削加工[3]。由于陶瓷硬度高，刀具磨損量大，磨削效率低；再者由于是接觸加工，陶瓷材料在磨削過程中很容易破裂，致使廢品率增大。另外，砂輪劃切只能進(jìn)行直線劃切，對于異型基板加工無能為力。激光切割具有的單色性好、方向性好、相干性好和高亮度的特征，理論上可以加工任何高硬度高致密的物質(zhì)[4]。采用非接觸式的切割方式，不存在刀具磨損，可以加工任意形狀。但激光對材料的加工是一個非常復(fù)雜的過程，較小功率的激光切割效率很低，而大功率激光加工的熱效應(yīng)明顯，存在著熔融凝固層缺陷和裂紋的問題。本文應(yīng)用150 W的CO2激光，針對FerroA6M LTCC基板進(jìn)行激光切割工藝研究，分析工藝參數(shù)對LTCC切割寬度、深度及飛濺物的影響規(guī)律。對LTCC基板外形加工成型具有一定的借鑒作用。
1. 實驗材料與設(shè)備
實驗用LTCC材料選擇FerroA6M，基板厚度約0.96 mm，密度約2.45 g/cm3，熱膨脹系數(shù)7×10-6/℃，熱導(dǎo)率2 W/(m·K)，楊氏模量92 GPa。激光器選用150 W CO2激光器，激光波長10.6 μm，采用TEM模式。以脈沖輸出為工作方式，同軸輔助壓縮空氣為工作氣氛，最高氣體壓力0.2 MPa，采用同軸吹氣，噴嘴直徑1.5 mm，聚焦鏡焦距100 mm。激光劃片時焦點位置位于試樣表面，使其達(dá)到熔融狀態(tài)，進(jìn)而汽化形成圓坑。激光束在計算機的控制下產(chǎn)生移動，從而使圓坑部分重疊，在LTCC表面形成連續(xù)的刻槽。通過改變激光加工參數(shù)、加工速率和吹氣壓力，進(jìn)行劃片實驗。用白光干涉儀測出試樣的一維表面形貌曲線，分析切割質(zhì)量。
2 .實驗結(jié)果與分析
2.1 激光參數(shù)的影響
如圖1所示，實驗中設(shè)定激光重復(fù)頻率0.3 kHz，切割速度1 mm/s，氣體壓力水平50%，激光功率水平從3%改變至36%，測得相應(yīng)的切縫深度和切割寬度。激光平均功率對切割深度和切縫寬度有明顯影響在其他參數(shù)固定不變時，切縫寬度和切割深度隨著激光功率的增加而增大。當(dāng)激光輸出功率增大時，使單位時間內(nèi)材料獲得的能量增加，切割深度隨之增加，當(dāng)輸出功率水平達(dá)到20%左右時，試樣被完全切穿。此外，隨著功率水平的增大，熱影響區(qū)也變大，處于材料破壞閾值之上的能量所對應(yīng)的寬度增大，表現(xiàn)為切縫寬度的增加。值得注意的是，在試樣未被切穿的情況下，切縫寬度基本呈現(xiàn)線性增大的趨勢，而當(dāng)試樣被完全切穿時，切縫寬度雖然隨著能量的增大而增大，但是增大的趨勢降低，激光能量水平的影響作用降低。在試樣未切穿和切穿之間，切縫寬度變化較大。對于表面的飛濺物，激光能量水平的影響主要是通過試樣是否被完全切穿體現(xiàn)的。在較低的能量水平條件下，試樣未被完全切穿，這樣熔融和汽化的陶瓷只能在氣流的帶動下通過試樣的上表面排出，容易在切縫的邊緣沉積形成飛濺物。而當(dāng)試樣被完全切穿時，氣流帶動熔融和汽化的陶瓷通過試樣的下表面直接排出，表面飛濺物較少。另外，較高的激光能量增大材料汽化比例，同樣會使得表面飛濺物含量降低。在以下的試驗及分析中，針對試樣未切穿和切穿分別討論，激光能量水平分別選擇12%和30%。在分別設(shè)定激光功率水平為12%和30%，其他參數(shù)不變的情況下，如圖2和圖3所示，激光重復(fù)頻率從0.1 kHz改變至0.7
圖1 不同激光功率水平加工條件下試樣的
