Лазерные технологии в производстве радиоэлектронной аппаратуры (Раздаточные материалы)

9

Лазерные технологии в производстве радиоэлектронной аппаратуры

Лазер — это генератор когерентного света.

Идеально когерентная (упорядоченная) волна имеет строго определенные длину и частоту, плоский фронт и является идеально поляризованной.

Когерентное излучение обладает такими свойствами:

***монохроматичность

*** малая расходимость луча

***высокая яркость.

Это позволяет фокусировать лазерное излучение на поверхность обрабатываемого материала с помощью простой оптической системы.

Лазеры — это устройства, испускающие поляризованные световые волны, имеющие определенную длину и частоту.

Слово лазер состоит из начальных букв английского словосочетания

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,

что в переводе на русский язык означает: усиление света вынужденным испусканием.

Р
ис. …Схема оптического резонатора

1 – полностью отражающее зеркало; 2 – активный элемент; 3 – выходное зеркало

Рис. … Функциональная схема лазера

1 – активный элемент; 2 – зеркало резонатора; 3 – элемент резонатора; 4 – система накачки.

Рис. . Оптический лазер

Рис. .. Структурная схема лазерной технологической установки: 1 - программное устройство; 2 - лазер, 3 - датчик параметров излучения, 4 -лазерное излучение, 5 - оптическая система, 6 - источник вспомогательной энергии, 7 — обрабатываемая деталь, 8 — устройство для закрепления и перемещения обрабатываемой детали, 9 -датчик параметров тех.процесса, 10 - устройство подачи технологической среды

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

• Большинство технологических операций производства приборов микроэлектроники, осуществляемых с помощью лазеров, основано на поглощении лазерного излучения веществом, т.е. на тепловом действии света на непрозрачные среды.

• Проникновение излучения Е(х) в материалы описывается уравнением

E(x)=E₀(1-R)e^-ax,

• где Е₀ — энергия, падающая на поверхность, R — коэффициент отражения поверхности, а — коэффициент поглощения. Количество энергии, поглощаемой в слое толщиной Δ_х:,

ΔЕ(х) =Е₀ (1 - R)ae^-ax Δx.

Процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом можно условно разделить на несколько этапов

• поглощение лучистой энергии и переход ее в теплоту

• нагревание материала до температуры плавления

• плавление материала и испарение продуктов разрушения

остывание материала

Сверление отверстий лазером

Преимущества сверления лазером:

• способность фокусировки излучения в пятно малых размеров (диаметр отверстий от 0,005 мм)

• обработка деталей без механического воздействия инструмента

• управляемость процессом сверления по глубине отверстия

• небольшая зона прогрева

• сокращение времени сверления в сверхтвердых материалах с 20-30 мин до нескольких секунд

• возможность сверления практически любых материалов (например, полупроводниковые, дерево, бумагу, керамику, пластмассу и др.)

Технологические особенности:

• прямолинейность и контур поверхности, конусность отверстия и отсутствие микротрещин зависят от интенсивности лазерного излучения и времени облучения

• единичным лазерным импульсом можно получить отверстие, максимальная глубина которого составит 5-6 его диаметров

при использовании периодических импульсов увеличивается глубина отверстия до десяти диаметров, но удлиняется время обработки

Лазерным лучом можно сверлить: металл, пластмассы, дерево, алмазы, керамику, стекла, бумагу, полупроводники – все!

Для лазерного сверления в промышленности применяют установки "Квант-9" и "Квант-9М", в которых используют импульсные лазеры на стекле с неодимом. Процесс обработки в двух взаимно перпендикулярных проекциях при увеличении х62 контролируют оптической системой.

Характеристика установки "Квант-9" "Квант-9М"

Диаметр высверливаемых отвестий, мм 0,005-0,8 0,005-2,0

Глубина высверливаемых отверстий, мм до 0,3 до 3

Точность изготовления, класс 3-4 3-4

Максимальная энергия излучения, Дж ... 8 8

Длительность импульса, мс 0,5-0,7 0,5

Ч

астота следования импульсов в автомати­
ческом режиме, имп/мин 6—60 6-18

Микроотверстие, D = 75 мкм Микроотверстие, D = 100 мкм

Рис. … Сверление микроотверстий диаметром меньше 50 мкм с помощью УФ-лазерного излучения

Достоинства технологии:

• отсутствие отслоения проводящего рисунка, уменьшение 
    эффекта «красного кольца»

• автоматическая коррекция позиционирования и искажений
    материала путем

• регистрации приводочных меток, а также оперативного
    масштабирования

• высокая прецизионность исполнения и точное расположение
    отверстий

• идеальная геометрия отверстия

Тонкие полимерные материалы и соединения такие, например, как медь с полимером, можно превосходно резать и сверлить с помощью УФ-лазера. Результатом обработки являются точные, почти безрадиусные контуры. Кромки реза получаются гладкими и прямоугольными.

