激光自20世纪60年代诞生以来就一直是国内外广泛重视的一门技术和研究方向,关于激光的应用也是逐步从光学延伸到了光电、机械加工、3C电子等领域。
由于激光的特殊物理属性激光加工已经成为3C产业零部件加工的重要手段。
激光加工属于无接触加工,并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调,因此可以实现多种加工的目的。
它可以对多种金属、非金属加工,特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料,适用于高端部件加工。
激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工,激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,已成为企业实行适时生产的关键技术,为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。
激光加工设备主要分为光学系统、机械系统、电控系统和软件系统,其中以光学系统中的激光器最为核心。
激光加工属于无接触加工,并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调,因此可以实现多种加工的目的。
它可以对多种金属、非金属加工,特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料,适用于高端部件加工。
激光的分类有多种方式,可以按工作物质分类,也可以按激励方式分类。还可以按照运转方式分分类,其余还可以按照功率大小、显示波段范围等方式分类。其中按脉冲宽度可以划分为纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光,其中皮秒和飞秒属于超短脉冲激光。
新一代激光技术——皮秒激光
皮秒激光器是脉宽为皮秒(10-12秒)的激光器,作为超短脉冲激光的典型代表,皮秒激光具有超短脉宽、超高峰值功率的特点,其加工对象广泛,尤其适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料和热敏性材料,因此适合于电子产业微细加工行业应用。
皮秒激光技术是工业微细加工的可靠工具,这些加工在此前是用其它方法无法完成的。
皮秒脉冲宽度可以和电光弛豫的时间相比较,短到足以对材料进行“冷”烧蚀,即几乎没有热效应。皮秒激光相比脉冲宽度更短的飞秒激光也有不少优势,由于不需要为了放大而展宽和压缩脉冲,皮秒激光器的设计没有那么复杂,因此成本效益更高,性能更可靠。
同时,皮秒脉冲仍短到足以应付非常精确和无应力的微细加工。
皮秒激光几乎可对所有材料进行微米尺度的加工,这些材料包括但不限于:金属、半导体、钻石、蓝宝石、陶瓷、聚合物、复合材料和树脂、光阻材料、薄膜、ITO膜、玻璃。
传统的激光加工热输入大,在加工过程中会产生热应力使得金属等薄板材料发生变形,影响了微纳加工的效果。
皮秒激光介于纳秒激光和飞秒激光之间,既有着类似于飞秒激光的典型的超短脉宽、超高峰值功率特性,也具备飞秒激光所不具备而又有别于长脉冲激光的加工效率。
因此,皮秒激光在微纳加工领域具有独一无二的特点,目前也被广泛应用于这一领域,在许多方面取得了实质性进展。
皮秒激光加工的原理在于:
当激光照射到材料表面时,除一部分光被反射外,其余光能基本都进入材料内部,这其中的一部分被材料本身吸收,另一部分则透过材料。
普通的长脉冲激光在与材料的相互作用过程中,随作用时间的推移,通常经历以下几个阶段:
1)固态加热及表层熔化阶段;
2)形成增强吸收等离子体云阶段;
3)形成小孔和阻隔激光的等离子体云阶段。
而对于金属材料,皮秒激光的能量被材料内的自由电子线性吸收,激发之后产生等离子体,在等离子体与皮秒激光共同作用下,材料内部膨胀、爆炸产生冲击波,使得受作用区域材料脱离母材,完成材料加工过程。皮秒激光的热损伤极小,在适当工艺条件下可实现无损伤加工。
皮秒激光加工特点
皮秒激光作为超短脉冲激光的典型代表,具有超短脉宽、超高峰值功率的特点,其加工对象广泛,尤其适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料和热敏性材料。
其适合高精度加工的原因在于,皮秒激光作为一种新型的能量源,具有皮秒级超短脉宽、重复频率可调范围宽和高脉冲能量等特点,可实现包括硬脆性难加工材料在内的高精与高效兼顾的材料加工效果,皮秒激光加工作为新型激光智能化制造手段之一将在高精高效机械制造领域具有广阔的应用前景。
目前,CO2激光、光纤激光、半导体激光以及准分子激光等面向工业应用的主流激光器脉宽多在微秒、纳秒级水平。
