3C领域中常用的7种超快激光加工技能

随着电子器件朝着精密化、微型化、柔性化的方向发展，新型电子器件对加工技能提出了更高的哀求，超快激光加工技能的独特上风正吸引着研究职员不断探索着其在电子制造领域的运用。

七大超快激光加工技能

1超快激光隐形切割技能

随着手机等智能设备功能的不断完善，显示屏幕的尺寸和形状变得多样化，全面屏更是成为屏幕发展的主流方向。
为了预留元件空间及减少碎屏的可能，屏幕非直角切割变得十分必要。
超快激光隐形切割作为激光应力切割技能的延伸，可在透明材料内部诱发眇小裂纹，眇小裂纹在外力的勾引下逐渐沿激光扫描路径延展，实现透明材料的分离。

图1 隐形切割技能手机玻璃面板切割示例

美国Spectra-Physics公司将超快激光与隐形切割技能结合，提出了ClearShape切割技能，可将激光对材料的影响区限定在微米量级。
德国Rofin公司基于成丝机理发明的SmartCleave™ FI工艺可以快速分离包括很小的加工转弯角度在内的任意形状的透明材料，切割玻璃的厚度范围在100 m到10 mm之间。

以大族激光、华工激光、锐科激光、德龙激光为代表的海内有名激光公司早在几年之前就加大了超快激光高精切割屏幕技能的投入，并在国际市场上霸占了一定份额。

2 超快激光直写技能

随着对电子器件小型化与灵巧性哀求越来越高，催生了柔性电子这一新的运用领域。
柔性AMOLED屏幕的驱动系统——柔性薄膜晶体管（thin film transistor, TFT），哀求其沟道长度小于10 m，微纳米图案化是沟道制造的核心。

超快激光直写技能紧张利用材料对超快激光的非线性接管，在浸染区域引发物理化学性能变革，通过掌握光束扫描实现二维或三维成型加工。
超快激光直写技能不须要掩膜，其加工分辨率可达到纳米量级，独特的“冷”加工机制特殊适宜对耐热性差的柔性有机材料进行微纳构造加工。
超快激光直写还可用于微电路的制作，在敷铜层或镀金层上直接加工出所需的图案化线路，成为基于柔性有机聚合物基底的电子器件制造中具有独特上风的加工手段。

图2 采取532 nm飞秒激光直写聚酰亚胺（polyimide，PI）薄膜，通过碳化在PI薄膜上形成

3超快激光脉冲沉积技能

具有特定功能的薄膜材料是制造前辈电子器件的根本，而柔性电子对薄膜厚度和质量提出了更高的哀求。

超快激光脉冲沉积技能因其高质量的薄膜成长能力而备受关注，超快激光的高功率密度特性可以使任何难熔性材料气化，而超短脉冲特性又使得它与材料浸染时产生的颗粒更加眇小，因此在薄膜制备特殊是高熔点材料的薄膜制备方面具有主要意义。

4超快激光剥离技能

随着微型器件与大规模集成技能的发展，芯片的选择性剥离与转移逐渐成为芯片装置与维修的关键技能。
激光剥离技能（laser lift-off, LLO）是一种利用激光能量浸染于材料交界面实现材料分离的技能，被广泛运用在OLED屏幕制造工艺中。
选择性激光剥离技能（selective laser lift-off, SLLO）也开始运用于芯片的剥离与装置，与传统LLO技能不同，SLLO技能紧张针对眇小区域或构造单元进行剥离，更适用于微器件的改换与维修。

虽然目前将超快激光引入激光剥离尚属探索性阶段，但已有研究事情表明，鉴于超快激光的本征物理特性，超快激光剥离具有很强的局域约束性，险些不会产生热效应而损伤电子器件其他非剥离功能层。

图3 基于LLO技能的三星Micro LED显示器“The Window”

