（物理电子学专业论文）rf+co2激光陶瓷基板划片机的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 + 射频c 0 2 激光陶瓷划片机具有激光输出脉冲可调制、输出功率高、激光模式好、 加工效率高、结构紧凑、运行和维护费用低等优点。4 一 本文首先论证了激光陶瓷划片的可行性。分析了氧化铝陶瓷的理化性能及其难加 工的原因，提出了激光加工热稳定性和激光加工难易性的概念，建立了激光加工的理 论模型，同时分析了各种工艺参数的选择原则。 简述了陶瓷划片系统中的激光器系统、导光系统、控制系统等组成部分的功能及 性能特点。 设计了导光系统。分析了扩束镜、圆偏振镜、聚焦镜等导光系统的功能和设计原 则，给出了设计结果。重点讨论了伽利略离焦扩束望远镜，利用a b c d 分段计算法则， 推导了其最大扩柬比及远场发散角压缩比。最后用z e m a x 光学软件模拟了整个导光 系统的光路图，绘出了聚焦镜焦平面的光斑大小及能量、像差分布图。 设计了两种不同类型的射频激光调制器，分析了各自的电路组成和工作原理。 分析和讨论了激光划片的各种工艺参数，利用数值分析的方法模拟了各种工艺参 数对激光划片的影响。实际测量了重复频率、脉冲宽度、划片速度、保护气体压力、 r 离焦量对划片深度、宽度和热影响区的影响。i 实验证明，激光器的特性以及激光束和 、 材料相互作用过程的复杂性决定了刻槽深度、宽度和热影响区随工艺参数的变化并非 、 是简单的线性关系。j 关键词： r f c 0 2 激光器：激光陶瓷划片、光束质量、r f 激光调制器 ? 。| 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r fc 0 2l a s e rc e r a m i cs c r i b i n gm a c h i n eh a ss u c ha d v a n t a g e sa s h i g ho u t p u tp o w e r , b e i n gm o d u l a t e d ，h i g hq u a l i t ym o d e ，h i g hp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , c o m p a c t e dc o n f i g u r a t i o n ， l o w c o s tt oi m p l e m e n t ，o p e r a t ea n dm a i n t a i n i i lt h et h e s i st h e f e a s i b i l i t yo fl a s e rc e r a m i cs c r i b i n gi sp r o v e d t h ep h y s i c a la n d c h e m i c a l p e r f o r m a n c e o fe n g i n e e r i n gc e r a m i ca n dt h e c o u r s eo fi t si n c o n v e n i e n c e p r o c e s s i n ga r ea n a l y z e d t h ec o n c e p t i o no ft h e r m a ls t a b i l i t y ，d i f f i c u l t ya n df a c i l i t yo fl a s e r p r o c e s s i n gi sb r o u g h tf o r w a r d t h et h e o r e t i cm o d e l o fl a s e rp r o c e s s i n gi se s t a b l i s h e d ，f o r t h es a n l et i m e ，t h ec h o i c e p r i n c i p l eo f a l lk i n d st e c h n i q u e sp a r a m e t e r si sa n a l y z e d t h e c o m p o n e n t s f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo fc e r a m i cs c r i b i n gs y s t e m ，s u c ha sl a s e r s y s t e m ，b e a md e l i v e r ys y s t e m ，c o n t r o l l i n gs y s t e ma r ed e p i c t e d b e a m d e l i v e r ys y s t e mi sd e s i g n e d t h ef u n c t i o na n dd e s i g np r i n c i p l ea n do u t c o m eo f e x p a n d e rt e l e s c o p e ，c i r c u l a rp o l a r i z e r ，a n df