对局部加热的目标材料的激光加工制造技术

一种方法和激光系统，其通过以光束（２８）形式向工件的目标位置（１６）施加热能以升高其温度同时维持其尺寸稳定度，来从工件（２０）快速去除材料。当工件的目标部分被加热时，激光束（１２）被引导照射到加热的目标位置上。激光束优选地具有适合从工件去除目标材料的加工激光器输出。加工激光器输出和加热能在目标位置上的组合入射使得加工激光器输出去除目标材料部分的材料去除速率，高于目标材料没有被加热时能达到的材料去除速率。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及激光加工局部加热的工件，具体地，涉及一种系统和方法，该系统和方法通过提高工件上目标位置的温度从而提高目标材料去除速率和工件生产速度。
技术介绍
激光加工可以利用不同的激光进行不同的过程从而在若干不同的工件上执行。与本专利技术相关的所要讨论的激光加工的特定类型是激光加工单层或多层工件以形成孔口和/或孔，和激光加工半导体晶片以切割晶片。关于激光加工多层工件中的孔和/或孔口，Owen等人的美国专利第5593606和5841099号描述了操作紫外线(UV)激光系统以产生激光器输出脉冲，特征在于激光参数组能够在多层器件中形成不同材料类型材料的两个或更多层的通孔或盲孔。激光系统包括非准分子激光器，该激光器以大于200赫兹的脉冲重复频率发射激光器输出脉冲，该激光器输出脉冲具有小于100纳秒的瞬时脉宽、直径小于100微米的光斑区域或面积、以及在光斑区域上的大于100毫瓦的平均强度或辐照度。认为优选的非准分子UV激光器是二极管抽运固态(DPSS)激光器。公开的Dunsky等人的美国专利申请US/2002/0185474描述了一种方法，该方法操作脉冲CO2激光系统从而产生激光器输出脉冲，该脉冲在多层器件的介电层中形成盲孔。该激光系统以大于200赫兹的脉冲重复频率发射激光器输出脉冲，该脉冲具有小于200纳秒的瞬时脉宽和直径在50微米和300微米之间的光斑区域。目标材料的激光烧蚀，特别是在使用UV DPSS激光器时，取决于导向目标材料的激光器输出，该激光器输出具有的能流密度或能量密度大于目标材料的烧蚀阈值。UV激光器发射的激光器输出可以被聚焦从而能以1/e2的直径具有在大约10微米和大约30微米之间的光斑尺寸。在某些情形下，该光斑尺寸小于所需的孔径，例如当所需的孔径在大约50微米和300微米之间时。可以扩大光斑尺寸的直径使其具有与所需的孔的直径相同的直径，但这种扩大会减小激光器输出的能量密度使其小于目标材料的烧蚀阈值，从而不能去除目标材料。因此，利用10微米到30微米的聚焦光斑尺寸，而且通常以螺旋线、同心圆、或“圆盘(trepan)”的图案移动聚焦的激光器输出来形成具有所需直径的孔。盘旋加工、钻孔(trepanning)加工和同心圆加工都是称为非冲孔的成孔工艺类型。对于直径大约为50微米或更小的孔，直接冲孔会提供更高的成孔产量。与之相比的是，脉冲CO2激光器的输出通常大于50微米，并能保持足够的能量密度以在常规目标材料上形成直径为50微米或更大的孔。因此，当使用CO2激光来成孔时，通常利用冲孔工艺。然而，光斑区域直径小于50微米的孔不能用CO2激光来形成。在CO2波长处铜的高反射率使得在厚度大于约5微米的铜板中用CO2激光形成通孔非常困难。这样，CO2激光通常用来只在这样的铜板中形成通孔，即，铜板具有的厚度在大约3微米和大约5微米之间，或者铜板被表面处理过以增强对CO2激光能的吸收。用于制造多层结构的最常用的材料通常包括金属(例如，铜)和介电材料(例如，聚合物聚酰亚胺、树脂、或FR-4)，所述多层结构用于在其中形成孔的印制电路板(PCB)和电子封装器件。UV波长处的激光能呈现与金属或介电材料的良好的耦合效率，因此UV激光可以方便地在铜板和介电材料上成孔。而且，对聚合物材料的UV激光加工被广泛地认为是结合光化学和光热的工艺，其中UV激光器输出通过由光子激发的化学反应而断开其分子键来部分烧蚀聚合物材料，从而与介电材料暴露于更长激光波长时发生的光热工艺相比，产生较高的工艺质量。基于这些原因，固态UV激光器是用于加工这些材料的优选的激光源。电介质和金属材料的CO2激光加工和金属的UV激光加工主要是光热过程，其中介电或金属材料吸收激光能，使得材料温度升高、变软或熔化，并最终烧蚀、气化或吹走。对于给定的材料类型，烧蚀速率和成孔产量是激光能量密度(激光能(J)除以光斑尺寸的平方(cm2))、功率密度(激光能(J)除以光斑尺寸的平方(cm2)除以脉宽(秒))、激光波长、和脉冲重复频率的函数。