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CO2激光（guāng）切割LTCC基板工藝技（jì）術研究

2016-10-12 來源：中國電子科技集團公司（sī）第三十八研究作者：王運龍，宋夏，邱穎霞（xiá），王誌勤

摘要：針對LTCC基（jī）板進行CO2激光切割實驗研究。分析激光功率、激（jī）光頻率、切割速度及輔助（zhù）氣體壓力等參數對切割寬度、深度及飛濺物的影響（xiǎng）。闡述了LTCC中金屬導體對切（qiē）割的阻（zǔ）礙作用以及CO2激（jī）光的熱（rè）效應對LTCC表層導（dǎo）體形貌及附著力的影響。

關鍵詞（cí）：CO2激光；LTCC基板；切割

低溫共燒陶瓷（cí）（Low Temperature Co-firedCeramics，LTCC）采用低溫（wēn）燒結陶瓷生料帶（dài）為電（diàn）介質層（céng），Au、Ag或Cu等高電導率的金屬為導電材料（liào），通過在生料帶上先打孔，然（rán）後進行導（dǎo）體填孔和表麵電路印刷，經疊片和層壓實現多層印刷電路圖形（xíng）的立體累加和互聯（lián），最後在低於900 ℃的（de）溫度條件下可（kě）燒結製成三維空間高密度電（diàn）路基板[1]。LTCC技術結合了電子電（diàn）路厚膜技術和金（jīn）屬導體-陶瓷（cí）共燒技術，基板燒製溫度低，呈現優異的高頻高Q 特性，傳輸損耗低，具有較好的溫（wēn）度特性，可實現無源元件埋置，產品集成密度高，易於實現多（duō）層布線與（yǔ）封裝的一體化結構[2]。由於（yú）LTCC優（yōu）異（yì）的性能（néng），目（mù）前已被廣泛應用於通信、射頻/微波領域、相控陣（zhèn）雷（léi）達的T/R模塊等模塊中。

通常情況下，為了提高生產效率，LTCC是在較大的（de）生瓷帶（如20.32 cm生瓷片）上同時製備若幹（gàn）個相同的電路單元，所以經過燒結製成的基（jī）板需要對大片電路進行切割使之成為每（měi）隻獨立的電路單元。外形切（qiē）割基本（běn）上是LTCC工藝過程的最後工序，其切割質量和效率直接決（jué）定著LTCC的成品率（lǜ）和產量。另外，對於複雜外形結構（gòu）的LTCC產品，外（wài）形切割的作用顯得更加重要（yào）。LTCC主要成分為陶瓷介質。由於陶瓷是由共價鍵、離子鍵或兩者（zhě）混合的化學鍵結合的（de）物（wù）質，在（zài）常溫下對剪應力的變形阻力很大，且硬度高；並且陶瓷晶體離子間由化學鍵（jiàn）結合而成，大，又使陶瓷有很大脆性（xìng）。因此（cǐ），LTCC基板材料的高硬度及（jí）脆性使其可加工性很差，即使有很小的應力集中現象也很容易被（bèi）破壞。

LTCC基（jī）板切割（gē）可采取機械（xiè）砂輪（lún）磨削劃切和激光劃切。機械砂（shā）輪劃切采（cǎi）用高速轉（zhuǎn）動的砂輪對陶（táo）瓷進行磨削加工[3]。由於陶瓷硬度高，刀具磨損量大，磨削效率低；再者由於是接觸加工，陶瓷材料在（zài）磨削過程中很容易破裂，致使廢品率增大。另外，砂輪劃切隻能進行直線劃切，對於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、相幹（gàn）性好和高亮度的特征，理論上可（kě）以加工任何高硬度高致密的物質[4]。采用（yòng）非接觸式的切割方式，不存在刀具（jù）磨損，可以（yǐ）加工任意形狀。但激光對材料的加工是一個非常複雜的過程，較小功率的激光切割效率很低，而大功率（lǜ）激光加（jiā）工的（de）熱效應（yīng）明顯（xiǎn），存在著熔融凝固層缺陷和（hé）裂紋的問題。本文應用150 W的CO2激光，針對FerroA6M LTCC基板進行（háng）激光切（qiē）割工藝研究，分析工藝參數對LTCC切割寬度、深度及飛濺物的影響規律。對LTCC基（jī）板外形加工成型（xíng）具（jù）有一定的借鑒作用。