o c u s i n g l e n sa r e a n a l y z e d ，t h e g a l i l e o d e f o c u s i n gt e l e s c o p i cs y s t e m i sp a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d b yw a yo f a b c d l a w ，t h ef o r m u l a o fu t m o s tb e a me x p a n d e r m a g n i f i c a t i o na n df a r - f i e l dd i v e r g e n c ec o n s t r i n g e n tp r o p o r t i o ni s o b t a i n e d f i n a l l yb y z e m a x o p t i c a ls o f t w a r e ，t h eo p t i c a lc i r c u i to f t h ed e l i v e r ys y s t e m ，t h e b e a ms i z ea n di t se n e r g y d i s t r i b u t i n gd i a g r a m s w e r e p l o t t e d t w od i f f e r e n tk i n d so fr fl a s e rm o d u l a t o r sa r ed e s i g n e d ，e a c he l e c t r i c a lc i r c u i ta n d p r i n c i p l eb e i n ga n a l y z e di n d e p e n d e n t l y b y n u m e r i c a ls i m u l a t e da n d e x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c e so ff a c t o r ss u c ha sf r e q u e n c yo f p u l s e ，p u l s ew i d t h ，s c r i b i n gs p e e d ，p r e s s u r eo f a s s i s t a n ta i ro nt h eq u a l i t yo fl a s e rs c r i b i n g w a si n v e s t i g a t e d w ec a nf i n dt h e s e ：o na c c o u n to f t h el a s e r sp e r f o r m a n c ea n dt h ei n t e r a c t c o m p l i c i t yo f l a s e rb e a mt oc e r a m i c ，t h ec h a n g e so f s c r i b i n gd e p t h ，w i d t ha n dh e a ta f f e c t e d z o n eo w i n gt ot h et e c h n i q u e s p a r a m e t e r sa r en o t as i m p l yl i n e a r r e l a t i o n s h i p k e y w o r d s ：r f c 0 2l a s e r l a s e rc e r a m i c s c r i b i n g b e a m q u a l i t y r f l a s e rm o d u l a t o r u 华中科技大学硕士学位论文 1 1 前言 1 综述 工程陶瓷材料( 以下简称陶瓷) 如s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 、s i c 、z r 0 2 等作为现代工程结 构材料三大支柱之一，因其高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、低密度、 低热膨账系数等诱人的特殊性能，在航空航天、汽车制造、微电子等工业中的应用越 来越广泛【“。其中高性能的氧化铝陶瓷基片因其硬度、强度、绝缘性、导热性等方面 的特殊性能，使其在电子工业中已大量用来作为i c 基板、多层陶瓷基板等，是i t 产 业的新宠。近年来，随着国家i t 产业的迅速发展，我国每年对氧化铝陶瓷基片的需 求量已超过1 0 0 万平方米，并以每年1 0 2 0 的幅度递增。据国家信息产业部统计 结果，至2 0 0 3 年国内氧化铝陶瓷基片的需求量将是现在的3 倍。需求创造市场，于 是在不到1 0 年的时间里，我国先后从日本、美国等国家引进了1 0 条“有机流延法氧 化铝陶瓷基片”生产线【2 1 。由于氧化铝陶瓷基片的使用形状日趋复杂，在陶瓷基片初 胚成形后进行划片、钻孔、切割等工作也更加重要。但氧化铝陶瓷材料的高硬度及其 脆性使得加工极为困难，严重地阻碍了氧化铝陶瓷材料的应用发展。