AlN陶瓷的飛秒激光螺旋制孔研究*

王海龍，李 鐵，王宏建

(松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞 523808)

0 引言

AlN陶瓷因具有高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)及低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，是電子元器件的理想基板材料[1]。微細(xì)孔作為基板重要的結(jié)構(gòu)，通常采用傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔方式獲得，但對(duì)于硬且脆的氮化物陶瓷而言，加工難度大。激光加工技術(shù)因無接觸應(yīng)力，被認(rèn)為是陶瓷制孔的理想手段[2]。然而，傳統(tǒng)的長脈沖激光加工熱效應(yīng)產(chǎn)生的重鑄層及微裂紋是影響制孔效果的主要因素。相比之下，飛秒激光脈沖寬度極短、峰值功率極高、熱效應(yīng)低，可大幅提高制孔質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用前景[3]。

激光制孔方式眾多，其中螺旋制孔更適宜于高精度加工的應(yīng)用場景，但加工效率較低?，F(xiàn)有的激光螺旋制孔研究多集中于工藝參數(shù)對(duì)制孔質(zhì)量的影響[4]，對(duì)制孔效率關(guān)注較少。而效率在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中尤其重要，對(duì)陶瓷基板群孔加工更是如此。除此之外，激光制孔通常以圓孔為主，隨著電子元器件制造向微型化與集成化方向發(fā)展，異形孔加工的重要程度也逐漸顯現(xiàn)。

本文以飛秒激光螺旋制孔方式加工AlN陶瓷跑道孔，研究了進(jìn)給量對(duì)制孔形貌與尺寸的影響，對(duì)比了不同工藝參數(shù)下制孔效率的變化，并分析了AlN陶瓷孔壁不同區(qū)域元素含量差異。

1 實(shí)驗(yàn)

以商用AlN陶瓷(10 mm×10 mm×0.25 mm)為加工對(duì)象，采用飛秒激光器(Pharos-PH1,Light Conversion, Lithuania)進(jìn)行制孔實(shí)驗(yàn)。根據(jù)樣品厚度沿進(jìn)給方向劃分為多個(gè)加工層，各加工層以跑道狀輪廓填充，單層掃描完成后焦平面通過螺旋軌跡逐層進(jìn)給，其中相鄰加工層的間距即為進(jìn)給量ΔZ。飛秒激光螺旋制孔的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)變量為進(jìn)給量，變化范圍為2 μm～30 μm。

表1 飛秒激光螺旋制孔的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

跑道孔孔徑測量包括長軸尺寸L1和短軸尺寸L2，如圖1所示。不同進(jìn)給量下實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，尺寸測量結(jié)果取平均值。測量前，將加工后的樣品置于無水乙醇中超聲清洗20 min并干燥。跑道孔形貌與跑道孔區(qū)域材料元素由掃描電鏡(JSM-IT500,Jeol,Japan)觀測，尺寸由激光共聚焦顯微鏡(VKX-1100,Keyence,Japan)測量。

圖1 跑道孔尺寸測量示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微孔的形貌與尺寸

圖2為不同進(jìn)給量下跑道孔的SEM圖。由圖2可知，進(jìn)給量對(duì)微孔形貌影響顯著，當(dāng)進(jìn)給量為2 μm(圖2(a)、圖2(d))時(shí)，微孔入口及出口輪廓完整；當(dāng)進(jìn)給量增大至12 μm(圖2(b)、圖2(e))時(shí)，微孔入口加工質(zhì)量有所下降，出口尺寸減小且輪廓存在部分缺失；當(dāng)進(jìn)給量進(jìn)一步增大至24 μm(圖2(c)、圖2(f))時(shí)，無論是微孔入口的崩邊缺陷，還是出口輪廓的完整性，均出現(xiàn)了明顯的變化。這說明采用更小的進(jìn)給量可獲得加工質(zhì)量更高的跑道孔。雖然不同進(jìn)給量下設(shè)定的螺旋掃描路徑一致，但進(jìn)給量較大時(shí)出現(xiàn)了微孔邊緣材料未去除的情況(圖2(c))。這可能是由于在掃描線速度恒定的情況下，激光在微孔中心區(qū)域掃描頻次更高，故熱量傳遞的時(shí)間間隔更短，更利于材料的去除。類似的現(xiàn)象在文獻(xiàn)[5]中也有報(bào)道。

