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技術(shù)文章
激光切割技術(shù)在不同材料的應用分析
點(diǎn)擊次數：3023 發(fā)布時(shí)間：2010-7-16
芯片切割工藝的現況
| 依據其波長(cháng)的變化、輸出方式（連續波或者脈波輸出）的不同、不同的輸出功率與能量,不論是電子工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、飛機工業(yè)、五金加工、塑料加工、醫學(xué)、通訊、軍事、甚至于娛樂(lè )業(yè)都可以找到激光的應用范例, 可謂不勝枚舉、洋洋大觀(guān), 難怪有人稱(chēng)激光器為工具。 專(zhuān)就激光器切割（Laser Cutting or Laser Scribing）而論,其原理系利用高能量集中于極小面積上所產(chǎn)生的熱效應（Thermal Technique）, 所以非常適用于切割具有硬（Hard）、脆（Brittle）特性的陶瓷材料, 氧化鋁（Alumina）基板就是一個(gè)常見(jiàn)激光器切割成功的應用案例。 然而將激光器使用于8”以下硅芯片的切割案例并不多見(jiàn), 雖然作者亦曾于1999 Productronica Munchen實(shí)地參觀(guān)過(guò)瑞士Synova公司所開(kāi)發(fā)以亞格激光器為核心的硅芯片切割機。至于學(xué)術(shù)界對于激光器切割硅材質(zhì)的研究則至少可以追溯到1969年L. M. Lumley發(fā)表于Ceramic Bulletin的文章”Controlled Separation of Brittle Materials Using a Laser”。 將激光器切割機使用于硅芯片切割工藝, 除了激光器本身巨大的熱量問(wèn)題需要克服之外,其實(shí)不論就售價(jià)、工藝良率、與產(chǎn)能而論, 激光器切割機均未較以鉆石刀具（Diamond Blade）為基礎的芯片切割機（Wafer Saw）*, 所以8”硅芯片的切割工藝目前仍以芯片切割機為主流, 不過(guò)由于電子產(chǎn)品輕薄化的趨勢與硅芯片延伸至300 mm, 使得芯片切割機的地位受到激光器切割機*的挑戰, 請參考以下說(shuō)明。 2. 芯片切割的未來(lái) 以鉆石刀具來(lái)切割芯片將使得芯片的背面承受拉應力（Tension Stress）, 因此, 當厚度變薄時(shí)會(huì )造成更嚴重的芯片背崩（Back Side Chipping or Cracking）, 而Flip Chip的封裝方式更加突顯芯片背崩的品質(zhì)問(wèn)題。 雖然降低切割速度或者采取階段切割（Step Cutting）的方式都可以改善芯片背崩的品質(zhì)問(wèn)題, 不過(guò)二者皆需付出降低產(chǎn)能的代價(jià)。日本DISCO公司研發(fā)出所謂DBG（Dicing Before Grinding）的工藝來(lái)解決此問(wèn)題, 不過(guò)除了Dicing（切割）與Grinding（背磨）之外, 此DBG工藝尚包括繁復的Tape（上膠帶）與De-tape（去膠帶）程序,所以此構想至今并未廣為業(yè)界接受。 如果切割時(shí)刀具能夠不施力于芯片, 無(wú)疑的將可避免芯片背崩的產(chǎn)生, 因此非接觸（Non Contact）的切割方式, 如激光器或者蝕刻（Etch）, 就特別受到業(yè)者的注意與期待。不過(guò)以上的兩種替代（Alternative）工藝亦都有其需要克服的問(wèn)題, 所以目前亦未有量產(chǎn)的相關(guān)芯片切割機種出現。 