因此，对陶瓷材 料的加工技术研究日益受到世界各国的重视。传统的氧化铝陶瓷的加工方法很多，常 用的有刻蚀法、金刚砂轮切割法、敷以磨料的高速旋转圆盘或钢丝切割法、超声波切 割法和金刚石划片法等。用上述各种方法切割a 1 2 0 3 陶瓷基片时，会出现很多问题。 例如，刻蚀法刻蚀速度慢，且随材料结晶方位而变，此外，能刻蚀的薄片厚度也有限。 金刚砂轮切割法的缝宽大，且在加工区附近材料的变质层大，这将严重影响材料的物 理性能。高速旋转圆盘敷以磨料切割时，对加工表面造成污染，且有加工精度不高， 切缝大等问题。超声波切割情况也是如此。金刚石划片速度快，设备简单，但其精度 差，切割边缘不易成直角，且加工表面破碎严重，生产成品率低1 3 】。所以从8 0 年代起， 国内外都在研究难加工材料的特种加工技术以提高加工效率。在2 0 世纪6 0 年代出现 的激光加工技术，由于具有非接触式加工、 加工速度快、能加工一些特殊型面等优点， 不会污染工件、没有切削力、热影响小、 所以在汽车等工业部门已得到了广泛的应 华中科技大学硕士学位论文 用。随着激光技术和激光器件的发展，激光在加工难加工材料方面也得到了一定的应 用。目前，激光技术用于陶瓷加工主要有激光划片、切割、钻孔、打标等。 激光技术在微电子行业应用最为广泛的是激光陶瓷划片。激光切割陶瓷材料有两 种方法：( 1 ) 划痕切割：采用脉冲激光在陶瓷上沿直线打一系列互相衔接的盲孔， 孔的深度只需要陶瓷厚度的l 3 1 4 ，由于应力集中，稍加力，陶瓷材料很容易准确 地沿此线折断，切割速度很高，可达0 3 3 3 m s ，这就是所谓的陶瓷激光划片。此法适 于高速直线切割。( 2 ) 穿透切割：采用脉冲或连续激光，可按通常方法切割陶瓷。 由于陶瓷耐高温，切割速度比较低。激光钻孔就是穿透切害ue 4 1 。采用脉冲激光可以减 小材料的热负荷，因而比较适合加工陶瓷。 以往分割氧化铝陶瓷基片的方法，是在烧结之前切出小刀型的沟槽。这种方法最 适用于大量生产，用于多品种小批量生产就不适用了。制造混合集成电路一天换几十 次品种也不稀奇。激光划片因能适用这种生产形式而深受欢迎，它已成为混合集成电 路制造中不可缺少的工艺，可大幅度提高生产率和降低成本。 用于陶瓷划片的激光器主要有脉冲二氧化碳激光器、自由振荡脉冲n d ：y a g 激 光器、声光调q 的n d ：y a g 激光器和准分子激光器。 自由振荡n d ：y a o 激光器的光束功率和脉冲宽度较小，光功率密度较大，聚焦 性能较好，对工件的热影响小，所以可以用来加工易受温度影响的s i c 陶瓷等，但 n d ：y a g 激光器的总体效率较低，约3 左右，而且光束模式较差( 多模) ，发散角 较大( 5 2 0 m m d ) ，氧化铝陶瓷对1 0 6 1 m l 激光辐射反射强烈，加工效率较低，一般 要求在较低的速度下进行。 声光调q 的n d ：y a o 脉冲激光器输出激光脉冲宽度可以很窄，峰值功率大， 重复频率高，加工陶瓷的表面质量好，表面粗糙度小，但是加工效率很低，很难用于 对氧化铝陶瓷基片的大批量加工。 对于准分子激光器，最近才使用它的紫外线波段来进行加工，由于它具有很高的 功率密度和很好的聚焦性能，相对于n d ：y a g 激光器来说能获得更小的切缝宽度和 更细的表面粗糙度。但准分子激光器由于性能尚不稳定，维护困难和功率小等原因还 没有在陶瓷加工中得到广泛应用。 华中科技大学硕士学位论文 二氧化碳气体激光器输出平均功率较大，插头效率较高，在1 0 b 1 5 之间，输出 的光束质量较好，可以采用飞行光路系统来改变光束的指向，加工范围或方位灵活多 变。且陶瓷材料对1 0 6 p m 激光辐射吸收强烈，能量利用率高，加工效率高。 c 0 2 激光器是激光器的一个大类，它包括l k w 2 0 k w 的大功率c 0 2 激光器和 1 0 w 5 0 0 w 的射频激励封离式c 0 2 激光器。封离式c 0 2 激光器在特种材料加工上有 着广泛的应用。据美国( l a s e rf o c u sw j r l d 统计表明用于材料加工的封离式c 0 2 激 光器正以2 0 的年增长率增长1 5 】。它的问世。给c 0 2 激光器带来了新的生机，亦给激 光加工带来了新的生机。与玻璃管直流放电的c 0 2 激光器相比，射频封离式c 0 2 激光 器具有一些极有应用价值的特征【6 8 9 l ： 射频波可实现高频幅度调制，因而可高频调制激光增益和激光输出，其调制 频率最高可达1 0 0 k h z 。 辉光放电更稳定，易于获得稳定的激光输出。 横向射频放电的电流密度更大，有利于获得更大的激光功率输出。 等离子体参数可通过频率控制，方便激光性能的优化。 等离子体放电的正阻特性，无须串联限流电阻便可实现持续放电，减少了功 率损耗。 在一定频段，可实现电极放在放电管外，对激光介质的实用性强。 激励电压低，可使激光器的结构紧凑化和金属化，完全摒弃风机和笨重的热 交换器。实现小而轻至可安装在工业机器臂上，门式切割机的横梁上。 可实现大面积均匀放电激励，可按增益面积比例缩放提高器件输出功率，使 大功率激光器件体积大为缩小。 可实现单电源输入多通道同时放电均匀激励，因而可将器件做成阵列结构， 可按增益体积缩放以提高器件输出功率和进一步缩小器件体积，并可获得相 控光束和空间压缩高质量光束输出。 