长脉宽激光作用于材料时,通过焦耳加热吸收激光能量,经晶格/电子热传导使材料辐照区域升温,熔化至汽化完成材料的去除。
“热加工”效应所引起的热影响区、熔凝残渣及应变裂纹是限制工件加工精度、效率和工艺重复性提高的主要原因。纳秒级脉宽准分子激光具有“近似冷消融”的加工效果,但其对材料去除加工的主要机制仍为热烧蚀,加工路径周缘的热影响区清晰可见。
纳秒激光技术虽然具有完善的技术基础,来源高度可靠,运营成本也很有吸引力。
不过,对那些要求最苛刻的加工任务来说,在热影响区的大小、频繁产生的重铸材料或者是表面涂层的分层开裂等方面仍然存在一些限制。
皮秒激光器除了加工过程中基本没有热影响区,另一个主要优点是它适用的材料范围非常广泛,包括几种宽禁带材料(例如玻璃和某些聚合物),这类材料线性吸收和光吸收很低,因此很难用现有的商业化激光器来处理。
具体来说,即使这些材料在激光波长范围通常是透射的,这一“波长不可知”技术也可以诱发非线性吸收。
目前市面上的皮秒激光器的范围通常从红外到紫外,紫外皮秒激光器在高精度和最小热影响区方面有着最佳的表现,并且红外和可见光皮秒激光器通常会提供更大的输出功率,从而带来更高的处理速度。
皮秒激光应用领域
皮秒激光加工作为高精度加工中兴起的一类加工方式,其主要服务于半导体加工领域、PCB加工领域、微型电路蚀刻、液晶面板切割等等电子工业加工业务领域。值得一提的是,在手机制造工业中皮秒激光加工也正在扮演越来越重要的角色。
指纹识别模组加工
随着智能手机指纹识别功能的快速普及,触控芯片及模组的渗透率不断提升。自苹果6之后,三星、华为、中兴、魅族等手机厂商相继推出指纹终端并普及到各个品牌,加快了生物识别功能从高端向中低端的渗透。CCID统计数据显示,年全球指纹芯片出货量为2.1亿颗,而年则增长至3.6亿颗,增长率达到73.02%,预计到年,全球指纹芯片出货量将达到5.5亿颗,增长率有望接近50%。另外,去年安卓系统指纹识别设备的渗透率为25%左右,预计今年年末指纹识别设备渗透率将提升到50%,未来仍有较大发展空间。
指纹识别模组行业的爆发也为激光企业带来了新的发展机遇,模组企业在巨大的订单面前选择扩建工厂,大规模采购生产设备,而指纹识别模组的分板采用激光切割机进行加工最为适宜,因为激光非接触加工更保护电路。而随着手机客户对指纹识别精度要求的不断提升,目前的用户大多倾向直接采购更高精度的皮秒激光切割机。客户有指纹识别模组厂商和coating厂商等。
指纹识别产品的生产主要由芯片晶圆厂、封测厂、模组组装厂等工厂协作完成。其中涉及到激光加工的环节有:1晶圆划片、2芯片切割、3盖板切割、4FPC软板外形切割钻孔、5激光打标等。其中主要是蓝宝石/玻璃盖板和IC芯片的加工。
芯片切割包括裸带切割、封测完后的塑封芯片切割、Coating完成后的Coating芯片成品切割,盖板切割包括玻璃、蓝宝石和陶瓷三种超硬的脆性材料切割,FPC钻孔与切割包括FPC通孔钻孔、FPC外形切割等,激光打标则包括塑封打标、FPC打标、承托钢板打标等。其对于精度与识别度的要求,目前只有皮秒激光加工的经济性和高精度能够满足产业化。
目前能够提供皮秒级指纹识别模组加工设备的企业国内仅3-4家,根据手机报的统计
其中盛雄激光占据约8成市场份额,几乎垄断了国产手机品牌皮秒机市场。
据旭日研究中心统计,去年手机指纹识别渗透率在25%左右,今年则会提升至50%左右,这直接导致了皮秒设备行业在最近两年的爆发式增长。由于指纹识别的渗透率还不高,仍然存在很大的增长空间。今年上半年已有数十款指纹手机亮相,各家厂家指纹模组厂出货量也节节攀升,欧菲光突破10KK的月出货量,信利、韩国CT、东聚、凯尔光电、丘钛微等也稳定在KK级出货量并继续爬坡中。预计未来1-2年皮秒激光设备需求仍将保持增长态势、
半导体芯片划片
皮秒激光加工设备还应用于LED芯片的划片加工环节,主要用途为将LED芯片晶圆通过激光划片形成切割槽,然后通过裂片等工艺分割为独立芯片,其中激光加工设备是LED芯片加工的重要设备。随着国家《半导体照明节能产业规划》等政策的进一步推行,LED产业将为激光加工产业带来更大的需求。
皮秒激光划片机是利用高能激光束照射在工件表面,使被照射区域局部熔化、气化、从而达到划片的目的。因激光是经专用光学系统聚焦后成为一个非常小的光点,能量密度高,因其加工是非接触式的,对工件本身无机械冲压力,工件易变形。热影响极小,划精度高,广泛应用于单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池板的划片以及硅、锗、砷化稼、薄金属片和其他半导体衬底材料的划片与切割。
脆性材料加工制造
