[發明專利]一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法

在審

• 申請號: 202110135813.1
• 申請日: 2021-02-01
• 公開（公告）號: CN112917028A
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 趙萬芹;梅雪松;楊子軒
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K26/386
• 分類號: B23K26/386;B23K26/064;B23K26/082;B23K26/60
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)搭建激光加工系統，激光加工系統包括短脈沖激光器(1)，短脈沖激光器(1)輸出激光束經過擴束鏡(2)對其進行擴束，擴束光依次經過小孔光闌(3)、第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)進入掃描振鏡(6)和聚焦場鏡(7)，聚焦場鏡(7)將激光進行聚焦后垂直照射在移動加工平臺(8)的加工工位上，短脈沖激光器(1)、掃描振鏡(6)、移動加工平臺(8)和計算機(9)連接；

2)將封裝基板放置于超聲清洗機中進行清洗，將吹干后的封裝基板固定在移動加工平臺(8)的加工工位上，調節移動加工平臺(8)的高度，使激光聚焦于封裝基板上表面；

3)通過計算機(9)控制短脈沖激光器(1)的通斷，并設置短脈沖激光器(1)的激光加工參數；

4)通過計算機(9)繪制激光加工路徑，并設置路徑軌跡參數；

在計算機(9)上打開掃描振鏡(6)的控制軟件，繪制激光加工路徑圖，根據預加工盲孔設置圓圖案，在圓圖案內部采用井字型填充軌跡，設置填充間距d，即圓圖案內部橫縱方向上線條之間的間距；激光的加工掃描順序為先加工圓圖案軌跡，再加工井字型填充軌跡；

5)通過計算機(9)控制短脈沖激光器(1)輸出激光，利用掃描振鏡(6)控制激光沿設定路徑在封裝基板上進行盲孔加工；

6)盲孔加工完成后，取下封裝基板，先后用丙酮和無水乙醇分別超聲清洗20分鐘，得到封裝基板加工成品。

2.根據權利要求1所述的一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法，其特征在于：所述的步驟1)中短脈沖激光器(1)為脈沖寬度≤15ns的納秒激光器、皮秒激光器或飛秒激光器。

3.根據權利要求1所述的一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法，其特征在于：所述的步驟2)中封裝基板材料為環氧樹脂材料、金屬材料、陶瓷材料、硅基板、金剛石或功能復合材料。

4.根據權利要求1所述的一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法，其特征在于，所述的步驟4)中繪制激光加工路徑具體為：激光先從坐標原點O通過跳轉軌跡①到達圓圖案掃描起始點A，開始掃描圓圖案軌跡②，掃描次數為N₁次，掃描結束后激光從A點經跳轉軌跡③到達圓圖案內部井字型填充軌跡的掃描起始點B₁，準備開始井字型填充軌跡的加工；激光先掃描橫向線條④，在線條之間的跳轉遵循最短路徑原則，即以S型進行掃描和跳轉，從B₁點開始到B₂點結束；再從B₂點跳轉到C₁點開始掃描縱向線條⑤，依然以S型進行掃描和跳轉，到達C₂點完成一輪掃描；此時激光通過跳轉軌跡⑥回到B₁點繼續第二輪掃描，重復以上井字型填充軌跡的掃描過程，直到掃描次數為N₂次時完成井字型填充軌跡的加工，激光從C₂點直接跳轉回原點O，掃描結束。

5.根據權利要求4所述的一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法，其特征在于：所述的圓圖案軌跡②的半徑為r，盲孔半徑為R，聚焦光斑半徑為ω，圓圖案軌跡的半徑等于盲孔半徑減去聚焦光斑半徑，r＝R-ω。

6.根據權利要求5所述的一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法，其特征在于：所述的圓圖案內部井字型填充軌跡的填充線間距為d，填充線間距應等于聚焦光斑半徑，即d＝ω，此時激光掃描時垂直于掃描方向的光斑重疊率為50％。

7.根據權利要求5所述的一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法，其特征在于：所述的步驟4)中路徑軌跡參數包括激光掃描速度、激光跳轉速度和激光掃描次數，激光掃描次數根據盲孔深度進行確定，圓圖案軌跡的掃描次數N₁為井字型填充軌跡掃描次數N₂的一半，即N₁＝1/2N₂，以保證盲孔底部材料均勻去除。