1. 實驗材料與設備

實驗用LTCC材料（liào）選擇FerroA6M，基板厚度（dù）約（yuē）0.96 mm，密度（dù）約2.45 g/cm3，熱膨脹係數7×10-6/℃，熱導率2 W/(m·K)，楊氏模量92 GPa。激光（guāng）器（qì）選用150 W CO2激光（guāng）器，激光波長10.6 μm，采用TEM模（mó）式（shì）。以（yǐ）脈衝（chōng）輸出為工作方式，同軸輔（fǔ）助壓縮空氣（qì）為工（gōng）作（zuò）氣（qì）氛（fēn），最高氣體壓力0.2 MPa，采（cǎi）用同軸吹氣，噴嘴直徑（jìng）1.5 mm，聚焦鏡焦距100 mm。激光劃片時焦點（diǎn）位置位於試樣表麵，使其達到熔融狀態（tài），進而汽（qì）化形（xíng）成圓坑。激光束在計算機（jī）的控製下（xià）產生移動，從而使圓坑部分重疊，在LTCC表麵形成連續的刻槽。通（tōng）過改變激光加（jiā）工參數（shù）、加工速率和吹氣壓力，進行劃片實驗（yàn）。用白光幹涉儀（yí）測出（chū）試樣的（de）一維（wéi）表麵形貌曲線，分（fèn）析切割質量。

2 .實驗結（jié）果與分析

2.1 激光參數（shù）的（de）影響

如圖1所示，實驗中設定激光重複頻率0.3 kHz，切割速度1 mm/s，氣體壓（yā）力水平50%，激光功率水平從3%改變（biàn）至36%，測得相應（yīng）的切縫深度和（hé）切割寬度。激光平均功率對切割深度和切縫寬度有明（míng）顯影響在其他（tā）參數固定（dìng）不變時，切縫（féng）寬度（dù）和切割深度隨著激光功率的增加而增大。當激光輸出功率增大時（shí），使單位時間內材料獲得的能（néng）量增加，切割深度隨之增（zēng）加（jiā），當輸出功率水平達到20%左右時，試樣被完全切穿。此外，隨著功率水平（píng）的增大，熱（rè）影響區也變大，處（chù）於材料破壞閾值之上的能量所對應的寬（kuān）度增大，表現為切縫寬度的增加。值得注意的是，在試樣未被切穿的情況下，切縫寬度基本呈現線（xiàn）性增大的趨勢（shì），而當試樣被完全切穿時，切縫寬度雖然隨著能量的增大（dà）而增大，但是增大的趨勢降低，激光能量水平的（de）影響作用降低。在試樣未切（qiē）穿和切穿（chuān）之間，切縫（féng）寬度變化較大。對於表麵的飛濺物，激光能量水平的影響主要是通過試樣是（shì）否被完全切穿體現的。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隻能在氣流的帶（dài）動下通過試樣的上表（biǎo）麵排出，容易在切縫（féng）的邊緣沉積形成飛濺物（wù）。而當試樣被完全切穿時，氣流帶動熔融和汽（qì）化的陶瓷通過試樣的（de）下表麵（miàn）直接排出，表麵飛濺物較少。另外，較高的激光能量增大材（cái）料（liào）汽化比例，同樣會使得表麵飛（fēi）濺物含量降低。在以下的試驗及分析中（zhōng），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（hé）30%。在分別設定激（jī）光功率水平為12%和30%，其他參（cān）數不變的情況下，如圖2和圖（tú）3所示，激光重複頻率從0.1 kHz改變（biàn）至0.7