由于扩散冷却式激光器长时间封离运转丽不需要更换工作气体及无机械运转 部件，因此，运行费用低，封离运转2 0 0 0 0 h 不需充气。 目前1 0 0 0 w 以下规格的扩散冷却式射频激励c 0 2 激光器，在体积、成本、保养、 华中科技大学硕士学位论文 性能方面都优于对流冷却激光器。1 0 0 0 w 以上，对流冷却式c 0 2 激光器的性能价格比 仍然具有优势。 射频横向放电激励方式的低工作电压，可大面积均匀放电激励和单电源输入和多 通道同时均匀激励的优点为大功率输出激光器扩散冷却技术的实施提供了条件。对于 大功率输出c 0 2 激光器来说，采用扩散冷却技术抛弃了用于快速气体流动冷却的罗茨 泵，使激光器的体积大为缩小并降低了激光器件成本。由于罗茨泵消耗5 0 的电功率， 产生特有的噪声，抛弃了罗茨泵可提高激光器总效率( p l u ge f f i c i e n c y ) ，实现激光器 的无噪声工作环境运行。这些正是近年来射频横向激励扩散型冷却大功率c 0 2 激光器 引起用户广泛兴趣的原因。 相对直流放电激励，射频激励不足之处： 功率源贵且复杂： 放电匹配难【1 0 l ： 对电磁屏蔽要求高。 但是制作此类激光器也有相当高的技术难度1 2 3 1 。其一，全金属化结构的密 封性能是影响器件寿命的首要问题；其二，稳定可靠的，与激光器相匹配的大功率射 频电源是另一关键技术：其三，为获得好的光束质量，必须设计特殊的激光腔。c o h e r e n t 公司和s y n r a d 公司是世界上研究开发这种激光器的最著名的公司。而且均有技术非常 成熟的产品上市。总的来看，这方面的研制工作在国内还属前期开发阶段，离产品生 产阶段还相距甚远。从国外引进这种工艺技术和购进这种器件是我们发展和应用封离 式射频c 0 2 激光技术的捷径。 c o h e r e n t 公司的d i a m o n dc 0 2 激光器是迄今为止最经济和最稳定可靠的封离型工 业r fc 0 2 激光器。它具有如下优点【1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 】：( 1 ) 输出高频方波脉冲，具 有高的峰值功率( p e a kp o w e r ) ；( 2 ) 光束质量好( m 2 r o ，则在陶瓷内部产生压应力；而冷却后，r r o ，内部产生拉应力。也 可以用温差来表示材料的抗热震性，即材料中允许存在的最大温差z o ： ：掣 ( 2 3 ) 9 华中科技大学顽士学位论文 式中：为极限强度；为泊松比；口为热膨胀系数；e 为弹性模量。显然，z t 眦 越大，承受温度变化能力愈强，即热稳定性好，抗热震断裂性越好。由表2 2 可见， 材料的热影响的抵抗能力大小顺序为s i 3 n 4 、s i c 、z r 0 2 及a 1 2 0 3 。实际加工中，材料 是否出现热应力断裂，主要与热应力有关，还与材料中热应力分布、应力产生的速率 和持续时间、材料的脆性、均匀性、内部缺陷等有关。 表2 2 工程陶瓷经验数据值丁o 2 9 1 材料 田 e p 仅 乙 ( 1 0 a n i t a 2 ) ( 1 0 1 0 n m 2 )( 1 0 6 k - 1 ) f k ) s i 3 n 4 9 03 3 0 0o 2 7 3 2 6 2 2 s i c6 24 2 0 0 0 1 6 4 03 1 0 z r 0 26 52 1 0 00 3 19 62 2 2 a 1 2 0 3 3 13 5 0 00 2 57 98 4 表2 3 几种材料激光加工的判据 2 1 3 加工难易性 材料的热学性能( 熔点和热传导率等) 对激光加工的效果影响很大，如钨的熔点 很高，铜的热传导率很大，这两种材料都是典型的激光难加工金属，陶瓷也符合这一 规律，目前主要用 ，y 值作为判断材料激光加工难易性的判据 1 0 华中科技大学硕士学位论文 n y = k ( 2 4 ) 式中：l 为熔点“k ) ；k 是热传导率( w ( m k ) ) 。 | 】7 值越小，加工越容易。表2 3 表明陶瓷材料加工的难易程度为a s i c 、a 1 2 0 3 ， s i 3 n 4 、z r 0 2 。z r 0 2 的 ，y 值小，其去除效率( m m 3 j ) 是s i 3 n 4 的3 倍多。试验结果和 表2 _ 3 所列顺序相符。 2 2 氧化铝陶瓷基片激光划片的机理 2 2 1 划片机理 图2 1 h o wl a s e rs c r i b i n gw o r k s 华中科技大学硕士学位论文 激光陶瓷划片的机理是激光束通过导光系统聚焦在陶瓷基板表面，发生放热反 应，产生高温，烧蚀、熔化并汽化陶瓷划线区( a 1 2 0 3 的熔点2 0 4 5 c 、汽化点2 9 8 0 。c ) ， 在陶瓷表面形成互相衔接的孔洞( 沟槽) 。由于应力集中，材料很容易准确地沿此线 折断。陶瓷激光划片的原理见图2 1 。划片后的陶瓷断面形貌见图2 2 。 激光陶瓷划片就是通过激光能量使材料表面汽化并加以热冲击的作用，使划线区 形成与应力垂直的裂痕损伤，若施加和应力方向一致的外力，则裂痕定向扩展，材料 定向断裂，完成分片。