激光切割技术在不同材料的应用分析
- 发布时间：2010/7/16 11:31:29
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芯片切割工艺的现况
| 依据其波长的变化、输出方式（连续波或者脉波输出）的不同、不同的输出功率与能量,不论是电子工业、汽车工业、飞机工业、五金加工、塑料加工、医学、通讯、军事、甚至于娱乐业都可以找到激光的应用范例, 可谓不胜枚举、洋洋大观, 难怪有人称激光器为工具。 专就激光器切割（Laser Cutting or Laser Scribing）而论,其原理系利用高能量集中于极小面积上所产生的热效应（Thermal Technique）, 所以非常适用于切割具有硬（Hard）、脆（Brittle）特性的陶瓷材料, 氧化铝（Alumina）基板就是一个常见激光器切割成功的应用案例。 然而将激光器使用于8”以下硅芯片的切割案例并不多见, 虽然作者亦曾于1999 Productronica Munchen实地参观过瑞士Synova公司所开发以亚格激光器为核心的硅芯片切割机。至于学术界对于激光器切割硅材质的研究则至少可以追溯到1969年L. M. Lumley发表于Ceramic Bulletin的文章”Controlled Separation of Brittle Materials Using a Laser”。 将激光器切割机使用于硅芯片切割工艺, 除了激光器本身巨大的热量问题需要克服之外,其实不论就售价、工艺良率、与产能而论, 激光器切割机均未较以钻石刀具（Diamond Blade）为基础的芯片切割机（Wafer Saw）*, 所以8”硅芯片的切割工艺目前仍以芯片切割机为主流, 不过由于电子产品轻薄化的趋势与硅芯片延伸至300 mm, 使得芯片切割机的地位受到激光器切割机*的挑战, 请参考以下说明。 2. 芯片切割的未来 以钻石刀具来切割芯片将使得芯片的背面承受拉应力（Tension Stress）, 因此, 当厚度变薄时会造成更严重的芯片背崩（Back Side Chipping or Cracking）, 而Flip Chip的封装方式更加突显芯片背崩的品质问题。 虽然降低切割速度或者采取阶段切割（Step Cutting）的方式都可以改善芯片背崩的品质问题, 不过二者皆需付出降低产能的代价。日本DISCO公司研发出所谓DBG（Dicing Before Grinding）的工艺来解决此问题, 不过除了Dicing（切割）与Grinding（背磨）之外, 此DBG工艺尚包括繁复的Tape（上胶带）与De-tape（去胶带）程序,所以此构想至今并未广为业界接受。 如果切割时刀具能够不施力于芯片, 无疑的将可避免芯片背崩的产生, 因此非接触（Non Contact）的切割方式, 如激光器或者蚀刻（Etch）, 就特别受到业者的注意与期待。不过以上的两种替代（Alternative）工艺亦都有其需要克服的问题, 所以目前亦未有量产的相关芯片切割机种出现。 除了芯片背崩的问题之外, 其实Low-k材质的出现才是目前激光器切割机受到大家瞩目的真正原因。许多Low-k材质由于其Porous或者Polymer的特性, 并不宜以钻石刀具来切割, 然而如以传统的激光器为之, 亦会因高热而产生不良的切割品质。 的状况就是希望激光器的能量能够全部用以去除Low-k材质, 而不会残留多余的热量, 换句话说, 激光器仅需负责去除Low-k材质, 而芯片本身则仍以传统的钻石刀具来切割, 除非日后芯片厚度薄到无法承受钻石刀具的撞击或者激光器光能够将其轻易的切穿, 否则此种Hybrid（复合）的方式应是比较合理的作法。 Low-k材质的激光器切割机虽然被许多人看好, 不过它充其量只是许多候选设备中较被看好的一个, 在正式成为主流量产设备前, 它尚有许多问题需要去克服, 例如: 当切割道（Cutting Street）有测试点（Metal Pad）时所造成的剥离品质问题等等, 其实, 我们可由中国台湾目前尚无乙台被半导体业者验证成功的Low-k材质激光器切割机的这个事实来判断, 就可以很清楚的了解这场战役尚未结束, 国内产学研如有不错的构想, 也不是*没有在这场新的竞赛里拔得*的机会。 |