圖1　不同激光功率水平加（jiā）工條件下（xià）試樣的

一維表麵形（xíng）貌曲線（xiàn）及切縫（féng）寬度

kHz，測（cè）得相應的切縫深度和切割寬（kuān）度。激光功率水平為30%的條件下，改變激（jī）光重複頻率，試（shì）樣均被完全（quán）切穿。切縫寬度基本在0.35±0.03 mm，雖然（rán）隨著重複（fù）頻率的變化，切縫寬度有所變（biàn）化，但變（biàn）化較小。可見在試樣（yàng）被切穿的情況下，重複頻率對切縫寬度和深度（dù）影響較（jiào）小。激光功率水平為12%的條件下，改變激光重（chóng）複頻率，試樣均未被完全切穿。切（qiē）縫深度隨著頻率的增大（dà）呈現的變（biàn）化趨勢較（jiào）為複雜，而切縫寬度則在一直減小。通常而言，在固定其他參數的（de）條件下，重複頻（pín）率越高，峰（fēng）值功率越（yuè）小（xiǎo），單脈衝與材料（liào）作用的能量越小，影響區越小，切縫寬度也就越小。所以，隨著頻率的增大，切縫寬度降低。但（dàn）是，重複頻率越高，激光平均輸（shū）出功率增大。當重複頻率較低時，雖然平均功率很低（dī），但（dàn）脈衝的峰值功（gōng）率很高，激（jī）光束（shù）能（néng）夠使被加工材料快速汽化，材料汽化比例高，表麵飛濺物較少，會獲得較大的切割深（shēn）度。而隨著（zhe）重複頻率的上升，脈衝峰值功率降低，材（cái）料汽化比例降低，飛濺物增大（dà），切割（gē）深度降低。當重複頻率繼續上升時，雖然（rán）脈衝峰值功率處於較低水平，但輸出的平均功率（lǜ）增（zēng）加較為明顯，因此切割深度（dù）增大。進一步（bù）增大重複頻率，激光脈衝峰值功率進一步降低，材料汽（qì）化難度最大，而輸出的平均功率增加（jiā）有限，飛濺物比例更高，切割深（shēn）度則呈現降低趨勢。

2.2 切割速度的影響

切割速（sù）度的變化（huà）意味著激光與材料相互作用的時間變化，使材料在單位麵積上得到的（de）激光能量發生改變。如圖4和圖5所示，設定激光功率水平為12%和30%，其他參數不變的情況下（xià），切割速度從0.5 mm/s改變至3.5 mm/s，測得相應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（liào）在單位麵積上得到的能量越少。試樣從切穿狀態向未切穿狀態轉變，切縫

圖2　30%激光功（gōng）率水平條件（jiàn）下（xià），不同激光（guāng）頻率（lǜ）對試樣的一維表麵

圖3　12%激光功率水平條件下，不同激光頻率（lǜ）對試樣（yàng）的一（yī）維表麵

形貌曲線及切縫（féng）寬度的影響

深度（dù）逐漸降低。在（zài）較高（gāo）能量狀態下，切縫寬度主要受激光平均能量影響。當切割速度較低時，激光與材料的作用時間過長，影（yǐng）響範圍過大，使得（dé）切縫周圍的材料也被熔化或（huò）氣（qì）化，導致切縫較寬，隨著速度的增加，材料接受激光減少，影響範圍降（jiàng）低，切縫寬度降低。在12%功率水平條件下，隨著切割（gē）速度的增（zēng）大，切縫深度同（tóng）樣呈現降低趨勢。由（yóu）於在較（jiào）低能量狀態（tài）下，切縫寬度主要（yào）受激光峰值功率影響。改變激光（guāng）掃描速度不能使脈衝（chōng）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（sù）度對試樣的一維表麵形貌

曲線及切縫寬度的影響

2.3 輔助氣體壓力的影響（xiǎng）

激光切割中（zhōng）最常用的（de）輔助介質是（shì）氣體，一（yī）般采用與激光束（shù）同軸（zhóu）的（de）形式噴出，直接作用在（zài）切割處。圖6和圖（tú）7給出了激光功率（lǜ）水（shuǐ）平分別為12%和30%，其他參數不變（biàn）的情況下，輔（fǔ）助氣體壓力對切縫（féng）深度、切割（gē）寬度及表（biǎo）麵飛濺物的影響。激（jī）光功率水平（píng）為30%的條件下，增（zēng）大輔助氣體的壓力水平，試樣均被完全切穿。切縫寬度先增大後降低（dī）。輔助氣體一方麵（miàn）可以將熔融或（huò）氣化的材料噴出（chū），同時也將（jiāng）切割熱量帶（dài）走（zǒu）。