如果在划线过程中，由于激光不定向的热冲击波或者熔融材料 在线条旁堆积造成此区域材料结构状态发生变化，都会形成不定向的潜在裂纹，当受 到外力或高温烘烤，将造成无规则脆裂或炸裂。因此控制激光划片的工艺参数以及工 艺过程是至关重要的【3 0 1 。 2 2 2 射频激光陶瓷划片所需能量密度阈值 激光划片是利用激光对材料表面的破坏而形成刻槽，因此激光束能量密度的大小 直接影响划片的效果，对激光划片过程中使材料表面发生破坏的能量密度阈值的计算 有助于根据实际需要确定激光划片的工艺参数。 在激光划片的过程中，材料在激光的作用下温度发生改变，材料中温度场的计算 主要是在特定的条件下求解三维固体中热传导的微分方程式： 丝=竺f鱼+万02t+窘)-4-ot p c3 x 2旦p c 亿s ， 一l 一+ 一+ 一l i，1l i。匆2 。瑟2j 7 华中科技大学硕士学位论文 口= k p c 式中：p 为材料密度，蚝m 3 ；c 为比热容，j k g k ) ；t 为温度，k ；，为时间，s ： k 为材料的导热系数，w ( m k ) ；口为热扩散系数，c m 2 s ：q 为材料单位时间单位 体积输入热量，j 。 为了简化数学处理对激光划片可做如下假设：( 1 ) 激光能量分布均匀，整个光斑 内材料表面受热均匀。( 2 ) 材料的各种物理性质不随温度而改变。( 3 ) 激光脉冲的波 形为矩形，被吸收的激光脉冲功率密度不随时间而变化。( 4 ) 忽略传热过程中的辐射 和对流，只考虑材料表面向内部的热传导。 通过实验可以发现，在大多数情况下激光划片材料被加热区的横向尺寸远大于加 热深度，所以，对于激光划片可按一维热传导求解： 吉掣=学-iot- 望譬 ( 2 s ) 口宓 式中：为垂直于试样表面方向的距离，假设光能能快速转换成热，且 q ( z ，) = 4 ( 1 一r ) i o ( t ) e x p ( - o z ) ：r 为材料的反射率：j 。为照射在材料表面的激光强度： a 为材料对激光的吸收系数。 由于r ，a 不随温度两改变，所以由( 2 5 ) 和( 2 6 ) 两式可得： m ，f ) 一2 ( 1 - r k ) i o q c ii e 咖云净 ( 2 7 ) 式中i e r f c 为互补误差函数，且有 i e r f c x = ie r f c s d s e r f c s = ( 兰) ”2 e 一5 2 d s 当z = 0 时， 珊) = 半摆+ 瓦 ( 2 8 ) 如果要使激光束对材料表面造成破坏，则在一个激光脉冲内至少应使材料的表面 温度升温至熔点。由( 2 8 ) 式可知材料表面温度达到熔点时有： 华中科技大学硕士学位论文 乙= 塑半詈+ 兀 ( 2 ，) 所以， 厶f=pc(t1-矿to)(ctxr)u2 ( 2 1 。) 式中：乙为材料的熔点，k ；瓦为材料的初始温度，k ：f 为激光脉冲的宽度，s 。 令e 1 = i o f ，则e 就是使材料表面发生熔化的激光脉冲能量密度阈值。 如果激光脉冲的能量密度足够大，固体材料在激光束的作用下，吸收激光能量而 使表面薄层温度升高，同时表层的热量向材料的内部扩散形成热影响层。但是，由于 热传导的速度随时间而减小，热影响层吸收的热量远低于表层的含热量。因此，材料 表层的温度将继续升高，直到材料开始汽化，从材料表面有汽化这一瞬间开始表层的 温度将由汽化机制来控制，向内层的热扩散不再起显著作用，固体材料中仅在贴着汽 化表面处出现比较薄的热层。由( 2 7 ) 式可知，在，时刻热穿透深度为( 4 a t ) 1 2 。要使在 一个脉冲之内材料发生汽化过程，至少应使所吸收的能量等于汽化物质所带走的能 量。即： ( 1 一r ) i o r = 2 p ( a r ) 2 厶 0 z m 2 p ( 丁a r ) l 2 l b ( 2 1 1 ) 其中，厶为材料的汽化热。 令占：= 厶f ，则a e ：就是使材料发生汽化的激光脉冲能量的密度闽值。 根据( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式可分别计算出在不同激光脉冲宽度下划片时激光束使氧化铝 陶瓷基片发生熔化和汽化的能量密度阈值。当重复频率为5 0 0 h z ，脉冲宽度f 为 2 0 0 p s e e 时，峰值功率为6 8 0 w ，并取t o = 2 9 3 k ，r = 0 ，计算得出：e = 3 3 8 1 j c m 2 ， 对应的庐1 7 5 x1 0 5 w c m 2 ；a e ，= 6 7 6 j l c m 2 ，对应的z o - - 3 3 8 x1 0 6 w c m 2 ；而此时实 际的i o - = 8 6 6 1 0 6 w c m 2 ，是熔化阅值的5 1 3 倍，是汽化阈值的2 5 6 倍。 由实验可以看出，当脉冲能量密度还未达到6 7 6j e m 2 时，氧化铝陶瓷基片已发 1 4 华中科技大学硕士学位论文 生了部分汽化，刻槽具有了一定的深度，这说明在汽化的情况下，能量密度闯值的计 算值大于实际值。主要原因是脉冲重复频率很高的情况下，很多个脉冲作用于材料的 同一区域，能量可能发生部分累积，这样即使单个脉冲能量小一些，也有可能使材料 发生汽化，然而，实验结果表明，当脉冲能量密度仅为6 7 6j c m 2 时，材料汽化并不 严重，刻槽的深度很小，因此实际划片过程中可以采用该计算值作为能量密度阈值而 不至带来很大的影响。