8.一種封裝基板表面平底盲孔的激光加工方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)搭建激光加工系統，激光加工系統包括短脈沖激光器(1)、擴束鏡(2)、小孔光闌(3)、第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)、掃描振鏡(6)、聚焦場鏡(7)、移動加工平臺(8)和計算機(9)；短脈沖激光器(1)為納秒激光器，短脈沖激光器(1)輸出激光束經過擴束鏡(2)對其進行擴束，數值孔徑增大，以便于減小聚焦后的激光光斑尺寸；擴束光依次經過小孔光闌(3)、第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)進入掃描振鏡(6)和聚焦場鏡(7)，聚焦場鏡(7)將激光進行聚焦后垂直照射在移動加工平臺(8)的加工工位上，短脈沖激光器(1)、掃描振鏡(6)、移動加工平臺(8)和計算機(9)連接；小孔光闌(3)用于濾去光斑邊緣的衍射光圈，掃描振鏡(6)內含一對偏轉鏡片，通過伺服電機控制偏轉鏡片偏轉以完成對激光束的高速精準控制，實現二維圖案的掃描加工；計算機(9)控制整個激光加工過程；

2)將厚度為0.38mm，質量分數為96％的氧化鋁陶瓷封裝基板用有機溶劑超聲清洗30分鐘，去除表面的油脂、灰塵物質，清洗后使用壓縮空氣吹干；將吹干后的封裝基板固定在移動加工平臺(8)的加工工位上，使用逐層劃線法尋找激光的焦平面位置，劃線時的激光功率設置為0.05W，重復頻率50kHz，激光掃描速度為0.3mm/s，掃描次數為1次；調整移動加工平臺(8)的高度至聚焦光斑照射在封裝基板上表面呈現出肉眼可見的最小光點時，打開短脈沖激光器(1)，控制移動加工平臺(8)以100μm的步長沿Z軸正負方向分別移動10次，分別在不同焦平面內對封裝基板上表面的不同位置進行劃線，劃線完成后選取封裝基板上寬度最細的線條，其對應的加工高度即為激光聚焦于封裝基板上表面的位置，使聚焦場鏡(7)照射到封裝基板上表面的聚焦光斑直徑為20μm；

3)通過計算機(9)控制短脈沖激光器1的通斷，并設置短脈沖激光器(1)的激光加工參數，激光波長為355nm，脈寬為11ns，單脈沖能量為120μJ，重復頻率為50kHz，使激光功率為6W；

4)通過計算機(9)繪制激光加工路徑，并設置路徑軌跡參數；

在計算機(9)上打開掃描振鏡(6)的控制軟件ScanMasterDesigner，繪制激光加工路徑圖，預加工直徑為200μm，深度為100μm的盲孔，設置圓圖案半徑r為90μm，在圓圖案內部采用井字型填充軌跡，設置填充間距d為10μm，即圓圖案內部橫縱方向上線條之間的間距均為10μm；激光的加工掃描順序為先加工圓圖案軌跡，再加工井字型填充軌跡；

具體為：激光先從坐標原點O通過跳轉軌跡①到達圓圖案掃描起始點A，開始掃描圓圖案軌跡②，掃描次數為N₁次，掃描結束后激光從A點經跳轉軌跡③到達圓圖案內部井字型填充軌跡的掃描起始點B₁，準備開始井字型填充軌跡的加工；激光先掃描橫向線條④，在線條之間的跳轉遵循最短路徑原則，即以S型進行掃描和跳轉，從B₁點開始到B₂點結束；再從B₂點跳轉到C₁點開始掃描縱向線條⑤，依然以S型進行掃描和跳轉，到達C₂點完成一輪掃描；此時激光通過跳轉軌跡⑥回到B₁點繼續第二輪掃描，重復以上井字型填充軌跡的掃描過程，直到掃描次數為N₂次時完成井字型填充軌跡的加工，激光從C₂點直接跳轉回原點O，掃描結束；設置激光掃描速度為300mm/s，激光跳轉速度為4000mm/s，圓圖案軌跡掃描次數N₁為10次，井字型填充軌跡掃描次數N₂為20次；

5)通過計算機(9)控制短脈沖激光器(1)輸出激光，利用掃描振鏡(6)控制激光沿設定路徑在封裝基板上進行盲孔加工；

6)盲孔加工完成后，取下封裝基板，先后用丙酮和無水乙醇分別超聲清洗20分鐘，得到封裝基板加工成品。