除了芯片背崩的問(wèn)題之外, 其實(shí)Low-k材質(zhì)的出現才是目前激光器切割機受到大家矚目的真正原因。許多Low-k材質(zhì)由于其Porous或者Polymer的特性, 并不宜以鉆石刀具來(lái)切割, 然而如以傳統的激光器為之, 亦會(huì )因高熱而產(chǎn)生不良的切割品質(zhì)。 的狀況就是希望激光器的能量能夠全部用以去除Low-k材質(zhì), 而不會(huì )殘留多余的熱量, 換句話(huà)說(shuō), 激光器僅需負責去除Low-k材質(zhì), 而芯片本身則仍以傳統的鉆石刀具來(lái)切割, 除非日后芯片厚度薄到無(wú)法承受鉆石刀具的撞擊或者激光器光能夠將其輕易的切穿, 否則此種Hybrid（復合）的方式應是比較合理的作法。 Low-k材質(zhì)的激光器切割機雖然被許多人看好, 不過(guò)它充其量只是許多候選設備中較被看好的一個(gè), 在正式成為主流量產(chǎn)設備前, 它尚有許多問(wèn)題需要去克服, 例如: 當切割道（Cutting Street）有測試點(diǎn)（Metal Pad）時(shí)所造成的剝離品質(zhì)問(wèn)題等等, 其實(shí), 我們可由中國臺灣目前尚無(wú)乙臺被半導體業(yè)者驗證成功的Low-k材質(zhì)激光器切割機的這個(gè)事實(shí)來(lái)判斷, 就可以很清楚的了解這場(chǎng)戰役尚未結束, 國內產(chǎn)學(xué)研如有不錯的構想, 也不是*沒(méi)有在這場(chǎng)新的競賽里拔得*的機會(huì )。 |
金屬材料的激光切割
雖然幾乎所有的金屬材料在室溫對紅外波能量有很高的反射率，但發(fā)射處于遠紅外波段10.6um光束的CO2激光器還是成功的應用于許多金屬的激光切割實(shí)踐。金屬對10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%~10%，但是，當具有功率密度超過(guò)106w/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時(shí)，卻能在微秒級的時(shí)間內很快使表面開(kāi)始熔化。處于熔融態(tài)的大多數金屬的吸收率急劇上升，一般可提高60%~80%。
（1）碳鋼。
現代激光切割系統可以切割碳鋼板的zui大厚度可達20MM，利用氧化熔化切割機制切割碳鋼的切縫可控制在滿(mǎn)意的寬度范圍，對薄板其切縫可窄至0.1MM左右。
（2）不銹鋼。
激光切割對利用不銹鋼薄板作為主構件的制造業(yè)來(lái)說(shuō)是個(gè)有效的加工工具。在嚴格控制激光切割過(guò)程中的熱輸入措施下，可以限制切邊熱影響區變得很小，從而很有效的保持此類(lèi)材料的良好耐腐蝕性。
（3）合金鋼。
大多數合金結構鋼和合金工具鋼都能用激光切割方法獲得良好的切邊質(zhì)量。即使是一些高強度材料，只要工藝參數控制得當，可獲得平直、無(wú)粘渣切邊。不過(guò)，對于含鎢的高速工具鋼和熱模鋼，激光切割時(shí)會(huì )有熔蝕和粘渣現象發(fā)生。
（4）鋁及合金。
鋁切割屬于熔化切割機制，所用輔助氣體主要用于從切割區吹走熔融產(chǎn)物，通?？色@得較好的切面質(zhì)量。對某些鋁合金來(lái)說(shuō)，要注意預防切縫表面晶間微裂縫產(chǎn)生。
（5）銅及合金。
純銅（紫銅）由于太高的反射率，基本上不能用CO2激光束切割。黃銅（銅合金）使用較高激光功率，輔助氣體采用空氣或氧，可以對較薄的板材進(jìn)行切割。
（6）鈦及合金。
純鈦能很好耦合聚焦激光束轉化的熱能，輔助氣體采用氧時(shí)化學(xué)反應激烈，切割速度較快，但易在切邊生成氧化層，不小心還會(huì )引起過(guò)燒。為穩妥起見(jiàn)，采用空氣作為輔助氣體比較好，以確保切割質(zhì)量。
