氮化铝陶瓷是一种性能优异的陶瓷材料，具有硬度高、禁带宽度大、热导率高以及电阻率高等优点，目前已经成为微电子器件制造等领域的理想材料，广泛应用于航空航天、5G 通信和大功率半导体等领域。
摄于旭瓷北瓷展台
高密度的微孔阵列是微电子器件的核心结构之一，其提供了高密度的内部电路互连。氮化铝陶瓷基板的微孔加工质量对微电子器件的性能起到重要的作用。氮化铝陶瓷是一种典型的硬脆材料，目前主要有机械加工、化学刻蚀和等离子体加工等方法。
机械加工使用的微型钻头极易造成陶瓷基板的断裂，化学刻蚀和等离子体加工等特殊加工方式存在加工设备复杂和加工效率低等问题。随着激光技术的进步，飞秒激光因其热效应低、精度高、非接触加工和加工路径可控等优点成为氮化铝陶瓷硬脆材料打孔的优良工具。
图 激光切割机 来源：德中技术
激光打孔是将极高能量密度的激光聚焦在陶瓷材料表面，以烧蚀的方式去除材料，然而加工出的盲孔会存在诸如熔溅物堆积、重铸层附着、孔弯曲以及孔底分叉等缺陷。相比于空气环境下的激光烧蚀，液体环境中的激光加工因其产生液体冲击等效应具有潜在优势。
实验在优化后的盲孔激光加工参数基础上，通过引入液体辅助加工技术探究提高飞秒激光直冲式盲孔加工质量的可行性。
1 实验材料和装置
氮化铝陶瓷是一种灰白色的硬脆陶瓷材料，实验中使用的由氮化铝粉末烧制而成。实验使用的飞秒激光直写系统主要由飞秒激光、光束调制系统和三维运动系统组成。
由于所使用的激光为红外飞秒激光，辅助加工液体对红外激光的吸收程度较高，故液层的厚度需要控制在相对较小的范围之内。考虑到较小厚度的液层控制难度较高，故需要单独的辅助加工系统对液层厚度进行控制，液体辅助加工系统如图 1 所示。
图1 液体辅助加工系统
液体会吸收部分激光能量，如果液层厚度过大，激光能量将会被液体完全吸收从而不会对氮化铝陶瓷形成有效烧蚀。在实验中发现，0.3mm 厚度的液层在保证了对激光加工起到辅助作用的同时还能尽可能的降低对激光能量的吸收。
为防止被激光加工后表面产生的杂质影响，对加工后的表面依次使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗并烘干备用。
2 实验结果和讨论
2.1 不同加工环境对盲孔尺寸的影响
图 2 所示为不同加工环境对飞秒激光氮化铝陶瓷直冲式盲孔加工的影响。
由图 2(a) 可知，在液体辅助的加工环境下的盲孔孔口直径普遍大于在空气中直接加工的盲孔。在液体环境的辅助作用下，阻碍激光加工的因素均得到不同程度的抑制，液体的加工环境和其自带的冷却作用会进一步抑制高温等离子体对激光加工的影响，从而使更多的激光能量被直接作用于孔口，孔口直径变大。
不同的加工环境不仅影响孔口直径，还影响盲孔深度。图 2(b) 所示为不同加工环境对盲孔孔深的影响。由图可知在不同的加工环境下，盲孔的孔深均随着脉冲数的增大而增大，直至孔深增大速率减慢，孔深趋于定值。在液体辅助加工的条件下，激光穿透液体时会有部分激光能量被液体吸收，从而使得作用在氮化铝陶瓷表面的能量有所减少，降低了盲孔的深度。
2.2 不同加工环境对盲孔孔口形貌的影响
当脉冲数较高时，激光与液体的作用时间延长，产生的微气泡数量增多，微气泡的辅助作用持续时间增长，可以及时去除加工熔溅物。同时，较长的加工时间，使得激光在液体中发生了自聚焦现象，从而使得盲孔得到了一定的孔形修正，最终使得盲孔在孔口直径增大的同时趋于圆形。
图 3 不同加工环境对盲孔孔口形貌的影响
2.3 不同加工环境对盲孔侧壁形貌的影响
在液体环境中加工时，由于液体能吸收激光及激光能量，使得作用在氮化铝陶瓷上的激光能量大大减少，最终导致盲孔孔深减小。
图 4 不同加工环境对盲孔侧壁形貌的影响
综上可得：在加工质量方面，75% 乙醇溶液和盐酸乙醇混合溶液辅助加工的盲孔具有孔形趋于圆形、孔口无熔溅物堆积、侧壁无重铸层附着、内壁无组织分区以及孔底无分叉等优势，相较于在空气中和纯水中加工的盲孔质量更为优秀；在加工效率方面，受到所使用的激光种类的影响，液体辅助加工中液层的厚度难以精准控制，溶液种类和配比的选择较为麻烦，加工后的液体需要经常更换以保证成分比例的精准，影响加工效率，因此在空气中加工效率更高。
3 结语
为改善飞秒激光直冲式盲孔加工的质量，课题组进行了 3 种液体辅助激光加工技术的实验。通过实验研究得到以下结果:
1) 在盲孔尺寸方面，由于辅助液体吸收激光能量等因素的影响，导致了在液体环境与在空气中加工的盲孔尺寸有所变化，但是其整体的变化趋势并未受到加工环境的影响。
2) 在盲孔形貌方面，在液体环境中加工的盲孔比在空气中加工的盲孔孔口形状更趋于圆形，孔口和侧壁的形貌质量较高，尤其在盐酸乙醇混合溶液中效果更佳。
实验表明液体辅助激光加工可以改善氮化铝陶瓷盲孔的加工质量，具有一定的应用价值，未来可以在液体种类和液层厚度控制等方面继续探索，以优化液体辅助激光盲孔加工技术。
转自：艾邦陶瓷展
参考文献：DOI: 10.3969/j.issn.1005-2895.2023.06.012
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