随着全球经济的发展和国民收入水平的提高,智能手机平板电脑已成为人类生活中必不可少的设备,于是触摸屏的消费需求带动了激光加工行业的发展。传统的机械加工工具在触摸屏加工的部分环节无法达到所需的精度,从而为激光精密加工的应用创造了契机。皮秒激光加工设备将激光切割、激光蚀刻、激光钻孔等现代激光加工技术应用于触摸屏的精密化加工中,极大的提升了触摸屏的激光物化性能。
皮秒激光加工设备适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料,而消费电子如手机、可穿戴设备、数码相机等都可能使用到蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料,尤其在蓝宝石和陶瓷加工方面,这些材料硬度大,传统加工应用困难,特别适合使用皮秒激光设备进行加工。比如用激光切割蓝宝石盖板,厚度可以切到1.8毫米厚度,直接一次性切。未来脆性材料尤其是高硬度高附加值脆性材料一旦大量应用,将为皮秒激光加工设备带来巨大市场。
脆性材料加工制造
随着全球经济的发展和国民收入水平的提高,智能手机平板电脑已成为人类生活中必不可少的设备,于是触摸屏的消费需求带动了激光加工行业的发展。传统的机械加工工具在触摸屏加工的部分环节无法达到所需的精度,从而为激光精密加工的应用创造了契机。皮秒激光加工设备将激光切割、激光蚀刻、激光钻孔等现代激光加工技术应用于触摸屏的精密化加工中,极大的提升了触摸屏的激光物化性能。
皮秒激光加工设备适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料,而消费电子如手机、可穿戴设备、数码相机等都可能使用到蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料,尤其在蓝宝石和陶瓷加工方面,这些材料硬度大,传统加工应用困难,特别适合使用皮秒激光设备进行加工。比如用激光切割蓝宝石盖板,厚度可以切到1.8毫米厚度,直接一次性切。未来脆性材料尤其是高硬度高附加值脆性材料一旦大量应用,将为皮秒激光加工设备带来巨大市场。
晶圆切割加工
受智能手机、智能卡和堆叠封装等消费类应用驱动,近年来对薄晶圆的需求日益增长。年,用于MEMS器件、CMOS图像传感器、应用硅通孔技术的存储器和逻辑器件以及功率器件的薄晶圆数量超过了万片。这些薄晶圆主要贡献于CMOS图片传感器,其次是功率器件。年到年期间,薄晶圆的复合年增长率预计为14%,预计到年,薄晶圆的数量将达到峰值的万片。
与传统的机械切割工具不同,皮秒激光束的能量以一种非接触的方式对晶圆进行切割。该能量对工件的指定部分进行加热,使其达到预先定义的温度。该快速加热的过程之后紧接着进行快速冷却,使晶圆内部产生垂直向的应力带,在该方向出现一条无碎屑或裂纹的裂缝。由于裂缝只因受热而产生,而非机械原因而产生,所以不
会有碎屑和微裂纹出现。因此,激光切割边沿的强度同传统划刻和分割方式相比是要更强的。
对于激光划刻来说,在激光束的加热及随后的冷却过程作用下,晶圆表面被划出一条深度大约为m(晶圆厚度的约10%)。晶圆随后能沿着划刻的方向被分割开来。由于该技术不产生任何晶圆碎块,切割边沿常见的毛边和低强度也得到了避免,后续的抛光和打磨的工序也不再需要了。更重要的是,相对传统方法分割的晶圆来说,经激光加工的晶圆其耐碎度高达三倍。
未来其他应用领域——OLED
示屏是可穿戴设备耗电量主要的耗电源之一。。有机发光二极管(OLED)由于其轻薄、自发光、大显示角尤其省电等特点,有望成为下一代显示屏的最佳选择。
从OLED(硬屏)的结构来看,是为两层玻璃结构,切割时,需要将两层玻璃按照尺寸和加工边缘的要求进行切割。用传统机械切割方式加工比较困难,容易出现崩边大,裂纹等问题,导致切割良率比较低下。再加上对显示面板要求日趋变薄,对于超薄玻璃的加工,传统机械加工方式更加难以解决。而激光由于采用非接触加工方式,具有先天的优势,对于薄玻璃及超薄玻璃均可加工,其中的皮秒激光加工可以对薄膜进行选择性去除,无碎屑图案成型,加工优势突出。
未来其他应用领域——OLED
示屏是可穿戴设备耗电量主要的耗电源之一。。有机发光二极管(OLED)由于其轻薄、自发光、大显示角尤其省电等特点,有望成为下一代显示屏的最佳选择。
从OLED(硬屏)的结构来看,是为两层玻璃结构,切割时,需要将两层玻璃按照尺寸和加工边缘的要求进行切割。用传统机械切割方式加工比较困难,容易出现崩边大,裂纹等问题,导致切割良率比较低下。再加上对显示面板要求日趋变薄,对于超薄玻璃的加工,传统机械加工方式更加难以解决。而激光由于采用非接触加工方式,具有先天的优势,对于薄玻璃及超薄玻璃均可加工,其中的皮秒激光加工可以对薄膜进行选择性去除,无碎屑图案成型,加工优势突出。
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