飛機制造業(yè)常用的鈦合金激光切割質(zhì)量較好，雖然切縫底部會(huì )有少許粘渣，但很容易清除。
（7）鎳合金。
鎳基合金也稱(chēng)超級合金，品種很多。其中大多數都可實(shí)施氧化熔化切割。
數字紙制品加工技術(shù)
對傳統模切工藝來(lái)說(shuō)，激光數字紙制品加工技術(shù)的效率和靈活性具有強大的競爭能力。
標準的激光數字紙制品加工系統包括一個(gè)CO2激光器、電源、冷卻裝置、控制器、軟件、煙霧收集系統以及卷筒紙處理系統（如果沒(méi)有集成到現有的印刷或印后加工生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)是這樣配置的）。此外在對定位套準要求比較嚴格的情況下，還需要一套以照相機為基礎的視覺(jué)系統。這項技術(shù)的投資額度應該在18萬(wàn)美元到30萬(wàn)美元之間，相當于對印前系統進(jìn)行一次主要的升級。
滾筒對滾筒的激光系統可實(shí)現步進(jìn)式移動(dòng)，使系統間歇或按讀數的方式運動(dòng)，在運動(dòng)的過(guò)程中完成裁切，激光系統連續的運動(dòng)是以事先編排好的沖裁程序為依據的。通過(guò)調整裁切速度來(lái)實(shí)現光束是否*穿透材料，完成對材料的裁切。如果對激光參數的設置不同，可將材料壓出不同深度的線(xiàn)痕，或優(yōu)勢
激光數字紙制品加工技術(shù)有很多優(yōu)勢。從靈活性角度來(lái)講，該技術(shù)可以加工出任何已經(jīng)編制好加工程序的形狀；而且激光可以在任何方向上完成裁切。模板的形狀可以快速地改變，不需要任何工具的幫助，為加工有競爭力的個(gè)性化包裝或商標提供了可能。性也是數字系統的優(yōu)勢之一。用激光進(jìn)行紙制品加工可以補償印刷和印后加工過(guò)程中存在的不準確，如材料可能會(huì )發(fā)生伸縮變形，激光可以根據這些變形進(jìn)行調整，而傳統的模板制作就不能了。
激光數字紙制品加工技術(shù)在生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力方面也同樣令人青睞，在zui后一分鐘還可以對設計方案進(jìn)行修改，而不會(huì )影響整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。簡(jiǎn)單和復雜的形狀都花同樣的費用，在同樣的時(shí)間內完成。從回報的角度來(lái)說(shuō)，終端用戶(hù)可以控制短版或中版生產(chǎn)，而不用制造大量的模板?？梢愿斓馗鶕蛻?hù)需求做出反應，因為這不需要制作鑄模?！?/div>
從審美學(xué)的角度出發(fā)也同樣獲得肯定的答復。激光的無(wú)壓力裁切過(guò)程通常不會(huì )損壞材料，而且在對不干膠商標進(jìn)行測試時(shí)，發(fā)現通過(guò)激光輕壓裁切的商標比旋轉鑄模制造的商標具有更好的剝離性。
市場(chǎng)空間
在包裝領(lǐng)域中，激光數字紙制品加工的市場(chǎng)還處于起步階段，但它是一個(gè)*開(kāi)放的市場(chǎng)，可以應用于各種包裝應用中。
目前有越來(lái)越多的企業(yè)對此表示出濃厚的興趣，其中很多都是擁有數字印刷機的公司，他們將數字激光制模板技術(shù)看成是提高數字印刷競爭力的一個(gè)可行方案。據介紹，激光線(xiàn)速度可以與數字印刷機的線(xiàn)速度相匹配，從理論上講，用戶(hù)可以連續運行十種不同的印刷和印后加工作業(yè)，中途無(wú)須停機。