这样，激光加工的产量，例如，在PCB或其它电子封装器件上的成孔或在金属或其它材料上的钻孔，会被可用的激光功率强度和脉冲重复频率，以及光束定位器以螺旋线、同心圆、或圆盘图案移动以及在孔位置之间移动的速度所限制。UV DPSS激光器的一个实例是由位于加利福尼亚州Mountain View的光波公司(Lgihtwave Electronics)出售的Model LWE Q302(355纳米)激光器。这种激光器用于Model 5310激光系统或由位于俄勒冈州Portland的电子科学工业公司(Electro-Scientific Industries，Inc.)即本专利申请的受让人所生产的其系列产品中的其它激光系统。该激光器能够以30千赫的脉冲重复频率传递8瓦的UV功率。这种激光器和系统通常的成孔产量是在裸树脂上每秒产生大约600个孔。脉冲CO2激光器的一个实例是由位于康涅狄格州Bloomfield的Coherent-DEOS公司售出的Model Q3000(9.3微米)激光器。这种激光器用于Model 5385激光系统或由位于俄勒冈州Portland的电子科学工业公司所生产的其系列中的其它激光系统。这种激光器能以60千赫的脉冲重复频率传递18瓦的激光功率。这种激光器和系统通常的成孔产量是在裸树脂上每秒产生大约1000个孔，而在FR-4上每秒钟产生250-300个孔。可以通过增加脉冲激光能和脉冲重复频率来实现成孔产量的提高。然而，对于UV DPSS激光器和脉冲CO2激光器而言，会有一些由脉冲激光能和脉冲重复频率能够增加的数量所引起的实际问题。而且，随着脉冲激光能的增加，损害激光谐振器内部或外部的光学元件的风险就增加。修复损坏的这些光学元件特别费时且昂贵。而且，能以脉冲高激光能或高脉冲重复频率工作的激光器通常非常昂贵。关于切割半导体晶片，有两种常用的切割方法机械锯切和激光切割。机械锯切通常包括利用钻石锯来割分厚度大于约150微米的晶片，从而形成宽度大于约100微米的行距。机械锯切厚度小于约100微米的晶片会导致晶片的破裂。激光切割通常包括利用脉冲IR、绿光、或UV激光器来切割半导体晶片。激光切割与机械锯切半导体晶片相比具有若干优点，例如在利用UV激光器时能够将行距的宽度减小到大约50微米，能够沿着弯曲的轨迹切割晶片，以及能够有效切割比用机械锯切进行切割的更薄的硅晶片。例如，厚度大约75微米的硅晶片可以用DPSS UV激光器进行切割，该激光器在大约8瓦的功率和大约30千赫的脉冲重复频率下以120毫米/秒钟的切割速率工作，从而形成宽度大约为35微米的切槽。然而，激光切割半导体晶片的一个缺点就是会形成碎屑和熔渣，这两者都附到晶片上并且很难去除。激光切割半导体晶片的另一个缺点就是工件的生产速率受到激光功率能力的限制。因此需要一种方法和激光系统以高生产速率来对工件进行高速激光加工，从而利用UV、绿光、IR和CO2激光器形成孔和/或孔口，并利用UV、绿光、和IR激光器高效并准确地切割半导体晶片。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的就是提供一种方法和激光系统，以改进下述过程的速度和/或效率，即，(1)在单层和多层工件中激光加工孔和/或孔口，和(2)切本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用激光器输出从工件的目标材料位置快速去除目标材料的方法，所述激光器输出以一材料去除速率去除一部分目标材料，所述目标材料的特征由温度和尺寸稳定性来表示，该方法包括：　以光束的形式向所述目标材料位置施加热能以升高其温度，同时保持所 述目标材料的尺寸稳定性；和引导加工激光器输出入射到所述目标材料位置上，该激光器输出的特征是波长、光束光斑尺寸、脉冲能量、脉宽、和脉冲重复频率结合起来适于去除所述目标材料，所述加工激光器输出和所述加热能组合入射到所述目标材料位置上，使 得所述加工激光器输出以高于没有加热能时所达到的材料去除速率的材料去除速率来去除一部分所述目标材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y孙，L金娇，RS哈里斯，P苏布拉马尼扬，RF海恩希，W陆，
申请(专利权)人：电子科学工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]