金属材料的激光切割
虽然几乎所有的金属材料在室温对红外波能量有很高的反射率，但发射处于远红外波段10.6um光束的CO2激光器还是成功的应用于许多金属的激光切割实践。金属对10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%~10%，但是，当具有功率密度超过106w/cm2的聚焦激光束照射到金属表面时，却能在微秒级的时间内很快使表面开始熔化。处于熔融态的大多数金属的吸收率急剧上升，一般可提高60%~80%。
（1）碳钢。
现代激光切割系统可以切割碳钢板的zui大厚度可达20MM，利用氧化熔化切割机制切割碳钢的切缝可控制在满意的宽度范围，对薄板其切缝可窄至0.1MM左右。
（2）不锈钢。
激光切割对利用不锈钢薄板作为主构件的制造业来说是个有效的加工工具。在严格控制激光切割过程中的热输入措施下，可以限制切边热影响区变得很小，从而很有效的保持此类材料的良好耐腐蚀性。
（3）合金钢。
大多数合金结构钢和合金工具钢都能用激光切割方法获得良好的切边质量。即使是一些高强度材料，只要工艺参数控制得当，可获得平直、无粘渣切边。不过，对于含钨的高速工具钢和热模钢，激光切割时会有熔蚀和粘渣现象发生。
（4）铝及合金。
铝切割属于熔化切割机制，所用辅助气体主要用于从切割区吹走熔融产物，通常可获得较好的切面质量。对某些铝合金来说，要注意预防切缝表面晶间微裂缝产生。
（5）铜及合金。
纯铜（紫铜）由于太高的反射率，基本上不能用CO2激光束切割。黄铜（铜合金）使用较高激光功率，辅助气体采用空气或氧，可以对较薄的板材进行切割。
（6）钛及合金。
纯钛能很好耦合聚焦激光束转化的热能，辅助气体采用氧时化学反应激烈，切割速度较快，但易在切边生成氧化层，不小心还会引起过烧。为稳妥起见，采用空气作为辅助气体比较好，以确保切割质量。
飞机制造业常用的钛合金激光切割质量较好，虽然切缝底部会有少许粘渣，但很容易清除。
（7）镍合金。
镍基合金也称超级合金，品种很多。其中大多数都可实施氧化熔化切割。
数字纸制品加工技术
对传统模切工艺来说，激光数字纸制品加工技术的效率和灵活性具有强大的竞争能力。
标准的激光数字纸制品加工系统包括一个CO2激光器、电源、冷却装置、控制器、软件、烟雾收集系统以及卷筒纸处理系统（如果没有集成到现有的印刷或印后加工生产线时是这样配置的）。此外在对定位套准要求比较严格的情况下，还需要一套以照相机为基础的视觉系统。这项技术的投资额度应该在18万美元到30万美元之间，相当于对印前系统进行一次主要的升级。
滚筒对滚筒的激光系统可实现步进式移动，使系统间歇或按读数的方式运动，在运动的过程中完成裁切，激光系统连续的运动是以事先编排好的冲裁程序为依据的。通过调整裁切速度来实现光束是否*穿透材料，完成对材料的裁切。如果对激光参数的设置不同，可将材料压出不同深度的线痕，或优势
激光数字纸制品加工技术有很多优势。从灵活性角度来讲，该技术可以加工出任何已经编制好加工程序的形状；而且激光可以在任何方向上完成裁切。模板的形状可以快速地改变，不需要任何工具的帮助，为加工有竞争力的个性化包装或商标提供了可能。性也是数字系统的优势之一。用激光进行纸制品加工可以补偿印刷和印后加工过程中存在的不准确，如材料可能会发生伸缩变形，激光可以根据这些变形进行调整，而传统的模板制作就不能了。
