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技術(shù)文章
激光切割技術(shù)在不同材料的應(yīng)用分析
點擊次數(shù)：3015 發(fā)布時間：2010-7-16
芯片切割工藝的現(xiàn)況
| 依據(jù)其波長的變化、輸出方式（連續(xù)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)、汽車工業(yè)、飛機工業(yè)、五金加工、塑料加工、醫(yī)學(xué)、通訊、軍事、甚至于娛樂業(yè)都可以找到激光的應(yīng)用范例, 可謂不勝枚舉、洋洋大觀, 難怪有人稱激光器為工具。 專就激光器切割（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(yīng)（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）基板就是一個常見激光器切割成功的應(yīng)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, 雖然作者亦曾于1999 Productronica Munchen實地參觀過瑞士Synova公司所開發(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題需要克服之外,其實不論就售價、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(chǔ)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(zhàn), 請參考以下說明。 2. 芯片切割的未來 以鉆石刀具來切割芯片將使得芯片的背面承受拉應(yīng)力（Tension Stress）, 因此, 當(dāng)厚度變薄時會造成更嚴(yán)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)問題, 不過二者皆需付出降低產(chǎn)能的代價。日本DISCO公司研發(fā)出所謂DBG（Dicing Before Grinding）的工藝來解決此問題, 不過除了Dicing（切割）與Grinding（背磨）之外, 此DBG工藝尚包括繁復(fù)的Tape（上膠帶）與De-tape（去膠帶）程序,所以此構(gòu)想至今并未廣為業(yè)界接受。 如果切割時刀具能夠不施力于芯片, 無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。不過以上的兩種替代（Alternative）工藝亦都有其需要克服的問題, 所以目前亦未有量產(chǎn)的相關(guān)芯片切割機種出現(xiàn)。 除了芯片背崩的問題之外, 其實Low-k材質(zhì)的出現(xiàn)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切割, 然而如以傳統(tǒng)的激光器為之, 亦會因高熱而產(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), 而不會殘留多余的熱量, 換句話說, 激光器僅需負(fù)責(zé)去除Low-k材質(zhì), 而芯片本身則仍以傳統(tǒng)的鉆石刀具來切割, 除非日后芯片厚度薄到無法承受鉆石刀具的撞擊或者激光器光能夠?qū)⑵漭p易的切穿, 否則此種Hybrid（復(fù)合）的方式應(yīng)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, 不過它充其量只是許多候選設(shè)備中較被看好的一個, 在正式成為主流量產(chǎn)設(shè)備前, 它尚有許多問題需要去克服, 例如: 當(dāng)切割道（Cutting Street）有測試點（Metal Pad）時所造成的剝離品質(zhì)問題等等, 其實, 我們可由中國臺灣目前尚無乙臺被半導(dǎo)體業(yè)者驗證成功的Low-k材質(zhì)激光器切割機的這個事實來判斷, 就可以很清楚的了解這場戰(zhàn)役尚未結(jié)束, 國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研如有不錯的構(gòu)想, 也不是*沒有在這場新的競賽里拔得*的機會。 |
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(yuǎn)紅外波段10.6um光束的CO2激光器還是成功的應(yīng)用于許多金屬的激光切割實踐。金屬對10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%~10%，但是，當(dāng)具有功率密度超過106w/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時，卻能在微秒級的時間內(nèi)很快使表面開始熔化。處于熔融態(tài)的大多數(shù)金屬的吸收率急劇上升，一般可提高60%~80%。
（1）碳鋼。
現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)可以切割碳鋼板的zui大厚度可達(dá)20MM，利用氧化熔化切割機制切割碳鋼的切縫可控制在滿意的寬度范圍，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(gòu)件的制造業(yè)來說是個有效的加工工具。在嚴(yán)格控制激光切割過程中的熱輸入措施下，可以限制切邊熱影響區(qū)變得很小，從而很有效的保持此類材料的良好耐腐蝕性。
（3）合金鋼。
大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)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(shù)控制得當(dāng)，可獲得平直、無粘渣切邊。不過，對于含鎢的高速工具鋼和熱模鋼，激光切割時會有熔蝕和粘渣現(xiàn)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(qū)吹走熔融產(chǎn)物，通?？色@得較好的切面質(zhì)量。對某些鋁合金來說，要注意預(yù)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(zhuǎn)化的熱能，輔助氣體采用氧時化學(xué)反應(yīng)激烈，切割速度較快，但易在切邊生成氧化層，不小心還會引起過燒。為穩(wěn)妥起見，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，雖然切縫底部會有少許粘渣，但很容易清除。
（7）鎳合金。
鎳基合金也稱超級合金，品種很多。其中大多數(shù)都可實施氧化熔化切割。
數(shù)字紙制品加工技術(shù)