一維表面形貌曲線及切縫寬度
kHz，測得相應(yīng)的切縫深度和切割寬度。激光功率水平為30%的條件下，改變激光重復(fù)頻率，試樣均被完全切穿。切縫寬度基本在0.35±0.03 mm，雖然隨著重復(fù)頻率的變化，切縫寬度有所變化，但變化較小。可見在試樣被切穿的情況下，重復(fù)頻率對切縫寬度和深度影響較小。激光功率水平為12%的條件下，改變激光重復(fù)頻率，試樣均未被完全切穿。切縫深度隨著頻率的增大呈現(xiàn)的變化趨勢較為復(fù)雜，而切縫寬度則在一直減小。通常而言，在固定其他參數(shù)的條件下，重復(fù)頻率越高，峰值功率越小，單脈沖與材料作用的能量越小，影響區(qū)越小，切縫寬度也就越小。所以，隨著頻率的增大，切縫寬度降低。但是，重復(fù)頻率越高，激光平均輸出功率增大。當(dāng)重復(fù)頻率較低時，雖然平均功率很低，但脈沖的峰值功率很高，激光束能夠使被加工材料快速汽化，材料汽化比例高，表面飛濺物較少，會獲得較大的切割深度。而隨著重復(fù)頻率的上升，脈沖峰值功率降低，材料汽化比例降低，飛濺物增大，切割深度降低。當(dāng)重復(fù)頻率繼續(xù)上升時，雖然脈沖峰值功率處于較低水平，但輸出的平均功率增加較為明顯，因此切割深度增大。進(jìn)一步增大重復(fù)頻率，激光脈沖峰值功率進(jìn)一步降低，材料汽化難度最大，而輸出的平均功率增加有限，飛濺物比例更高，切割深度則呈現(xiàn)降低趨勢。
2.2 切割速度的影響
切割速度的變化意味著激光與材料相互作用的時間變化，使材料在單位面積上得到的激光能量發(fā)生改變。如圖4和圖5所示，設(shè)定激光功率水平為12%和30%，其他參數(shù)不變的情況下，切割速度從0.5 mm/s改變至3.5 mm/s，測得相應(yīng)的切縫深度和切割寬度。在30%功率水平條件下，切割速度越快，激光照射材料的時間越短，材料在單位面積上得到的能量越少。試樣從切穿狀態(tài)向未切穿狀態(tài)轉(zhuǎn)變，切縫
圖2 30%激光功率水平條件下，不同激光頻率對試樣的一維表面
圖3 12%激光功率水平條件下，不同激光頻率對試樣的一維表面
形貌曲線及切縫寬度的影響
深度逐漸降低。在較高能量狀態(tài)下，切縫寬度主要受激光平均能量影響。當(dāng)切割速度較低時，激光與材料的作用時間過長，影響范圍過大，使得切縫周圍的材料也被熔化或氣化，導(dǎo)致切縫較寬，隨著速度的增加，材料接受激光減少，影響范圍降低，切縫寬度降低。在12%功率水平條件下，隨著切割速度的增大，切縫深度同樣呈現(xiàn)降低趨勢。由于在較低能量狀態(tài)下，切縫寬度主要受激光峰值功率影響。改變激光掃描速度不能使脈沖能量和光斑的大小改變，所以切割速度對切縫寬度影響不大。
圖4 30%激光功率水平條件下，切割速度對試樣的一維表面形貌
曲線及切縫寬度的影響
2.3 輔助氣體壓力的影響
激光切割中最常用的輔助介質(zhì)是氣體，一般采用與激光束同軸的形式噴出，直接作用在切割處。圖6和圖7給出了激光功率水平分別為12%和30%，其他參數(shù)不變的情況下，輔助氣體壓力對切縫深度、切割寬度及表面飛濺物的影響。激光功率水平為30%的條件下，增大輔助氣體的壓力水平，試樣均被完全切穿。切縫寬度先增大后降低。輔助氣體一方面可以將熔融或氣化的材料噴出，同時也將切割熱量帶走。
圖5 12%激光功率水平條件下，切割速度對試樣的一維表面形貌
曲線及切縫寬度的影響
