激光技术在电子领域的机遇和挑战

从切割、划线到钻孔和结构化，如今的激光技术在电子微加工领域的应用愈加广泛。根据麦肯锡公司最近发布的一份报告显示，未来几年内该行业的激光应用将呈现稳步增长的态势。激光制造商相干公司市场营销总监Dirk Müller表示，从机械加工向基于激光加工方式的转变在电子行业的半导体和先进封装领域尤为明显。 

这种转变是由许多因素共同推动的。首先，消费者和OEM厂商都希望最新的电子设备如智能手机、可穿戴设备、虚拟现实设备、传感器和家庭自动化设备，比之前的几代显得更小、更节能。这意味着像印刷电路板之类的组件需要相应地更小、更薄，并表现出更紧凑、更密集的特性。

Müller解释道：“随着功能组件呈现出小型化的趋势，传统机械加工达到了它们的能力极限。”例如用激光钻孔代替机械钻孔，激光束在制作直径为50μm或80μm的孔时比用机械钻孔容易得多。

激光技术需要持续提升才能跟上电子行业快速发展的步伐

其次，从事半导体和先进封装行业的公司倾向于选择低碳环保的加工方式，以减少对环境的影响。Müller解释说，这些公司正在寻求替代工艺，基于激光的技术就是一种替代方案。与机械加工相比，使用激光工艺可以降低能耗，消除对潜在危险化学品的需求。 最后，激光加工的范围很广，无论是用于创建的设计特征方面还是材料加工。目前，激光可加工的材料包括铝、不锈钢、铁和钛等金属以及塑料、复合材料和陶瓷等非金属。

减少停机时间

电子行业对最小化停机时间有着非常严格的要求。Müller说：“在一家价值200亿美元的半导体制造厂里，如果一条生产线因系统故障而无法运行，企业的损失就非常昂贵了。”因此，基于激光技术的供应商必须制定战略，以降低这一风险。例如，他们可能需要确保在工厂附近有经过培训的维护人员，以及安全的备件库存。他们可能还需要演练当设备发生故障时的处理方式，以便在现场真的发生状况时，一线人员能够快速有效地做出反应。

削减成本

但另一方面，证明激光技术的成本效益也是一项挑战。Müller谈到，虽然在PCB上钻孔的机械工具可能需要花费10万至15万美元，但用于相同工作的激光系统可能需要花费65万至75万美元。

激光系统的高资本支出可以通过其与机械选项相比提高的效率和更低的拥有成本来抵消。机械钻具可能有多达6个主轴，每个主轴每秒可以钻20个孔。激光系统能够每秒钻2500个孔，从而显著提高吞吐量。此外，钻孔工具上的主轴可能在钻完2000个孔后就需要每100秒更换一次，提高了生产成本。相比之下，激光系统可能只需要在两到三年内进行最低限度的维护。 

激光加工的这些益处容易受到大型芯片制造商的青睐，但对于订单周期通常在半年到1年的中小型公司而言，吸引力就不那么明显了。

持续创新

因此，激光技术的开发人员有责任不断完善系统，为客户提供更多的利益。以PCB拆板为例，这是一项广泛使用激光技术的任务。PCB的小型化导致它们的封装更密集，组件更靠近板材边缘。为了提高产量，PCB面板上的可用部件排列十分紧密。 

这意味着用于切割它们的过程需要非常准确，并且必须创建一个狭窄的切口。此外，该过程还不能产生可能影响周围电路的过度机械应力或热量，以及需要额外清理的碎屑。这些需求正促使制造商从机械加工方法转向激光工艺。

克服限制

传统的二氧化碳激光器会发射红外辐射并通过加热材料进行切割，但它们会产生较大的热影响区。光斑尺寸比替代的紫外线波长更宽，从而产生更宽的切口。与二氧化碳激光器相比，基于紫外的二极管泵浦固态激光器可以产生更小的热影响区并产生更少的碎片。但在加工速度上并没有明显优势。

为了解决这些问题，相干公司探索使用其“Avia”纳秒脉冲宽度、高脉冲能量紫外DPSS激光器切割各种PCB材料。基于这项工作，该公司已开发出一种PCB切割方法，该方法可以实现高质量的切割边缘、窄切口和高产量。

该技术的一个关键要素是控制激光脉冲的方法，以便它们以避免热量积聚的方式传送到工作表面。由于这种方法不存在热损伤，因此在切割较厚的材料（1mm及以上）时，可以使用更高脉冲能量的激光。

对于microLED显示器的生产，相干紫外传输过程可用于激光剥离、激光诱导正向传输以及缺陷像素的修剪和/或修复

新应用

激光系统的开发人员必须密切关注技术在电子行业中的新应用。Müller以microLED (µLED) 为例，它可用于生产大型、明亮的高分辨率显示器。在miniLED中，蓝宝石生长晶圆可能与 LED保持在一起，而microLED需要从生长的晶圆上释放出来，并且只有几微米的厚度。

因此它们非常脆弱，这意味着需要非机械加工技术才能将它们剥离。深紫外准分子激光器具有较大的可用脉冲能量和微米级精度，是促进大规模生产中这些转移步骤的合适候选者。

受电动汽车市场驱动激光加工的另一个增长领域是，半导体退火以生产功率芯片。退火工艺降低了芯片背面的电阻并提高了性能。与使用闪光灯或烘箱相比，使用激光可以在更短的时间内产生更高的退火温度，从而提高产量。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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