实验中以在光学显微镜下能看出材料表面有熔化时的脉冲能量 密度作为使材料发生熔化的能量密度阈值的实验值，该实验值为3 6j c m 2 ，可以看出 使材料熔化的能量密度阈值的实验值和计算值( 3 3 8 1 j c m 2 ) 之间的差别较小。 2 3 激光陶瓷划片温度场的分析 2 3 1 理论模型 2 2 节只是对激光陶瓷划片进行了宏观分析，为了更接近实际，我们有必要对激 光陶瓷划片进行更详细的分析，也就是要对激光陶瓷划片时的温度场在时间和空间的 分布进行分析，从而预测激光功率、重复频率、脉宽、保护气体压力对陶瓷划片的热 扩散半径和加工深度的影响。由2 2 节可知，激光划片( 又叫划痕切割或控制断裂切 割) 及穿透切割其实均属于激光钻孔，不同之处只是钻孔深度和孔与孔之间重叠率不 一样。前者是单脉冲加工，材料的温度场几乎是单个脉冲形成的，其钻孔深度只是陶 瓷厚度的l 4 1 3 ，重叠率一般为0 5 0 。而后者属于多脉冲加工，材料的温度场 是多个脉冲作用的叠加，其钻孔深度大于或等于工件厚度，重叠率亦是前者的几倍或 几十甚至几百倍。因此钻孔的热分布模型不仅适合划片，而且适合穿透切割。 求解( 2 5 ) 式，假设条件同2 2 2 节，为更接近实际，把假设( 3 ) 改为激光器输 出的激光束的功率密度近似为高斯分布： ，( ，f ) = i ( 0 ，t ) e x p ( - 2 r 2 t 0 2 ) ； 根据上述假设，求解方程( 2 5 ) 得解： 川= e x p ( 一坐篆攀) ( 2 1 2 ) 8 ( n i c t ) 2 华中科技大学硕士学位论文 根据假设( 4 ) ，式( 2 1 2 ) 可化为： 圳= 鼍e x p ( 一些等堕) r 5e x p 岛脚 ( 21 3 ) 4 p c ( z a t ) 2 式中：，为环的半径，c m ；，为考察点距轴的距离，c m 。 对于高斯分布的热源，有 q = 2 n r 。q oe x p ( - 2 r “c 0 2 ) d r ( 2 1 4 ) 式中q o 为圆点处单位面积的能量，j c m 2 。将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 3 ) 并对整个面 积积分，得： 1 w ) = 4 p c ( z e z 3 ，3 ) 2e x p ( _ 尘之笋) j ：e x p 【_ ，f 2 ( 击+ 手) 】 r 。e x p o 警渺咖 依文献【3 ”，求解上述积分得： 2 p c ( n a t ) i ( 4 a t + 2 1 2 ) r 2 1 5 ) e x p ( 一丢一石兰疏) ( 2 1 6 ) 。x p ( 一石一磊丽) ( 2 1 6 ) 对于高斯光束单脉冲加热有g o = e o ( z 0 0 2 ) ，当m 较小，且z = o 时可得： 旷兀+ 磊e 孑。吲一去 8 ( 彻f ) 2 一 其中t o 为材料加工初始温度，岛为激光每一脉冲的能量。此式则为单脉冲激光在陶 瓷表面( z = 0 ) 沿半径方向( r 方向) 温度场的分布。 对于高斯光束连续加热有：9 0 = a i ( o ，t ) d r ，代入上式并对时间积分得： 旷磊(02【j=磊丽ai(o,t)dt-t4 a ( t - t 卜 2 卢( 嬲) 2( f 。) 2 ) + 2j 。 ( 2 i s ) c x p 卜南一赤1 1 6 华中科技大学硕士学位论文 设高斯光束光强( 功率密度) o 不随时间变化，即，( 0 ，t 。) 可，因此 卜石z 2 一i r z 2 】( z 舯) 2 如果激光光斑相对工件的面积很小时，可认为，= 0 ，所以式( 2 1 7 ) 化简为 上式的积分结果为 r 2 2 0 ) 肿2 惫m 留警附亭陶 2 l ， 此式为一维非稳态激光在竖直方向( 激光入射方向) 加热温度场分布数学模型，式中： a 为表面对激光的吸收系数，对于陶瓷材料a = i ；厶为激光功率密度，单位w c m 2 ；f 为作用时间s ；口为热扩散率，c m 2 s ；k 为平均导热系数，w ( c m ) ：为光斑半径， 氧化铝陶瓷基片在加工时，若无辅助气体的冷却，极易因热震效应而造成龟裂现 象。但公式( 2 1 7 ) 和( 2 2 1 ) 并未考虑辅助气体吹气所造成的冷却效应。所以公式 ( 2 1 7 ) 和( 2 2 1 ) 应再乘上冷却系数c 值后，才可得到实际加工时在不同的吹气压 力下，z 方向和r 方向的温度场的分布，c 值可通过试验测得。因此公式( 2 1 7 ) 和( 2 2 1 ) 应改写为： ) 2 瓦”竺“p ( 一4 r 甜- ) ( 2 2 2 ) s m ( 石a t ) 2 一 轧，= - 三【洲留鱼竽州一寺】 ( 2 2 3 ) 丘( 2 厅) 2 。 至于根据上述二个公式用d i a m o n dg 1 0 0 激光器进行陶瓷划片的具体数值计算和 理论预测在第六章再加以详细论述。 