在較低的氣體壓力條件下，氣體輔助熔融或氣化的材料噴出的能力較低，氣場分布作用區(qū)域較小，從而切縫較小。熔渣不能及時帶走，切割表面飛濺物較多。隨著氣體壓力的增大，氣體作用區(qū)域增大，切縫有所增大。但是，隨著氣體壓力的進(jìn)一步增大，氣體的冷卻作用明顯，熔渣易在切割表明堆積，切縫寬度降低。表面的飛濺物水平在適中的氣體壓力下達(dá)到最小。激光功率水平為12%的條件下，改變氣體的作用壓力，試樣切割深度先增大后降低。這是由于氣體壓力較小，帶走熔融或氣化的材料的能力有限，而在較高的氣體壓力下，氣體的冷卻作用明顯。因此在適中的氣體壓力下具有較大的切割深度。對于切縫寬度，主要受峰值功率和切割深度的影響。由于氣體的壓力對激光光斑和峰值能量影響不大，因此切縫寬度則與切割深度的變化趨勢相反，呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢。
2.4 導(dǎo)電金屬的影響
LTCC主要介質(zhì)層為陶瓷材料，其主要成分為氧化鋁陶瓷。單一的這種陶瓷材料，熱導(dǎo)率較低，對波長為10.6 μm的CO2激光有很高的吸收率，在一些CO2激光切割非金屬材料理論模型中通常假設(shè)所
圖6 30%激光功率水平條件下，吹氣壓力水平對試樣的一維表面
形貌曲線及切縫寬度的影響
圖7 12%激光功率水平條件下，吹氣壓力水平對試樣的一維表面
形貌曲線及切縫寬度的影響
有的激光能量都被材料吸收，并轉(zhuǎn)化為熱量用于分解或氣化材料[5]。在LTCC中，導(dǎo)通電路的基本上是Au、Ag或Cu等金屬材料。這類金屬材料對CO2激光的吸收率較低，以Au為例，其對CO2激光的吸收率僅為0.017。再者，金屬材料導(dǎo)熱率較高，不利于能量聚集，增大切割難度。圖8給出了LTCC切割處有無金屬導(dǎo)體的切縫斷面形貌比較。從圖中可以看出，當(dāng)切縫處無金屬導(dǎo)體時，切面光滑而且均一。但是，對于切縫處存在垂直互聯(lián)孔及內(nèi)層電路時，切面發(fā)黑，不再光滑均一。對于垂直互聯(lián)金屬孔，由于其深度較大，對激光的發(fā)射較大，激光能量容易在孔上方聚集而使得孔上方產(chǎn)生孔洞。當(dāng)金屬材料通過熱傳導(dǎo)獲得能量，自身狀態(tài)發(fā)生改變時，其對激光的吸收率增大，進(jìn)而可以進(jìn)行激光切割。而金屬材料的熔融容易導(dǎo)致粗糙的切割斷面和較差的切割質(zhì)量。而對于內(nèi)層電路，雖然對激光有阻擋作用，但是由于其厚度很低（一般為8 μm），阻擋作用有限。因此，在LTCC設(shè)計的切割過程中，應(yīng)盡量避開金屬導(dǎo)體，特別是金屬互聯(lián)孔。
圖8 切割處有無金屬導(dǎo)體切縫斷面形貌比較
2.5 激光切割熱效應(yīng)的影響
在CO2激光切割LTCC基板的過程中，基板吸收激光能量導(dǎo)致材料的汽化和熔化，在切縫的周圍不可避免地受激光加工熱效應(yīng)的影響。隨著LTCC設(shè)計的密度越來越高以及組裝互聯(lián)的要求，次產(chǎn)品電纜連接器，其雙組份密封膠灌封合格率達(dá)到96.3%。進(jìn)一步對灌封缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計，“有氣孔”占缺陷總數(shù)的11.1%，已是影響連接器雙組份密封膠灌封質(zhì)量的次要因素，充分說明改進(jìn)活動是有效的。本文通過試驗尋找到攪拌膠液的最優(yōu)參數(shù)組合，適用于今后其他多組份膠的配制過程，具有積極的推廣意義。
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