氮化鋁陶瓷是一種性能優(yōu)異的陶瓷材料，具有硬度高、禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高以及電阻率高等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為微電子器件制造等領(lǐng)域的理想材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、5G 通信和大功率半導(dǎo)體等領(lǐng)域。

攝于旭瓷北瓷展臺

高密度的微孔陣列是微電子器件的核心結(jié)構(gòu)之一，其提供了高密度的內(nèi)部電路互連。氮化鋁陶瓷基板的微孔加工質(zhì)量對微電子器件的性能起到重要的作用。氮化鋁陶瓷是一種典型的硬脆材料，目前主要有機械加工、化學(xué)刻蝕和等離子體加工等方法。

機械加工使用的微型鉆頭極易造成陶瓷基板的斷裂，化學(xué)刻蝕和等離子體加工等特殊加工方式存在加工設(shè)備復(fù)雜和加工效率低等問題。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，飛秒激光因其熱效應(yīng)低、精度高、非接觸加工和加工路徑可控等優(yōu)點成為氮化鋁陶瓷硬脆材料打孔的優(yōu)良工具。

圖 激光切割機 來源：德中技術(shù)

激光打孔是將極高能量密度的激光聚焦在陶瓷材料表面，以燒蝕的方式去除材料，然而加工出的盲孔會存在諸如熔濺物堆積、重鑄層附著、孔彎曲以及孔底分叉等缺陷。相比于空氣環(huán)境下的激光燒蝕，液體環(huán)境中的激光加工因其產(chǎn)生液體沖擊等效應(yīng)具有潛在優(yōu)勢。

實驗在優(yōu)化后的盲孔激光加工參數(shù)基礎(chǔ)上，通過引入液體輔助加工技術(shù)探究提高飛秒激光直沖式盲孔加工質(zhì)量的可行性。

1 實驗材料和裝置

氮化鋁陶瓷是一種灰白色的硬脆陶瓷材料，實驗中使用的由氮化鋁粉末燒制而成。實驗使用的飛秒激光直寫系統(tǒng)主要由飛秒激光、光束調(diào)制系統(tǒng)和三維運動系統(tǒng)組成。

由于所使用的激光為紅外飛秒激光，輔助加工液體對紅外激光的吸收程度較高，故液層的厚度需要控制在相對較小的范圍之內(nèi)�？紤]到較小厚度的液層控制難度較高，故需要單獨的輔助加工系統(tǒng)對液層厚度進(jìn)行控制，液體輔助加工系統(tǒng)如圖 1 所示。

圖1 液體輔助加工系統(tǒng)

液體會吸收部分激光能量，如果液層厚度過大，激光能量將會被液體完全吸收從而不會對氮化鋁陶瓷形成有效燒蝕。在實驗中發(fā)現(xiàn)，0.3mm 厚度的液層在保證了對激光加工起到輔助作用的同時還能盡可能的降低對激光能量的吸收。

為防止被激光加工后表面產(chǎn)生的雜質(zhì)影響，對加工后的表面依次使用無水乙醇和去離子水進(jìn)行超聲清洗并烘干備用。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 不同加工環(huán)境對盲孔尺寸的影響

圖 2 所示為不同加工環(huán)境對飛秒激光氮化鋁陶瓷直沖式盲孔加工的影響。

由圖 2(a) 可知，在液體輔助的加工環(huán)境下的盲孔孔口直徑普遍大于在空氣中直接加工的盲孔。在液體環(huán)境的輔助作用下，阻礙激光加工的因素均得到不同程度的抑制，液體的加工環(huán)境和其自帶的冷卻作用會進(jìn)一步抑制高溫等離子體對激光加工的影響，從而使更多的激光能量被直接作用于孔口，孔口直徑變大。

不同的加工環(huán)境不僅影響孔口直徑，還影響盲孔深度。圖 2(b) 所示為不同加工環(huán)境對盲孔孔深的影響。由圖可知在不同的加工環(huán)境下，盲孔的孔深均隨著脈沖數(shù)的增大而增大，直至孔深增大速率減慢，孔深趨于定值。在液體輔助加工的條件下，激光穿透液體時會有部分激光能量被液體吸收，從而使得作用在氮化鋁陶瓷表面的能量有所減少，降低了盲孔的深度。

2.2 不同加工環(huán)境對盲孔孔口形貌的影響

當(dāng)脈沖數(shù)較高時，激光與液體的作用時間延長，產(chǎn)生的微氣泡數(shù)量增多，微氣泡的輔助作用持續(xù)時間增長，可以及時去除加工熔濺物。同時，較長的加工時間，使得激光在液體中發(fā)生了自聚焦現(xiàn)象，從而使得盲孔得到了一定的孔形修正，最終使得盲孔在孔口直徑增大的同時趨于圓形。

圖 3 不同加工環(huán)境對盲孔孔口形貌的影響

2.3 不同加工環(huán)境對盲孔側(cè)壁形貌的影響

在液體環(huán)境中加工時，由于液體能吸收激光及激光能量，使得作用在氮化鋁陶瓷上的激光能量大大減少，最終導(dǎo)致盲孔孔深減小。

圖 4 不同加工環(huán)境對盲孔側(cè)壁形貌的影響

綜上可得：在加工質(zhì)量方面，75% 乙醇溶液和鹽酸乙醇混合溶液輔助加工的盲孔具有孔形趨于圓形、孔口無熔濺物堆積、側(cè)壁無重鑄層附著、內(nèi)壁無組織分區(qū)以及孔底無分叉等優(yōu)勢，相較于在空氣中和純水中加工的盲孔質(zhì)量更為優(yōu)秀；在加工效率方面，受到所使用的激光種類的影響，液體輔助加工中液層的厚度難以精準(zhǔn)控制，溶液種類和配比的選擇較為麻煩，加工后的液體需要經(jīng)常更換以保證成分比例的精準(zhǔn)，影響加工效率，因此在空氣中加工效率更高。

3 結(jié)語

為改善飛秒激光直沖式盲孔加工的質(zhì)量，課題組進(jìn)行了 3 種液體輔助激光加工技術(shù)的實驗。通過實驗研究得到以下結(jié)果:

1) 在盲孔尺寸方面，由于輔助液體吸收激光能量等因素的影響，導(dǎo)致了在液體環(huán)境與在空氣中加工的盲孔尺寸有所變化，但是其整體的變化趨勢并未受到加工環(huán)境的影響。

2) 在盲孔形貌方面，在液體環(huán)境中加工的盲孔比在空氣中加工的盲孔孔口形狀更趨于圓形，孔口和側(cè)壁的形貌質(zhì)量較高，尤其在鹽酸乙醇混合溶液中效果更佳。

實驗表明液體輔助激光加工可以改善氮化鋁陶瓷盲孔的加工質(zhì)量，具有一定的應(yīng)用價值，未來可以在液體種類和液層厚度控制等方面繼續(xù)探索，以優(yōu)化液體輔助激光盲孔加工技術(shù)。

轉(zhuǎn)自：艾邦陶瓷展

參考文獻(xiàn)：DOI: 10.3969/j.issn.1005-2895.2023.06.012

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