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1、上海交通大学学报第31卷第10期JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYVol.31№101997激光陶瓷划片工艺研究汪秀琳姜兆华吴宾初(上海市激光技术研究所)摘要使用调QYAG激光器对制作厚膜电路陶瓷基板的划片工艺进行了研究.通过对陶瓷的力学性质、划片机理和划片参数的理论推导,解决了该工艺的主要技术问题,实现了划线细、速度快、断面光滑和表面光洁的技术质量要求.关键词激光加工;陶瓷划片;厚膜电路中图法分类号TN249;TQ174.13随着邮电通讯、广播电视以及汽车等工业的发展,对厚膜电路的需求量迅速增长,制作厚膜电路的陶瓷基板的划线加工业务量及质量要求也越来越高.
2、模压烧结由于其固有的收缩量控制局限已不能适应较高尺寸精度的要求,同时由于模具的价格昂贵,它也不适用于小批量试制的需要.金钢石划片工艺则由于它的速度及质量原因已逐渐被淘汰.激光划片以它的优质快速取代了传统的划片工艺.本文用声光调QNd:YAG激光器对沟漕式陶瓷划片工艺进行了研究,从理论和实践上解决了该工艺的主要技术问题,具有划线细、速度快、断面光滑和表面光洁的工艺技术优势.1沟漕式激光陶瓷划片机理声光调QNd:YAG激光束聚焦在陶瓷基板表面,由于它的高峰值功率的激光能量以及烧蚀过程中的放热反应,产生高温,烧蚀、熔化并汽化陶瓷划线区,在陶瓷表面沿直线形成重叠衔接的黑色孔洞(沟漕).由于应力集中(见
3、图1),材料很容易准确地沿此线折断,声光调Q开关可获得最大50kHz的脉冲频率,因此大功率的激光器能获得优于CO2激光器及脉冲型及尖峰调制型的YAG激光器的划线速度及断面质量.划片工艺要求经过划线的陶瓷基板在厚膜电路制备完成后,沿划线区准确地断裂分片而不产生无规则碎裂及热烘烤炸裂.造[1]成陶瓷材料断裂的主要原因是一种宏观缺陷,即裂纹型缺陷(如伤痕、裂纹、气孔、杂质)的存在,它能使该区域有一极高的负图1激光划片示意图荷应力作用着(局部应力),当裂纹扩展,应力超过断裂强度时,材料就断裂.这里需要指出的是任何陶瓷材料在烧结的过程中都会因气孔、杂质等造成裂纹型缺陷,就是在同一组分的情况下,它与陶瓷采
4、用的烧结工艺直接有关.烧结工艺直接影响材料的致密性、晶粒大小、气孔分布等显微结构,影响材料的强度及其热物理性质.激光划痕划片就是通过激光能量使材料表面汽化并加以热冲击的作用,使划线区形成与应力垂直的裂痕损伤,若施加与应力方向一致的外力,则裂痕定向扩展,材料定向断裂,完成分片.如果在划线过程中,由于激光不定向的热冲击波或者熔融材料在线条旁的堆积造成此区域材料结构状态变化,都会形成不定向的潜在裂纹,当受到外力或高温烘烤,将造成无规则碎裂或炸裂.因此,控制激光划片的各项参数以及工艺过程是至关重要的.收稿日期:1997205220第一作者:女,1945年生,高级工程师.上海,200233.汪秀琳等:激
5、光陶瓷划片的工艺研究812激光划片工艺参数选定2.1理论推导在陶瓷材料的激光划痕划线的物理过程中,热传导、辐射、对流热损耗均可忽略不计,因此,激光能量及放热反应的能量全部用于加热.其能量平衡方程可表达如下:PL+PR=PS(1)式中:PL为激光功率;PR为划线过程中放热反应产生的功率;PS为加热熔化汽化材料所需的功率.PR=QhbvQR(2)式中:Q为材料密度;h为划线深度;b为划线宽度;v为划线速度;QR为单位质量被划材料的反应热.PS=Qhbv{C$T1+L+5[C$T2+B]}(3)式中:C为比热;$T1为环境温度与熔点之差;$T2为熔点与沸点之差;B为汽化热.将式(2)和式(3)代入式
6、(1)得到:PLövh=bQ{C$T1+L+5[C$T2+B]-QR}(4)2.2参数选定依据(1)PLövh为刻划单位面积断面所需的激光能量,称为激光比能,也称作有效功率密度.它与划线宽度成正比,并决定于材料的密度及热物理性质.对每一种特定的基板材料,它为一特定的常数值.划线速度越高,则要求激光平均功率越大.这里需要指出的是,同样组分的材料由于不同的烧结工艺,会引起材料致密性、晶粒大小、气孔分布等微观结构的差异.如果某种基板的PLövh值较高,则为了满足划线的质量要求必须提高功率或牺牲划线速度;如果控制激光划线的缝宽越细,则PLövh值越小.(2)划缝宽、划缝深是划片质量的两个主要参数,它们
7、都与激光的聚焦特性有着直接关系.本文划片研究所使用的激光器一般输出高阶模光束(见图2).其聚焦光斑直径及焦[2]深分别为:221ö222d=1.27KbFöD,z=±P(Q-1)(r0öKb)其中:b与横模指数有关;FöD为透镜的焦比;Q定义为光束直径扩展到腰斑直径的Q倍处距腰斑位置的轴向距离.从以上公式可知,模式越差,光束发散角越大,则光斑尺寸就变大图2激光光能的高阶横模分布,焦深则变短.焦深直