激光数字纸制品加工技术在生产效率和生产力方面也同样令人青睐，在zui后一分钟还可以对设计方案进行修改，而不会影响整个生产过程。简单和复杂的形状都花同样的费用，在同样的时间内完成。从回报的角度来说，终端用户可以控制短版或中版生产，而不用制造大量的模板。可以更快地根据客户需求做出反应，因为这不需要制作铸模。
从审美学的角度出发也同样获得肯定的答复。激光的无压力裁切过程通常不会损坏材料，而且在对不干胶商标进行测试时，发现通过激光轻压裁切的商标比旋转铸模制造的商标具有更好的剥离性。
市场空间
在包装领域中，激光数字纸制品加工的市场还处于起步阶段，但它是一个*开放的市场，可以应用于各种包装应用中。
目前有越来越多的企业对此表示出浓厚的兴趣，其中很多都是拥有数字印刷机的公司，他们将数字激光制模板技术看成是提高数字印刷竞争力的一个可行方案。据介绍，激光线速度可以与数字印刷机的线速度相匹配，从理论上讲，用户可以连续运行十种不同的印刷和印后加工作业，中途无须停机。
目前，数字激光纸制品加工系统已经在包装行业的各个领域有了安装，但这些系统的安装大多数都相当保密，系统的制造商都要签署保密协议。虽然整个技术已经逐渐成型，但市场本身仍然处于发展初期。
应用于软包装的激光技术还可以完成许多模切技术无法实现的特殊操作，如轮转模切技术不可能打出用来保证呼吸的超小孔，旋转就无法裁切出非常干净的小洞，zui终产生的小洞还可能会被余留材料堵住。
供应商们不断努力为激光器的安装扫清障碍。材料的兼容性问题一直与材料制造商紧密，特别是现在激光已经可以处理好形状的拐角，而且可以在不损坏衬底材料的情况下裁切掉表面材料。
激光zui终会成为模切技术的标准吗？专家认为很有可能，他们认为在未来的十年间，传统的模切技术将会从主要的纸制品加工企业中消失。那时每个人都将使用激光系统。
就现在来看，激光技术是印后加工应用中一个非常特殊的应用。一些专家建议：激光数字纸制品加工是一项非常的高水平技术，需要一定的成本投入。如果你采用轮转技术可以达到所需的速度和度，那么继续使用轮转技术好了。每项技术都有自己的空间，而且每项技术都能在同一条生产线上很好的配合操作。
边缘质量
定性地描述在一张1.5毫米厚的玻璃片上三个不同的切痕之间的动态差异。玻璃切割的边缘干净没有裂片和裂痕，不需要后续处理工序。因为激光是非接触工具，没有工具的磨损问题，从而可保证持续、均匀的切割厚度和边缘质量。作为比较，3（b）显示了使用金属轮进行切割的边缘，可以看到沿着切割线存在各种残余张力成份。3（c）是金刚石砂轮切割的结果，可看到很多微小的裂痕，对于许多璃，直线切割，速度为500mm/秒。作为比较，硬质金属轮切割同样厚度同种玻璃的速度可达1500mm/秒。但是，即使是在注重速度的应用中，这种差异也将被激光切割所带来的经济性和质量优势所弥补。同时，我们都相信，进一步的加工过程优化以及采用更高输出功率的激光器进行切割都会容易地将加工速度提高2至3倍。
曲线切割
因为裂痕是地沿着激光光束所划出的痕迹, 激光引致的分离可以切划出非常的曲线图案。事实上，我们所做的实验也证明了无论直线或是曲线，激光切割都能连续地、地完成设定图案，重复性可达+50μm。所以激光可以进行曲线和三维图形的切割。
应用
长远来说，激光引致的分离技术将在许多玻璃的切割应用中取代机械法。近期，激光切割已在下述的三个应用领域中显示强大的技术优势，它们是：CRTS，平板显示，以及汽车的风挡玻璃等的切割等。
有些应用需要对玻璃进行特殊的后续处理，比如，某些安全玻璃元件须经温度硬化处理，以及多数带硅镀层的平板显示器元件必须经过温度退火等。激光引致分离法也配合这些特殊的后处理，我们用激光法切割了100个4mm 厚的玻璃片，在特殊热处理过程中，没有一片被破坏。