5超快激光勾引前向转移技能

激光勾引前向转移（laser induction front transfer, LIFT）技能是通过激光脉冲辐照透明基底表面的一层薄膜材料，将薄膜加热到熔融状态，以液态形式转移到平行基底放置的受体表面。
LIFT技能与LLO激光剥离技能比较，具有更高的选择性，能快速沉积小尺寸图形和微构造。
而引入超快激光的激光勾引前向转移技能可制作的图形特色尺寸能够达到微纳米量级，已有宣布采取飞秒激光勾引前向转移技能制备可运用于微电器件的微米级银导线。

此外，通过在薄膜材料与透明基底之间添加聚合物捐躯层，LIFT技能也可用于微电子机器系统（microelectromechanical systems, MEMS）的转移与装置。

6超快激光微孔制备技能

传统的二维IC（integrated circuit, IC）芯片是在平面上集成一层半导体器件并通过引线键合连接，然而光刻尺寸、器件尺寸已经靠近物理极限，摩尔定律正受到越来越多的寻衅。
因此集成电路逐步呈现出以高密度互连技能为主体的积层化、多功能化特色，基于硅通孔（through silicon vias, TSV）互连的三维集成技能，将引发集成电路的根本性改变。

TSV技能中晶圆微孔制备是该技能的紧张难点，超快激光制孔因其具有热影响区小、边缘熔渣少、适宜加工脆硬材料等特点已逐渐成为微孔制备领域的热点技能，运用于TSV中微孔的制备。
三星公司公布的512 GB高密度闪存芯片中由48张晶圆叠层而成，晶圆厚度仅为40 m，其 TSV的制作即由激光钻孔完成。
日本三菱机床有限公司开拓出的深紫外皮秒激光加工系统，可以在0.1 mm 厚SiC上钻出直径10 m的孔且边缘光滑。
图5所示采取皮秒激光可以在300 m厚的玻璃上实现最小直径48 m的通孔。

图4 皮秒激光钻孔技能在电子封装运用（a）环形陀螺仪的封装;（b）加速度计的封装

7透明材料的超快激光微焊接技能

透明材料的微焊接技能是超快激光在电子封装领域的另一大运用，利用透明材料作为集成和封装的基底可以有效扩展器件利用功能，近年来在MEMS封装中得到广泛利用。

美国 PolarOnyx公司利用飞秒光纤激光，在1 MHz高重复频率脉冲下通过单线/多线熔化石英，实现玻璃的焊接及密封。
利用红外飞秒激光对环烯烃共聚物基片的微流控器件进行封装实验，利用0.6 MPa的流体压力测试密封性，焊缝外无任何泄露；该技能还被运用于石英玻璃和单晶硅异种材料的焊接。
目前，华为、三星等公司已将超快激光技能用于最新OLED折叠屏手机透明基板的封装以适应极为严格环境哀求。

展望与发展

超快激光加工的紧张发展趋势包括以下4个方面：

1）探索超快激光与物质相互浸染机制的系统认知和理解，建立激光与材料相互浸染多尺度理论体系如剖析模型和表达关系，从电子层面理解光场调控下超快激光加工的新征象和新效应；

2）开拓由多种材料组合而成的功能层超快激光直写、剥离、微焊接及封装技能，并据此开展超快激光加工动态行为和在线监测反馈装备研制及关键技能研究；

3）打破加工尺度制约，实现百毫米到几纳米跨尺度的高效超快激光加工技能；

4）全面拓展复合超快激光加工技能，实现多能量（激光+其他形式能量）复合、多方法（物理+化学）复合，发展高效率低毛病超快激光复合加工技能。

总结

超快激光加工因其对材料的广泛适用性，已成为特种材料加工的主要技能，但在超快激光系统本钱、超快激光非线性浸染调控等方面还存在着很多亟待办理的问题和改进之处。
相信随着对超快激光与材料浸染机理更加深入的研究，对加工工艺与加工参数的不断探索和优化，以及创新型事理和部件的开拓与运用，超快激光加工技能必将打破一个个技能壁垒，在更为广阔的高端制造领域产生巨大的经济和运用代价。