圖5　12%激光功（gōng）率水平條件下，切（qiē）割速度對試樣的一維表麵形貌

曲線及切縫（féng）寬度的（de）影響

在較低（dī）的（de）氣體（tǐ）壓力條件下，氣體輔助（zhù）熔融或氣化的材料（liào）噴出的能力較低，氣（qì）場分布作用區域較小，從（cóng）而切縫較小。熔渣不能及時帶走，切割表麵飛濺物較多。隨（suí）著氣體壓力的增大（dà），氣體作用（yòng）區域（yù）增大，切縫有所增（zēng）大。但是，隨著氣體壓力的進一步增大，氣體的冷卻作用明顯，熔渣易在切割表明堆積，切（qiē）縫寬度降低。表麵的飛濺物水平在適中的氣體壓力下達到最小。激光功率水（shuǐ）平為12%的條（tiáo）件下，改變氣體的作用（yòng）壓力，試樣切割深度先增大後降低。這是由於（yú）氣體壓（yā）力較（jiào）小，帶走熔融或氣化的材料的能力有限，而在較（jiào）高的氣體壓力下，氣體的冷卻作用明顯。因此（cǐ）在適中（zhōng）的氣體壓力（lì）下具有較大的切割（gē）深度。對於切縫寬度，主要受峰值功率和切割深度的影響。由於氣體的壓力對（duì）激光光斑和峰值能量影（yǐng）響不大，因此切縫寬度則與切割深度的變化趨勢相（xiàng）反，呈現先降低後（hòu）增（zēng）大的趨勢。

2.4 導電金屬的影響

LTCC主要介質（zhì）層為陶瓷材料，其主要成分（fèn）為氧化鋁陶瓷。單一的這種陶瓷材料，熱導率較低，對波長為10.6 μm的CO2激光有很高的吸收率，在一（yī）些CO2激（jī）光切割非金屬材料理論模型中（zhōng）通常假設所

圖6　30%激光功率水平條件下，吹氣壓力水平對試樣的一（yī）維表麵

形貌曲線及切（qiē）縫寬度的影響

圖7　12%激（jī）光（guāng）功率水平條件下，吹氣壓（yā）力水平（píng）對試樣的一維表麵（miàn）

形貌曲線（xiàn）及切（qiē）縫寬度的影響

有的激（jī）光能量（liàng）都被材（cái）料吸收，並轉化為熱（rè）量用於分（fèn）解或氣化材（cái）料[5]。在LTCC中，導通電路的基本上是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（yǐ）Au為例，其（qí）對（duì）CO2激光的吸收率僅為0.017。再者，金屬材料導（dǎo）熱率（lǜ）較高，不（bú）利於能量聚集，增大切割難度。圖8給出了LTCC切割（gē）處有（yǒu）無金屬導體的切縫斷麵形貌比較。從圖中可以看（kàn）出，當切縫處無金屬導體時，切麵光滑而且（qiě）均一。但是，對於切（qiē）縫（féng）處存在垂直互（hù）聯（lián）孔及（jí）內（nèi）層電路時（shí），切麵發黑，不再光（guāng）滑均一。對於垂直互（hù）聯金屬孔，由於其深度較大，對激光的發射較大，激光能量容易在孔上方聚集而使得孔上方產生孔洞。當金屬材料通過熱傳導獲得能量（liàng），自身狀態發生改變時，其對激光的吸收率（lǜ）增大，進而可以進行激光切割（gē）。而（ér）金屬材料的熔融容易導致粗（cū）糙的切割斷麵和較差的切割質量。而（ér）對於內層電（diàn）路，雖然對激光有阻擋作用，但是由於其厚（hòu）度很低（一般為8 μm），阻擋作用有限（xiàn）。因此，在LTCC設（shè）計的切割過程中，應盡量（liàng）避開金屬導體，特別是金屬互聯孔。

圖8　切割處有無金屬導體（tǐ）切縫斷麵形貌比較

2.5 激光切割熱效應的影響

在CO2激光切割LTCC基板的（de）過程（chéng）中，基板吸收激光能量導致材料的汽化和熔化，在切縫的周（zhōu）圍不可避免地受激光加工熱效應的影響。隨著LTCC設計的密度越來越（yuè）高以及組裝互聯的（de）要求，次產品電（diàn）纜（lǎn）連接器，其雙組份密封膠灌封合格率達到（dào）96.3%。進一步對灌（guàn）封缺陷（xiàn）進行了統（tǒng）計，“有氣孔”占缺陷（xiàn）總數的11.1%，已是影響連接器雙組份密封膠灌封質量的次要因（yīn）素（sù），充分說明改進活動是有效的。本（běn）文通過試驗尋找到攪（jiǎo）拌膠液的最優參數（shù）組合，適用於今後其他多組份膠的配製過程，具有積極的推廣意義。

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