對傳統(tǒng)模切工藝來說，激光數(shù)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(biāo)準(zhǔn)的激光數(shù)字紙制品加工系統(tǒng)包括一個CO2激光器、電源、冷卻裝置、控制器、軟件、煙霧收集系統(tǒng)以及卷筒紙?zhí)幚硐到y(tǒng)（如果沒有集成到現(xiàn)有的印刷或印后加工生產(chǎn)線時是這樣配置的）。此外在對定位套準(zhǔn)要求比較嚴(yán)格的情況下，還需要一套以照相機為基礎(chǔ)的視覺系統(tǒng)。這項技術(shù)的投資額度應(yīng)該在18萬美元到30萬美元之間，相當(dāng)于對印前系統(tǒng)進(jìn)行一次主要的升級。
滾筒對滾筒的激光系統(tǒng)可實現(xiàn)步進(jìn)式移動，使系統(tǒng)間歇或按讀數(shù)的方式運動，在運動的過程中完成裁切，激光系統(tǒng)連續(xù)的運動是以事先編排好的沖裁程序為依據(jù)的。通過調(diào)整裁切速度來實現(xiàn)光束是否*穿透材料，完成對材料的裁切。如果對激光參數(shù)的設(shè)置不同，可將材料壓出不同深度的線痕，或優(yōu)勢
激光數(shù)字紙制品加工技術(shù)有很多優(yōu)勢。從靈活性角度來講，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性化包裝或商標(biāo)提供了可能。性也是數(shù)字系統(tǒng)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程中存在的不準(zhǔn)確，如材料可能會發(fā)生伸縮變形，激光可以根據(jù)這些變形進(jìn)行調(diào)整，而傳統(tǒng)的模板制作就不能了。
激光數(shù)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(shè)計方案進(jìn)行修改，而不會影響整個生產(chǎn)過程。簡單和復(fù)雜的形狀都花同樣的費用，在同樣的時間內(nèi)完成。從回報的角度來說，終端用戶可以控制短版或中版生產(chǎn)，而不用制造大量的模板。可以更快地根據(jù)客戶需求做出反應(yīng)，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(fù)。激光的無壓力裁切過程通常不會損壞材料，而且在對不干膠商標(biāo)進(jìn)行測試時，發(fā)現(xiàn)通過激光輕壓裁切的商標(biāo)比旋轉(zhuǎn)鑄模制造的商標(biāo)具有更好的剝離性。
市場空間
在包裝領(lǐng)域中，激光數(shù)字紙制品加工的市場還處于起步階段，但它是一個*開放的市場，可以應(yīng)用于各種包裝應(yīng)用中。
目前有越來越多的企業(yè)對此表示出濃厚的興趣，其中很多都是擁有數(shù)字印刷機的公司，他們將數(shù)字激光制模板技術(shù)看成是提高數(shù)字印刷競爭力的一個可行方案。據(jù)介紹，激光線速度可以與數(shù)字印刷機的線速度相匹配，從理論上講，用戶可以連續(xù)運行十種不同的印刷和印后加工作業(yè)，中途無須停機。
目前，數(shù)字激光紙制品加工系統(tǒng)已經(jīng)在包裝行業(yè)的各個領(lǐng)域有了安裝，但這些系統(tǒng)的安裝大多數(shù)都相當(dāng)保密，系統(tǒng)的制造商都要簽署保密協(xié)議。雖然整個技術(shù)已經(jīng)逐漸成型，但市場本身仍然處于發(fā)展初期。
應(yīng)用于軟包裝的激光技術(shù)還可以完成許多模切技術(shù)無法實現(xiàn)的特殊操作，如輪轉(zhuǎn)模切技術(shù)不可能打出用來保證呼吸的超小孔，旋轉(zhuǎn)就無法裁切出非常干凈的小洞，zui終產(chǎn)生的小洞還可能會被余留材料堵住。
供應(yīng)商們不斷努力為激光器的安裝掃清障礙。材料的兼容性問題一直與材料制造商緊密，特別是現(xiàn)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終會成為模切技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)嗎？專家認(rèn)為很有可能，他們認(rèn)為在未來的十年間，傳統(tǒng)的模切技術(shù)將會從主要的紙制品加工企業(yè)中消失。那時每個人都將使用激光系統(tǒng)。
就現(xiàn)在來看，激光技術(shù)是印后加工應(yīng)用中一個非常特殊的應(yīng)用。一些專家建議：激光數(shù)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(zhuǎn)技術(shù)可以達(dá)到所需的速度和度，那么繼續(xù)使用輪轉(zhuǎn)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不同的切痕之間的動態(tài)差異。玻璃切割的邊緣干凈沒有裂片和裂痕，不需要后續(xù)處理工序。因為激光是非接觸工具，沒有工具的磨損問題，從而可保證持續(xù)、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，可以看到沿著切割線存在各種殘余張力成份。3（c）是金剛石砂輪切割的結(jié)果，可看到很多微小的裂痕，對于許多璃，直線切割，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(dá)1500mm/秒。但是，即使是在注重速度的應(yīng)用中，這種差異也將被激光切割所帶來的經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量優(yōu)勢所彌補。同時，我們都相信，進(jìn)一步的加工過程優(yōu)化以及采用更高輸出功率的激光器進(jìn)行切割都會容易地將加工速度提高2至3倍。
曲線切割
因為裂痕是地沿著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圖案。事實上，我們所做的實驗也證明了無論直線或是曲線，激光切割都能連續(xù)地、地完成設(shè)定圖案，重復(fù)性可達(dá)+50μm。所以激光可以進(jìn)行曲線和三維圖形的切割。
應(yīng)用
長遠(yuǎn)來說，激光引致的分離技術(shù)將在許多玻璃的切割應(yīng)用中取代機械法。近期，激光切割已在下述的三個應(yīng)用領(lǐng)域中顯示強大的技術(shù)優(yōu)勢，它們是：CRTS，平板顯示，以及汽車的風(fēng)擋玻璃等的切割等。
有些應(yīng)用需要對玻璃進(jìn)行特殊的后續(xù)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(shù)帶硅鍍層的平板顯示器元件必須經(jīng)過溫度退火等。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4mm 厚的玻璃片，在特殊熱處理過程中，沒有一片被破壞。
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