1 7 生“ 高 譬 华中科技大学硕士学位论文 2 4 射频激光陶瓷划片工艺参数选择依据及相关工艺 2 4 1 工艺参数选择依据 ( 1 ) 对于激光陶瓷划片，经过简单的理论推导还可得到： p l v h = bp c 乃十+ 由 c i 2 + b 】一q r ( 2 2 4 ) 式中：p l 为激光峰值功率：v 为划线速度：h 为划线深度；b 为划线宽度；j 口为材料 密度；c 为比热；n 为环境温度与熔点之差；上为熔化热：由为汽化材料占总切口 材料的比例；乃为熔点与沸点之差；b 为汽化热。q r 为单位质量被划材料的反应热。 p l v 为刻划单位面积断面所需的激光能量，称为激光比能，也称作有效功率密度， 它与划线宽度成正比，并决定材料的密度及热物理性质。对每种特定的基板材料， 它为一特定的常数值。划线速度越高，则要求激光平均功率越大。这里需要指出的是， 同样组分的材料由于不同的烧结工艺，会引起材料致密性、晶粒大小、气孔分布等微 观结构的差异。如果某种基板的p l 讷值较高，则为了满足划线质量的要求必须提高 功率或牺牲划线速度：如果要求激光划线的缝宽越细，则p d v h 越小。 ( 2 ) 划缝宽、划缝深是划片质量的两个主要参数，它们都与激光的光束质量和聚 焦特性有着直接的关系( 具体分析见第四章) 。总的来说，模式越差，光束发散角越 大，则光斑尺寸就越大，焦深则变短。焦深直接影响划缝深度。光斑尺寸不仅影响缝 宽，也影响所得的功率密度和热作用区域。因此改善激光模式，减小发散角能有效改 善划片质量( 缝宽和缝深) ( 3 ) 从( 2 2 2 ) 节分析可知，要达到一定的缝深，必须选择足够高的峰值功率。 研究中发现，如果峰值功率不够，材料不能达到熔化和汽化温度，表面呈黄色线斑， 但没有深度。 ( 4 ) 在同一频率下，尽量选择较小的激光脉宽( 即占空比较小) 进行划片。由 公式( 2 2 2 ) 口- i 知，脉宽越小，峰值功率越大，陶瓷的汽化比例越大，加热时间越短， 热影响区越小。一般我们使用的占空比均在1 0 左右。 2 4 2 陶瓷划片的两个技术难题及解决办法 由2 2 节可知，“飞溅物”及“不定向断裂”是激光陶瓷划片的两个技术难题。“飞 华中科技大学硕士学位论文 溅物”堆积将使划线表面毛糙；不定向断裂是在划片后受到很小的外力或高温烘烤后 出现的无规则断裂和炸裂，这两种现象都会对厚膜电路的制造带来困难和损失。 造成飞溅物堆积的原因主要有以下三个：划片所选的功率密度超过了最佳范围 ( 如平均功率过大，划片速度过慢) ，被汽化的陶瓷材料在饱和蒸汽压下结霜而形成 熔凝层：在同一划线区重复刻划，第一刀留在缝隙中的粉尘被第二刀的高温烧结形 成熔凝层；由于激光模式造成光斑尺寸变大，光斑能量不均匀，使划线区既有汽化 又有显著的熔化，结果在划线表面覆盖有熔凝玻璃化变质层，表现为“飞溅物”并造 成不定向微裂纹。以上三个原因同样会造成不定向断裂的结果，因为他们都会引起破 坏性的不定向裂痕性缺陷，因此，有效避免上述三种现象的发生，是划片质量不可忽 视的重要保证。 解决的办法有三。一是加保护气体，在工艺实验中，我们分别使用了压缩空气、 氩气、氮气和氧气作为第一种保护气体，结果发现使用氧气划片的划缝质量最好。第 一种辅助气体的作用有四： 产生放热化学反应，增加能量强度： 从划缝区吹掉溶渣清洁划缝： 冷却划缝邻近区域，减小热影响区尺寸； 保护聚焦透镜，防止飞溅物玷污光学镜片。 二是在同一频率下，尽量选择较小的激光脉宽( 即占空比较小) 进行划片。 三是使用扩束镜压缩光束的发散角，减小聚焦镜焦平面处的光斑尺寸，同时应尽 量使激光束垂直照射到陶瓷加工表面。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 3 陶瓷划片系统 r fc 0 2 激光陶瓷划片系统包括d i a m o n dk 2 5 0 激光器，导光系统、二维工作台、 控制系统、冷却系统、辅助吹气系统等，见图3 1 。各个系统都和陶瓷划片质量息息 相关。下面逐一介绍各个组成部分的构成及其设计思想。 c o o l i n g w a t e r s u p p l y c o o l i n g w a t e ro u t 3 1 激光器系统 图3 1 r fc 0 2 激光陶瓷划片机构成框图 d i a m o n dk - 2 5 0 激光器是美国c o h e r e n t 公司生产的扩散冷却封离型射频激励c 0 2 板条激光器，体积小巧，性能优越，集成性好。该激光器由4 8 vd c 电源、r f 放大器、 激光头、控制电路等部分组成，其各部分的线路连接见图3 2 。该激光器的主要性能 指标见表3 1 。 该激光器的激光头外形见图3 3 ，激光头内部( 包括放电腔和激光谐振腔) 可参 见图3 4 。由图可见，该放电装置是矩形截面放电腔结构，电极材料是铝，电极中间 的c o i l s ( 镀锡卷板) 使得输入的射频能量分布得更均匀。这种射频放电腔结构于八 十年代问世。其特点是，单位长度能给出更高的激光能量，波导行为和扩散冷却行为 均发生在巨型窄边的方向上，腔内的光路可单行，也可折叠，可利用非稳腔( 见图3 4 ) 2 0 华中科技大学硕士学位论文 提高激光振荡的模式质量。输出窗口是z n s e 镜片。 