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超快激光加工技術在3C領域中的應用

發布時間：2019-05-28 來源：元祿光電

如今，激光加工技術已經滲透到科學研究和工業生產的各個領域中。脈沖寬度小于10^-11s的超快激光加工作為精密加工中最為活躍的一支，其發展尤為引人注目。

隨著電子器件朝著精密化、微型化、柔性化的方向發展，新型電子器件對加工技術提出了更高的要求，超快激光加工技術的獨特優勢正吸引著研究人員不斷探索著其在電子制造領域的應用。

1超快激光隱形切割技術

隨著手機等智能設備功能的不斷完善，顯示屏幕的尺寸和形狀變得多樣化，全面屏更是成為屏幕發展的主流方向。為了預留元件空間及減少碎屏的可能，屏幕非直角切割變得十分必要。超快激光隱形切割作為激光應力切割技術的延伸，可在透明材料內部誘發微小裂紋，微小裂紋在外力的引導下逐漸沿激光掃描路徑延展，實現透明材料的分離。

美國Spectra-Physics公司將超快激光與隱形切割技術結合，提出了ClearShape切割技術，可將激光對材料的影響區限制在微米量級。德國Rofin公司基于成絲機理發明的SmartCleave? FI工藝可以快速分離包括很小的加工轉彎角度在內的任意形狀的透明材料，切割玻璃的厚度范圍在100 μm到10 mm之間。

2 超快激光直寫技術

隨著對電子器件小型化與靈活性要求越來越高，催生了柔性電子這一新的應用領域。柔性AMOLED屏幕的驅動系統——柔性薄膜晶體管（thin film transistor, TFT），要求其溝道長度小于10 μm，微納米圖案化是溝道制造的核心。

超快激光直寫技術主要利用材料對超快激光的非線性吸收，在作用區域引發物理化學性能變化，通過控制光束掃描實現二維或三維成型加工。超快激光直寫技術不需要掩膜，其加工分辨率可達到納米量級，獨特的“冷”加工機制特別適合對耐熱性差的柔性有機材料進行微納結構加工。超快激光直寫還可用于微電路的制作，在敷銅層或鍍金層上直接加工出所需的圖案化線路，成為基于柔性有機聚合物基底的電子器件制造中具有獨特優勢的加工手段。

采用532 nm飛秒激光直寫聚酰亞胺（polyimide，PI）薄膜，通過碳化在PI薄膜上形成多孔碳結構，可用于制作柔性電子器件中具有儲能密度高、導電率高等優點的柔性超級電容，為可穿戴設備提供充足的能源供應。

3超快激光脈沖沉積技術

具有特定功能的薄膜材料是制造先進電子器件的基礎，而柔性電子對薄膜厚度和質量提出了更高的要求。

超快激光脈沖沉積技術因其高質量的薄膜生長能力而備受關注，超快激光的高功率密度特性可以使任何難熔性材料氣化，而超短脈沖特性又使得它與材料作用時產生的顆粒更加細小，因此在薄膜制備特別是高熔點材料的薄膜制備方面具有重要意義。

4超快激光剝離技術

隨著微型器件與大規模集成技術的發展，芯片的選擇性剝離與轉移逐漸成為芯片裝配與維修的關鍵技術。激光剝離技術（laser lift-off, LLO）是一種利用激光能量作用于材料交界面實現材料分離的技術，被廣泛應用在OLED屏幕制造工藝中。選擇性激光剝離技術（selective laser lift-off, SLLO）也開始應用于芯片的剝離與裝配，與傳統LLO技術不同，SLLO技術主要針對微小區域或結構單元進行剝離，更適用于微器件的更換與維修。

雖然目前將超快激光引入激光剝離尚屬探索性階段，但已有研究工作表明，鑒于超快激光的本征物理特性，超快激光剝離具有很強的局域約束性，幾乎不會產生熱效應而損傷電子器件其他非剝離功能層。