圖2 不同進(jìn)給量下跑道孔的SEM圖

圖3為不同進(jìn)給量下跑道孔截面的SEM圖。由圖3可知，當(dāng)進(jìn)給量為2 μm和12 μm時(shí)，孔壁輪廓呈傾斜的直線(圖3(a),圖3(b),圖3(d),圖3(e))，形貌變化不大，這表明較小的進(jìn)給量可使激光焦平面下降時(shí)保持較為穩(wěn)定的材料去除率，輔助氣體能夠更充分地吹散加工區(qū)域形成的等離子體，一定程度上抑制了其屏蔽效應(yīng)，有利于材料的去除[6]；當(dāng)進(jìn)給量為24 μm時(shí)，跑道孔的截面輪廓呈現(xiàn)喇叭狀，孔出口較小，這是因?yàn)檫M(jìn)給量過大時(shí)，激光焦平面位置在實(shí)際加工面以下，降低了材料的去除率，同時(shí)由于飛秒激光存在非線性效應(yīng)，不利于制孔過程的連續(xù)性，這種情況下加工出的微孔內(nèi)壁出現(xiàn)了凸起與缺口(圖3(c),圖3(f))。

圖3 不同進(jìn)給量下跑道孔截面的SEM圖

圖4為跑道孔尺寸隨進(jìn)給量的變化規(guī)律。無論是長軸還是短軸，微孔入口尺寸對(duì)進(jìn)給量的變化不敏感，微孔入口處的材料實(shí)際去除區(qū)域與設(shè)定加工區(qū)域基本一致；微孔出口尺寸隨進(jìn)給量的增大而減小，當(dāng)進(jìn)給量為2 μm～12 μm時(shí)，出口長軸尺寸的減小趨勢較為平緩，當(dāng)進(jìn)給量超過12 μm時(shí)，出口長軸尺寸的減小趨勢加劇，相比之下，出口短軸尺寸的減小趨勢略微滯后于長軸，在進(jìn)給量超過14 μm時(shí)減小趨勢才加劇，這可歸結(jié)為長軸與短軸方向上的材料去除總量存在一定的差異性，即在長軸方向上需要更小的進(jìn)給量才能實(shí)現(xiàn)尺寸的平緩變化。另外，出口長軸尺寸的變化范圍要大于出口短軸尺寸，說明進(jìn)給量對(duì)長軸出口尺寸的影響程度更高。

圖4 跑道孔尺寸隨進(jìn)給量的變化規(guī)律

制孔效率方面，制孔時(shí)間T=(H/ΔZ)·t，其中t為單層加工時(shí)間。由于各層掃描軌跡與速度均相同，那么單層加工時(shí)間也相同，本實(shí)驗(yàn)實(shí)測t=3.472 s。當(dāng)進(jìn)給量為2 μm時(shí)，制孔時(shí)間為434 s；而進(jìn)給量為12 μm時(shí)，制孔時(shí)間則減小至72 s，縮短約80%，但兩者的出口尺寸僅相差30 μm，錐度僅增大約2°。若跑道孔的加工輪廓滿足質(zhì)量要求，則可優(yōu)先采用更大的進(jìn)給量以提高制孔效率，滿足高效制孔的實(shí)際應(yīng)用需求。

2.2 微孔材料組分

選取進(jìn)給量為12 μm下的跑道孔截面進(jìn)行材料元素分析，EDS結(jié)果如圖5所示。其中，a為靠近孔入口區(qū)域，b為孔截面中部區(qū)域，c為靠近孔出口區(qū)域，d為樣品基材。檢測結(jié)果表明，相比于d處出現(xiàn)的N元素波峰而言，區(qū)域a、b、c僅剩下Al、O元素。由于AlN陶瓷在空氣中加工，此時(shí)可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為[7]：

圖5 跑道孔截面EDS圖譜(進(jìn)給量為 12 μm)

激光作用過程中，AlN陶瓷以氧化及分解反應(yīng)的形式去除，N元素最終轉(zhuǎn)化為N2與N的氧化物。

跑道孔壁中部及底部的O元素含量較為接近，而入口處的O元素含量較低。這可能是因?yàn)槲葱纬赏浊?，入口處已沉積的O元素多次參與反應(yīng)并轉(zhuǎn)為氣體。相比之下，加工區(qū)域的Al元素含量則表現(xiàn)出相反的變化趨勢，主要原因可能是Al元素以固體氧化物的形式存在，多集中于微孔入口處。

3 結(jié)論

本文采用飛秒激光螺旋制孔于AlN陶瓷上加工出無崩邊缺陷的輪廓完整跑道孔，研究了進(jìn)給量對(duì)微孔加工質(zhì)量與效率的影響，同時(shí)分析了材料組分的變化。得到如下結(jié)論：

(1) 減小進(jìn)給量可改善跑道孔加工質(zhì)量，但會(huì)降低制孔效率。進(jìn)給量為2 μm和12 μm時(shí)，獲得的跑道孔質(zhì)量較為接近，但后者可縮短約80%的加工時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢。

(2) 材料加工區(qū)域呈現(xiàn)出一定的氧化現(xiàn)象，且跑道孔入口處的O元素含量更多，Al元素含量反而更少。此時(shí)，AlN經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)，主要以Al2O3的形式存在于制孔區(qū)域。