f i g u r e3 2 l a s e rs y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nd i a g r a m f i g u r e3 3 l a s e rh e a dd i a g r a m 2 1 华中科技大学硕士学位论文 31d i a m o n dk - 2 5 0 表激光器性能 注：在脉冲宽度6 0 0 m ，占空比6 0 的条件下 定义为( p 雌- p 晌) ，2 p 雌； 水温变化小于5 ； 平行于底板。 o 瞩畦刚耵h g 嗣删- 眦刊d m m 慷1 艘r 睇r 啪孽旧m 眦翻o _ 球 r 吏“ f i g u r e3 4 l a s e rt u b e 该激光器在不同的脉冲周期和调制频率及占空比下的功率曲线见图3 5 。由图可 见，在同一频率( 或脉冲周期) 下，随着占空比的增加，激光器的输出功率亦增加； 在同一占空比下，当重复频率小于1 0 0 0 h z 或大于5 0 k h z 时，激光输出功率变化不是 很大。 华中科技大学硕士学位论文 t 一 r 、一、_ - _ _ 一蹦 ， l m ! v 匕，一一3 0 i m 2 0 - 。：厂 1 l 2 ： o2 0 04 0 0伽u 0t 0 0 01 2 0 01 4 0 0 1 6 0 01 8 0 02 0 0 0 p u l s ep e r i o d ( 嬲) o u t i p u tp o w e ra sf u n c t i o no fp u 城p e r i o dd u r a t i o n d t r r yc y c l ei sn o t e df o re a c hc u r v i l o i i li 1 l l 一 莎 - ，1 一上 州 、一_ - - 辫 - k ： 、_ 、 揣 0 li 、 1 1 o伯柏 拍柏靼”柚1 0 0 o ；m r a t i n gf m q u n c y ( k m z ) ro u t p u tp o w e ra sf u n c t i o no fo p e r a t i n g f r e q u e n c y d i r r yc y c l ei sn o t e df o re a c hc u r f i g u r e 3 5t y p i c a ld i a m o n dk - 2 5 0l a s e r o u t p u t p o w e r 珊 枷 跚 跏 伽 伽 o 墓-。考“葛尝6 善-耋5l芎言 华中科技大学硕士学位论文 3 2 导光系统 导光系统负责将上述激光器输出的高质量激光光束传送到陶瓷加工表面，并尽可 能地减少光束传输过程中的光束质量的降低。同时，导光系统还能够保护它本身和激 光器免受从加工表面反射回来的激光的损伤。为了保护光学系统免受污染，我们设计 的导光系统是相对密封的，并加吹气保护。在研发初期我们使用的是龙门式激光加工 机，采用移动导光系统( 飞行光路) ，在光斑运动的加工过程中，加工头的聚焦镜到 激光器的距离是变化的，聚焦镜处的光束直径也是变化的，从而使焦斑直径及其功率 密度发生变化，聚焦平面位置也发生变化【3 4 j 。飞行光路的激光功率损耗比较大，密封 困难。考虑到要加工的陶瓷尺寸一般不会很大，最后把导光系统设计成固定光路系统。 该系统包括整形镜( 柱面镜) 、空间滤波器、两个4 5 。反射镜、圆偏振镜、3 倍扩束 镜、聚焦镜以及密封和保护系统 3 5 3 6 , 3 7 】，见图3 6 。导光系统各元件的设计见第四章。 图3 6 导光系统示意图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 冷却系统 冷却系统包括对激光电源、激光头、和导光系统的冷却。激光电源和激光头的冷 却系统见图3 7 。冷却系统中对冷却水质量、温度和湿度的要求很严，因为d i a m o n d 系列激光器对冷却水温度的变化相当敏感。冷却水的温度必须保持在露点以上以避免 激光器的光学系统和电子元件结露。激光器的激光介质的冷却是扩散冷却散热方式。 扩散冷却c 0 2 激光器单位横截面输出功率与放电空间的直径平方成反比，正比于c 0 2 热分子速度与平均自由程的乘积。当放电的直径和气体流动的速度的乘积小于c 0 2 热分子的平均自由程和热分子的速度之积时，扩散冷却激光器每单位放电横截面将比 对流冷却的激光器输出更高的功率。扩散冷却单位借助激光下能级的c 0 2 分子与放电 管壁的碰撞，使其失去激发能回到基态。放电管壁由冷却水再冷却，将热量带走。 导光系统中的的所有光学元件均需采用水冷，以防止器件因温度升高而损坏。 f r o m c o o l i n g i f r f a m p l i f i e r _ - 圈 3 4 激光器控制系统 f i g 3 7c o o l i n gs y s t e md i a g r a m 陶瓷划片的控制系统主要包括数控系统和激光器控制电路( 参见图3 1 ) 。其中数 控系统一方面控制激光加工机床的x ，y 方向的运动，另一方面还要控制激光器控制 电路。激光器控制电路包括射频激光调制器和使能控制电路。见图3 8 。 而射频调制器可以实现频率、脉宽和调制度的单独可调。调制频率1 4 0