Рис. … Сверление в полимерной фольге

Рис. … Сверление отверстия D=0,1мм в пластине из феррита толщиной 0,5 мм

Модульная установка лазерной прорезки апертур в трафаретах для нанесения паяльной пасты

Рис. . Лазерная резка приборных трафаретов

Гибкая система может функционировать на различных материалах в различных отраслях, помимо электроники: микрорезка, микросварка, точная гравировка, фрезерование на глубину

Рис. .. Установка лазерного сверления апертур в трафаретах MAPE LASERCUT -1(Дания)

а) б)

Рис. . Лазерная прошивка отверстий: а) в ситалле; б) в поликоре

Лазерная резка

Преимущества лазерной резки:

• обработка сверхтвердых материалов (например, алмаза)

• незначительная ширина пропила

• независимость направления распиловки от ориентации кристалла

• возможность разрезов сложной формы

• обработка кристаллов с большими внутренними напряжениями

Рис. . Лазерный технологический комплекс для резки МЛ3: длина волны излучения (мкм) 1.064; мощность лазера (Вт) 300 или 600; частота повторения импульсов, Гц до 200; точность позиционирования (мм) 0.1; габариты обрабатываемых деталей (мм) 850х1250 (1250х1250)

Лазерная резка полупроводниковых пластин исключает трудности, связанные с сохранением ориентации кристаллов при абразивной резке, необходимой для автоматизации производства, особенно при проведении сборочных операций.

Рис. . Схема процесса разделения полупроводниковой пластины с сохранением ориентации кристаллов: 1 –объектив; 2 – устройство защиты; 3 – пластина; 4 – спутник; 5 – камера. Скорость разделения пластин при глубине реза 0,25 мм – 120 мм/мин

Лазерные технологии: подгонка пленочных резисторов микросхем

Рис. .. При лазерной подгонке материал можно удалять поочередным выжиганием отверстий (а) либо непрерывными линейными резами (б).

Преимущества лазерного метода подгонки:

• возможность подгонки резисторов из любых материалов

• повышение механической прочности изделия в результате сплавления резистора с подложкой по контуру лазерной обработки

• высокая скорость подгонки

• малая ширина и высокая чистота реза

• возможность подгонки резисторов через прозрачное герметизирующее покрытие

• отсутствие нагрева и повреждений близлежащих, особенно термочувствительных элементов ИМС

• высокая точность подгонки (до 0,01%)

• малое количество загрязняющих продуктов разложения, образующихся в процессе подгонки

К недостаткам метода относится нестабильность сопротивления резистора во времени (послеподгоночный дрейф), связанная с изменением свойств пленки вокруг выжженного отверстия.

Рис. .. Схема установки для подгонки тонкопленочных резисторов: 2 – устройство автоматического управления установкой, 3 – пульт управления, 4 – устройство охлаждения, 6 – источник питания, 7 – устройство автоматического управления столом, 8 – устройство для наблюдения, а – активный элемент, б – лампа на

Устройством автоматического управления 7 координатный стол 10 выводится в рабочее положение и включается лазер 5. Дальнейшее перемещение координатного стола управляется сигналами, поступающими с устройства контроля сопротивления 1. При достижении требуемого значения сопротивления резистора 9 процесс подгонки прекращается.

Рис. . Схема установки для подгонки тонкопленочных конденсаторов: 1 – подложка, 2 – нижняя обкладка, 3 – диэлектрик, 5 – источник излучения, 7 – направление испарения металла верхней обкладки

Подгонку емкости ТПК лазерным излучением осуществляют изменением площади перекрытия обкладок. При обработке конденсатора лучом лазера 6 с короткими импульсами большой мощности удаляется часть верхней обкладки 4.

Рис. .. Машина лазерная для подгонки резисторов МЛ5-2

Машина предназначена для выполнения операции лазерной подгонки резисторов, выполненных по тонкопленочной или толстопленочной технологи на подложках из поликора, ситалла, керамики (и др. материалов).

Ручная подгонка осуществляется с помощью джойстика-манипулятора

Лазерные технологии: Лазерное скрайбирование для разделения ЧИПов

Скрайбирование является эффективным методом

разделения таких неметаллических материалов, как

керамика, кремний или стекло.

Преимущества лазерного скрайбирования:

• отсутствие трещин и микросколов

• обработка практически всех полупроводниковых материалов с различными покрытиями

• высокая скорость обработки (до 250 мм/с)

• малая ширина реза

• малая ширина дефектной зоны (менее 50 мкм)

Лазерные технологии: Лазерная резка для разделения полупроводниковых пластин на ЧИПы

Технология Laser MicroJet, швейцарской компанией Synova