Al2O3陶瓷亚微秒激光打孔工艺研究

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氧化铝陶瓷已成为大功率LED照明、5G通讯、大功率电力半导体器件、太阳能电池板、汽车及航空航天等领域功率电子器件电路基板的主要材料。在氧化铝陶瓷电路基板的制造过程中,为实现基板正反两面的互通导电,需制备大量百微米直径的微孔。目前,市场上成熟的氧化铝陶瓷激光打孔技术为:采用长脉冲宽度(毫秒级)、峰值功率1到2千瓦、波长1微米的脉冲光纤激光器并辅助高压气体对陶瓷基板进行打孔,0.5mm厚氧化铝陶瓷基板,制备100μm直径的微孔,打孔速度为15-20孔/秒。陶瓷电路基板生产企业对打孔速度的需求是50-100孔/秒,现有技术已不能满足陶瓷电路基板企业的需求,且现有技术在激光打孔前,需在陶瓷基板表面涂覆激光吸收剂,打孔后还需清洗吸收剂,使得陶瓷打孔生产流程复杂。本文采用自行研制的脉宽为亚微秒级的Yb:YAG碟片激光器,对厚度为0.5mm的氧化铝陶瓷进行多脉冲打孔,其单脉冲能量达10mJ,峰值功率达10kW。围绕优化激光参数,提升打孔质量,开展了工艺研究,主要研究成果有:
  (1)测定了激光脉冲对氧化铝陶瓷的烧蚀阈值。激光聚焦光斑直径为50.57μm,烧蚀阈值为19.3J/cm2,为后续的打孔实验提供参考。
  (2)采用单一控制变量法,分析了脉冲重复频率、打孔时间、泵浦功率、离焦量、光斑大小等不同激光参数对氧化铝陶瓷板上微孔的孔径、锥度及表面形貌影响规律。研究发现,在其他参数一定时,选择20kHz的重复频率和合适的泵浦功率可以获得较好的孔型质量;增加打孔时间可使孔径趋于稳定;通过正离焦可以获得更好的锥度;改变光斑大小印证了孔径与光斑尺寸的对应关系;通过工艺参数的优化,在特定条件下获得了低锥度(0.006)的微孔。
  (3)针对陶瓷对激光能量吸收率低的问题,提出变频两步打孔方式,与常规单频打孔进行对比,从孔径、锥度、稳定性等方面进行了讨论,结果表明,预加工形成的凹坑有助于提升材料对激光的吸收率,在一定条件下可以降低孔锥度。
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