《激光陶瓷劃片工藝研究》

《《激光陶瓷劃片工藝研究》》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第31卷第10期JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYVol.31№101997激光陶瓷劃片工藝研究汪秀琳姜兆華吳賓初(上海市激光技術(shù)研究所)摘要使用調(diào)QYAG激光器對制作厚膜電路陶瓷基板的劃片工藝進(jìn)行了研究.通過對陶瓷的力學(xué)性質(zhì)、劃片機(jī)理和劃片參數(shù)的理論推導(dǎo),解決了該工藝的主要技術(shù)問題,實(shí)現(xiàn)了劃線細(xì)、速度快、斷面光滑和表面光潔的技術(shù)質(zhì)量要求.關(guān)鍵詞激光加工;陶瓷劃片;厚膜電路中圖法分類號TN249;TQ174.13隨著郵電通訊、廣播電視以及汽車等工業(yè)的發(fā)展,對厚膜電路的需求量迅速增長,制作厚膜

2、電路的陶瓷基板的劃線加工業(yè)務(wù)量及質(zhì)量要求也越來越高.模壓燒結(jié)由于其固有的收縮量控制局限已不能適應(yīng)較高尺寸精度的要求,同時由于模具的價格昂貴,它也不適用于小批量試制的需要.金鋼石劃片工藝則由于它的速度及質(zhì)量原因已逐漸被淘汰.激光劃片以它的優(yōu)質(zhì)快速取代了傳統(tǒng)的劃片工藝.本文用聲光調(diào)QNd:YAG激光器對溝漕式陶瓷劃片工藝進(jìn)行了研究,從理論和實(shí)踐上解決了該工藝的主要技術(shù)問題,具有劃線細(xì)、速度快、斷面光滑和表面光潔的工藝技術(shù)優(yōu)勢.1溝漕式激光陶瓷劃片機(jī)理聲光調(diào)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燒蝕過程中的放熱反應(yīng)

3、,產(chǎn)生高溫,燒蝕、熔化并汽化陶瓷劃線區(qū),在陶瓷表面沿直線形成重疊銜接的黑色孔洞(溝漕).由于應(yīng)力集中(見圖1),材料很容易準(zhǔn)確地沿此線折斷,聲光調(diào)Q開關(guān)可獲得最大50kHz的脈沖頻率,因此大功率的激光器能獲得優(yōu)于CO2激光器及脈沖型及尖峰調(diào)制型的YAG激光器的劃線速度及斷面質(zhì)量.劃片工藝要求經(jīng)過劃線的陶瓷基板在厚膜電路制備完成后,沿劃線區(qū)準(zhǔn)確地?cái)嗔逊制划a(chǎn)生無規(guī)則碎裂及熱烘烤炸裂.造[1]成陶瓷材料斷裂的主要原因是一種宏觀缺陷,即裂紋型缺陷(如傷痕、裂紋、氣孔、雜質(zhì))的存在,它能使該區(qū)域有一極高的負(fù)圖1激光劃片示意圖荷應(yīng)力作用著(局部應(yīng)力)

4、,當(dāng)裂紋擴(kuò)展,應(yīng)力超過斷裂強(qiáng)度時,材料就斷裂.這里需要指出的是任何陶瓷材料在燒結(jié)的過程中都會因氣孔、雜質(zhì)等造成裂紋型缺陷,就是在同一組分的情況下,它與陶瓷采用的燒結(jié)工藝直接有關(guān).燒結(jié)工藝直接影響材料的致密性、晶粒大小、氣孔分布等顯微結(jié)構(gòu),影響材料的強(qiáng)度及其熱物理性質(zhì).激光劃痕劃片就是通過激光能量使材料表面汽化并加以熱沖擊的作用,使劃線區(qū)形成與應(yīng)力垂直的裂痕損傷,若施加與應(yīng)力方向一致的外力,則裂痕定向擴(kuò)展,材料定向斷裂,完成分片.如果在劃線過程中,由于激光不定向的熱沖擊波或者熔融材料在線條旁的堆積造成此區(qū)域材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化,都會形成不定向的潛在

5、裂紋,當(dāng)受到外力或高溫烘烤,將造成無規(guī)則碎裂或炸裂.因此,控制激光劃片的各項(xiàng)參數(shù)以及工藝過程是至關(guān)重要的.收稿日期:1997205220第一作者:女,1945年生,高級工程師.上海,200233.汪秀琳等:激光陶瓷劃片的工藝研究812激光劃片工藝參數(shù)選定2.1理論推導(dǎo)在陶瓷材料的激光劃痕劃線的物理過程中,熱傳導(dǎo)、輻射、對流熱損耗均可忽略不計(jì),因此,激光能量及放熱反應(yīng)的能量全部用于加熱.其能量平衡方程可表達(dá)如下:PL+PR=PS(1)式中:PL為激光功率;PR為劃線過程中放熱反應(yīng)產(chǎn)生的功率;PS為加熱熔化汽化材料所需的功率.PR=QhbvQR(

6、2)式中:Q為材料密度;h為劃線深度;b為劃線寬度;v為劃線速度;QR為單位質(zhì)量被劃材料的反應(yīng)熱.PS=Qhbv{C$T1+L+5[C$T2+B]}(3)式中:C為比熱;$T1為環(huán)境溫度與熔點(diǎn)之差;$T2為熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之差;B為汽化熱.將式(2)和式(3)代入式(1)得到:PL?vh=bQ{C$T1+L+5[C$T2+B]-QR}(4)2.2參數(shù)選定依據(jù)(1)PL?vh為刻劃單位面積斷面所需的激光能量,稱為激光比能,也稱作有效功率密度.它與劃線寬度成正比,并決定于材料的密度及熱物理性質(zhì).對每一種特定的基板材料,它為一特定的常數(shù)值.劃線速度越高,

7、則要求激光平均功率越大.這里需要指出的是,同樣組分的材料由于不同的燒結(jié)工藝,會引起材料致密性、晶粒大小、氣孔分布等微觀結(jié)構(gòu)的差異.如果某種基板的PL?vh值較高,則為了滿足劃線的質(zhì)量要求必須提高功率或犧牲劃線速度;如果控制激光劃線的縫寬越細(xì),則PL?vh值越小.(2)劃縫寬、劃縫深是劃片質(zhì)量的兩個主要參數(shù),它們都與激光的聚焦特性有著直接關(guān)系.本文劃片研究所使用的激光器一般輸出高階模光束(見圖2).其聚焦光斑直徑及焦[2]深分別為:221?222d=1.27KbF?D,z=±P(Q-1)(r0?Kb)其中:b與橫模指數(shù)有關(guān);F?D為透鏡的焦比;

8、Q定義為光束直徑擴(kuò)展到腰斑直徑的Q倍處距腰斑位置的軸向距離.從以上公式可知,模式越差,光束發(fā)散角越大,則光斑尺寸就變大圖2激光光能的高階橫模分布,焦深則變短.焦深直