5超快激光誘導前向轉移技術

激光誘導前向轉移（laser induction front transfer, LIFT）技術是通過激光脈沖輻照透明基底表面的一層薄膜材料，將薄膜加熱到熔融狀態，以液態形式轉移到平行基底放置的受體表面。LIFT技術與LLO激光剝離技術相比，具有更高的選擇性，能快速沉積小尺寸圖形和微結構。而引入超快激光的激光誘導前向轉移技術可制作的圖形特征尺寸能夠達到微納米量級，已有報道采用飛秒激光誘導前向轉移技術制備可應用于微電器件的微米級銀導線。

此外，通過在薄膜材料與透明基底之間添加聚合物犧牲層，LIFT技術也可用于微電子機械系統（microelectromechanical systems, MEMS）的轉移與裝配。

6超快激光微孔制備技術

傳統的二維IC（integrated circuit, IC）芯片是在平面上集成一層半導體器件并通過引線鍵合連接，然而光刻尺寸、器件尺寸已經接近物理極限，摩爾定律正受到越來越多的挑戰。因此集成電路逐步呈現出以高密度互連技術為主體的積層化、多功能化特征，基于硅通孔（through silicon vias, TSV）互連的三維集成技術，將引發集成電路的根本性改變。

TSV技術中晶圓微孔制備是該技術的主要難點，超快激光制孔因其具有熱影響區小、邊緣熔渣少、適合加工脆硬材料等特點已逐漸成為微孔制備領域的熱點技術，應用于TSV中微孔的制備。三星公司公布的512 GB高密度閃存芯片中由48張晶圓疊層而成，晶圓厚度僅為40 μm，其 TSV的制作即由激光鉆孔完成。日本三菱機床有限公司開發出的深紫外皮秒激光加工系統，可以在0.1 mm 厚SiC上鉆出直徑10 μm的孔且邊緣光滑。采用皮秒激光可以在300 μm厚的玻璃上實現最小直徑48 μm的通孔。

7透明材料的超快激光微焊接技術

透明材料的微焊接技術是超快激光在電子封裝領域的另一大應用，使用透明材料作為集成和封裝的基底可以有效擴展器件使用功能，近年來在MEMS封裝中獲得廣泛運用。

美國 PolarOnyx公司使用飛秒光纖激光，在1 MHz高重復頻率脈沖下通過單線/多線熔化石英，實現玻璃的焊接及密封。使用紅外飛秒激光對環烯烴共聚物基片的微流控器件進行封裝實驗，使用0.6 MPa的流體壓力測試密封性，焊縫外無任何泄漏；該技術還被應用于石英玻璃和單晶硅異種材料的焊接。目前，華為、三星等公司已將超快激光技術用于最新OLED折疊屏手機透明基板的封裝以適應極為嚴格環境要求。

超快激光加工的主要發展趨勢包括以下4個方面：

1）探索超快激光與物質相互作用機制的系統認知和理解，建立激光與材料相互作用多尺度理論體系如分析模型和表達關系，從電子層面理解光場調控下超快激光加工的新現象和新效應；

2）開發由多種材料組合而成的功能層超快激光直寫、剝離、微焊接及封裝技術，并據此開展超快激光加工動態行為和在線監測反饋裝備研制及關鍵技術研究；

3）突破加工尺度制約，實現百毫米到幾納米跨尺度的高效超快激光加工技術；

4）全面拓展復合超快激光加工技術，實現多能量（激光+其他形式能量）復合、多方法（物理+化學）復合，發展高效率低缺陷超快激光復合加工技術。

總結

超快激光加工因其對材料的廣泛適用性，已成為特種材料加工的重要技術，但在超快激光系統成本、超快激光非線性作用調控等方面還存在著很多亟待解決的問題和改進之處。相信隨著對超快激光與材料作用機理更加深入的研究，對加工工藝與加工參數的不斷探索和優化，以及創新型原理和部件的開發與應用，超快激光加工技術必將突破一個個技術壁壘，在更為廣闊的高端制造領域產生巨大的經濟和應用價值。

推薦設備：超快激光加工系統