AlN基板激光加工工艺的研究

摘 要：本文介绍了AlN基板激光加工的原理，通过对不同工艺条件如：夹具、占空比、扫描速度进行研究，最终确定了AlN基板光纤激光加工的最优参数，成功制备出满足要求的AlN薄膜电路基板。

关键词：AlN基板，激光加工，占空比，扫描速度

在AlN陶瓷金属化孔制程中，普通机械方式加工过程存在较大应力，极易造成碎裂，激光作为一种柔性加工工艺，能大大提高AlN陶瓷加工的可行性及良率。本次试验采用高精密光纤激光机，通过调整优化光纤激光占空比、扫描速度等关键工艺参数，最终确定AlN基板激光加工工艺。

分析表明，当等离子云出现时，它首先是一个推动力，然后发生变化能量耗散，这时加工能力下降。材料吸收能量、等离子体云的状态和过程中空穴的作用，对光束的能量接收有决定作用。

1.. 占空比对加工质量的研究

激光加工通用工艺条件为：频率200Hz，扫描速度100mm/min，功率大约30W，氮气吹扫气压为0.45MPa，通过改变光纤激光器占空比从5%到35%，步长为 5%，此时光纤激光对于AlN基板的打孔状态有一定变化：

当光纤激光器占空比小于等于5%时，加工效果不佳没有形成通孔，这是由于当激光器功率较小时，激光器传递到材料表面的能量密度不够，无法改变AlN基板表面状态（由固态转向气态），来破坏材料阈值，因此打不穿AlN基板。当光纤激光器占空比大于等于10%时，激光器传播的能量逐步增大，才能将AlN基板表面状态转变，最终加工成质量较好的通孔。

光纤激光器占空比的不断增加，直接导致激光器功率的增加，能量会导致更多的AlN材料熔化、蒸发。同时氮气压力也发生作用，液体物质对孔壁的侵蚀，导致AlN基板下表面直径的不断增大。当激光能量聚集到临界点时，液相材料再次增大，导致孔内液相材料增多，槽内渣增多，这会促使大量残渣不能及时从出口取出。当光纤激光能量饱和时，将形成一个离子云洞，便于更好吸收上分的激光能量。在实际应用中，在一定的扫描速度和频率下，激光器的输出功率增加，材料与光纤激光器反应时能吸收更多的能量，加工时间越长，材料熔融增加。

2. 扫描速度对加工质量的研究

扫描速度通常表示激光加工速度，加工时主要需注意2方面内容：首先是宏观方面，观察激光切割道熔融状态、形状，表面是否平整;其次是微观方面，观察产品加工后的边缘质量，是否有变色，异物，烧焦等，以及产品性能参数。

激光加工工艺为：频率200Hz，功率大约30W，氮气吹扫气压为0.45MPa，激光器占空比10%，激光扫描速度范围设定在50mm/min到400mm/min之间，扫描速度的步进增长值为50mm/min，随着光纤激光扫描速度的增大，AlN基板上表面加工孔径却逐步减小，但是AlN基板下表面加工孔径却先减小后增大[2]。

扫描速度和加工效果成正比。光纤激光器在单位时间内作用于AlN基板表面的热能是恒定的，即AlN基板表面单位面积度内作用的光纤激光能量减少，AlN基板在光纤激光作用下的熔融因此变少，降温时间缩短。物质状态对比减小，打孔残渣能及时清除，损耗能量越来越少，有效激光能量越来越大;因为热传导引起的熔化和汽化物质，AlN基板上表面越平滑，上表面孔径越小。速度当增加到一定程度时，没有足够的时间将渣完全清除，造成孔洞不平整。

光纤激光器扫描速度低于200mm /min时，因光纤激光作用能量较大，所以熔融材料此时槽内的大量渣从AlN基板下表面被清除，但AlN基板下表面温度相对上表面较低，来不及清除的残渣也会在基板下表面凝固。因此光纤激光器扫描速度的增加，会导致AlN基板下表面直径先增大后减少，孔口出渣也越来越多也不光滑。但当扫描速度大于200mm /min后，在氮气吹扫的作用下，可以将少量的液体物料从出口中去除。

按上述方式进行实验验证，得出实验结果，见表所示：

5. 总结

由实验结果可知，AlN基板激光加工的最优工艺条件为：频率200Hz，扫描速度200mm/min，功率大约30W，氮气吹扫气压为0.45MPa，激光器占空比从10%到15%，该工艺条件下，AlN基板激光打孔后，孔壁及表面光滑，残渣较少易处理，孔径及锥度公差范围下，满足AlN基板激光打孔工序工艺质量要求。

参考文献

[1]张银江，方鸣岗.陶瓷激光精密打孔工艺研究[J].激光与红外，2001， 31（3）： 161-162

作者简介：聂源，男，1986.8.6，2009年本科毕業于成都理工大学，2020年硕士毕业于电子科技大学，集成电路工程，微细加工与MEMS技术方向。目前就职于成都亚光电子研究六所，担任工艺设备工程师。

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