目前，數字激光紙制品加工系統已經(jīng)在包裝行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域有了安裝，但這些系統的安裝大多數都相當保密，系統的制造商都要簽署保密協(xié)議。雖然整個(gè)技術(shù)已經(jīng)逐漸成型，但市場(chǎng)本身仍然處于發(fā)展初期。
應用于軟包裝的激光技術(shù)還可以完成許多模切技術(shù)無(wú)法實(shí)現的特殊操作，如輪轉模切技術(shù)不可能打出用來(lái)保證呼吸的超小孔，旋轉就無(wú)法裁切出非常干凈的小洞，zui終產(chǎn)生的小洞還可能會(huì )被余留材料堵住。
供應商們不斷努力為激光器的安裝掃清障礙。材料的兼容性問(wèn)題一直與材料制造商緊密，特別是現在激光已經(jīng)可以處理好形狀的拐角，而且可以在不損壞襯底材料的情況下裁切掉表面材料。
激光zui終會(huì )成為模切技術(shù)的標準嗎？專(zhuān)家認為很有可能，他們認為在未來(lái)的十年間，傳統的模切技術(shù)將會(huì )從主要的紙制品加工企業(yè)中消失。那時(shí)每個(gè)人都將使用激光系統。
就現在來(lái)看，激光技術(shù)是印后加工應用中一個(gè)非常特殊的應用。一些專(zhuān)家建議：激光數字紙制品加工是一項非常的高水平技術(shù)，需要一定的成本投入。如果你采用輪轉技術(shù)可以達到所需的速度和度，那么繼續使用輪轉技術(shù)好了。每項技術(shù)都有自己的空間，而且每項技術(shù)都能在同一條生產(chǎn)線(xiàn)上很好的配合操作。
邊緣質(zhì)量
定性地描述在一張1.5毫米厚的玻璃片上三個(gè)不同的切痕之間的動(dòng)態(tài)差異。玻璃切割的邊緣干凈沒(méi)有裂片和裂痕，不需要后續處理工序。因為激光是非接觸工具，沒(méi)有工具的磨損問(wèn)題，從而可保證持續、均勻的切割厚度和邊緣質(zhì)量。作為比較，3（b）顯示了使用金屬輪進(jìn)行切割的邊緣，可以看到沿著(zhù)切割線(xiàn)存在各種殘余張力成份。3（c）是金剛石砂輪切割的結果，可看到很多微小的裂痕，對于許多璃，直線(xiàn)切割，速度為500mm/秒。作為比較，硬質(zhì)金屬輪切割同樣厚度同種玻璃的速度可達1500mm/秒。但是，即使是在注重速度的應用中，這種差異也將被激光切割所帶來(lái)的經(jīng)濟性和質(zhì)量?jì)?yōu)勢所彌補。同時(shí)，我們都相信，進(jìn)一步的加工過(guò)程優(yōu)化以及采用更高輸出功率的激光器進(jìn)行切割都會(huì )容易地將加工速度提高2至3倍。
曲線(xiàn)切割
因為裂痕是地沿著(zhù)激光光束所劃出的痕跡, 激光引致的分離可以切劃出非常的曲線(xiàn)圖案。事實(shí)上，我們所做的實(shí)驗也證明了無(wú)論直線(xiàn)或是曲線(xiàn)，激光切割都能連續地、地完成設定圖案，重復性可達+50μm。所以激光可以進(jìn)行曲線(xiàn)和三維圖形的切割。
應用
長(cháng)遠來(lái)說(shuō)，激光引致的分離技術(shù)將在許多玻璃的切割應用中取代機械法。近期，激光切割已在下述的三個(gè)應用領(lǐng)域中顯示強大的技術(shù)優(yōu)勢，它們是：CRTS，平板顯示，以及汽車(chē)的風(fēng)擋玻璃等的切割等。
有些應用需要對玻璃進(jìn)行特殊的后續處理，比如，某些安全玻璃元件須經(jīng)溫度硬化處理，以及多數帶硅鍍層的平板顯示器元件必須經(jīng)過(guò)溫度退火等。激光引致分離法也配合這些特殊的后處理，我們用激光法切割了100個(gè)4mm 厚的玻璃片，在特殊熱處理過(guò)程中，沒(méi)有一片被破壞。
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