精密加工应用

微切割最典型的关注重点是切口位置的精确性，需确保切割过程中材料损失最小化，热损伤最小化，加工速度最大化。

"高切割质量"其实是一种带有主观色彩的判断，取决于具体的应用领域，选择的激光系统，以及该微加工系统的配置。

IPG拥有独特的波束成形技术，多种激光器类型、多种光束传输系统，可以为客户提供具有高精确度的，经过生产验证的激光方案，帮助客户优化加工结果，并提供一定的灵活性，使客户可以根据特定的应用需求，调整工艺参数。

IPG单模准连续激光器和皮秒激光器是在微切割应用领域比较常用的两个系列，可提供的系统包括研发工作站（Ⅸ-100-C）、半自动微加工系统（Ⅸ-210）和全自动微加工系统（Ⅸ-6100和IX-280-F）。

1. 蓝宝石切割

蓝宝石切割多见于移动设备应用，比较典型的有显示屏盖切割，摄像头窗口切割以及位于显示屏盖内侧的打开传感器窗口切割。蓝宝石厚度范围介于0.1-3.0 mm。

2. 铜切割

IPG独有的拥有专利保护的线性光束技术，使客户可以在晶圆或薄膜上进行铜的切割。线性光束能够更好地利用现有激光功率，减少热效应，提高切割速度。右图所示为设备分割中用到的铜晶圆切割的俯视图和侧视图。

3. 陶瓷切割

IPG激光系统可以进行厚度不超过1 mm的陶瓷烧蚀、热切削及划线，得亏与定位控制和尺寸控制的精确度能够达到亚微米级。右图所示为陶瓷辊棒上的精密凹槽。

4. 聚酰亚胺切割

IPG激光系统可实现聚合物膜的分割和形貌。选择适合的激光器了性、扫描，或者是大视场操作，以便减少敏感材料的热效应，实现质量最优化，产能最大化。

5. 硅片切割

IPG硅片切割方案包括从较大晶圆上切割直径较小的晶片，太阳能电池小型化，或是硅模板切割。硅片厚度不超过1 mm。右图所示为700 µm晶圆小型化的俯视图和侧视图。硅片厚度400 mm。

6. 金刚石切割

金刚石镜头切割，请关注近期的微信内容。

LED芯片价格昂贵，所以晶圆是一种很贵的资产。紫外线激光器在划片时更紧密、更狭窄、更清洁，晶片破损更少，与传统的锯解工艺相比，单个晶圆得到的晶片更多，产量也更大。

IPG微系统被视为全球紫外线激光划片工艺的领导者，已获得业界的广泛认可，其系统精密度高，久经验证，可帮助客户优化加工结果，同时具有一定灵活性，使客户能够根据特定的应用需求，调整工艺参数。

在激光划片应用领域中用得比较多的是IX-100-C（研发工作站）、IX-210（可手动操作，也可自动操作），以及IX-6100（按最高产能配置的全自动操作及机器视角）。

1. 蓝宝石划片

利用IPG独有的拥有专利保护的线性光束工艺，可以进行LED蓝宝石晶圆划片。更狭窄的切缝意味着更高的晶片封装密度，也就是更高的晶片产量。线性光束能够更好地利用现有激光功率，减少热效应，提高产能。右图所示为LED设备分割所进行的蓝宝石划片，切口宽度2.5 µm。

2. 硅晶圆划片

由于新应用的诞生和更薄晶圆的应用，激光工艺在硅晶圆划片领域中的重要性正在逐步超越传统的锯解工艺。 IPG激光系统可提供良好的边缘质量、残渣、破裂更少，是进行较薄晶圆划片的理想选择。右图所示为硅晶圆划片，切口宽度7 µm，深度75 µm，最大划片速度达100 mm/s。

3. GaP晶圆划片

一个激光划片系统的产能可以相当于，甚至是超越数个传统划片工具的总和。图为以300 mm/s的速度进行深度为30-m的GaP划片，这个深度已经足够穿透250 µm厚的晶圆。在进行相同的划片操作时，紫外线激光器耗时最短仅为6分钟，而传统的锯解及金刚石切割工艺则需2小时。

4. GaAs晶圆划片

III-V芯片价格昂贵，所以晶圆是一种很贵的资产。紫外线激光器在划片时更紧密、更狭窄、更清洁，晶片损坏少，因此与传统的锯解工艺相比，单个晶圆得到的晶片更多，产量也更大。激光划片的主要优势就是边界干净、界限清晰，在这一点在GaAs晶圆划片中得以进一步发扬光大。

紫外激光器在大面积结构和三维微加工应用中均表现不俗。借助适合的光束和扫描系统技术，激光器可以在目标工件上加工出边沿清晰、纹理均匀一致的效果；同时，客户能够精确控制单个脉冲所能清除的材料的量，确保材料加工的高分辨率及高光洁度。在重复频率为400 Hz（高脉冲能量准分子激光器）时，典型清除速度为0.05-1.5 μm/脉冲。如果是重复单一图案，激光光刻本身也可以包含一排图案阵列。如果能进一步配合激光光刻和工件的移动，还可以创建更为大型和复杂的图案。

1. 用紫外线激光光刻系统统进行圆形图案微铣削

用圆形激光光刻，在目标工件上的成像为激光光刻的一半，然后将工作台设置为圆形移动，这样就可以形成所需的圆形图案。

2. 用紫外线激光器加工微流通道

繁复的激光光刻成像技术的问世，使更为复杂的形貌加工成为可能。使用高分辨率激光光刻，可以在较大面积范围内同时生成具有多重特点的复杂图案。右图所示为用紫外线激光器加工微流通道，其特点是对深度的控制极为精确。

3. 带有凸起阵型的微铣削

右图为一个带有凸凹特点的复杂图案，这种微加工对于容差有相当高的要求。由于多数材料都会强烈吸收紫外线，再加上设计精密的成像系统及高精度移动控制，可确保得到平稳的、均匀的、雕刻性的图案，重复性达到亚微米级。

4. 复杂的3D图案

右图是另一个利用IPG成像系统实现的具有复杂几何特性的示例。IPG成像系统可实现在极小的面积范围内清除大量材料，同时实现对容差及深度的精确控制。

微钻孔应用包括通孔和盲孔，而且不同的应用需求可能需要的垂直侧壁或是锥形侧壁。孔径可以小至2 μm，排列精确度达到亚微米级。钻孔速率最大达1,000孔/秒。

从热影响到激光耦合，每种材料总是会面临这样或那样的挑战。IPG系列激光器及光束传输技术，使客户能够根据不同应用的需求进行系统优化，实现生产的速度化及自动化。

在激光钻孔应用中，人们对于形状多样化和小孔径钻孔（<100 μm）的需求正在逐步上涨，这种新的需求热点要求锥形角度可控，直至0°，同时还要能够覆盖多种材料类型，以及多种材料厚度，甚至达到数毫米。另外，人们对质量和产能的要求也在进一步提高，尺寸和定位容差更小。这就需要我们改进生产工艺，使用更高级的过程控制系统及激光源，以满足不断提升的的行业要求。

1. 陶瓷钻孔

IPG陶瓷钻孔系统可根据应用需求，配置多种激光器及光束传输系统。氧化铝、氮化铝以及类似陶瓷材料的微钻孔应用（孔径<100 μm）常见于电子元件的封装和内插板生产。

孔径最小可至不足10 μm，钻孔速度最大可达1,000孔/秒。右图所示为380 µm氧化铝，钻孔数量20,000个。

2. 金属钻孔

金属钻孔的材料类型包括不锈钢、黄铜、钼及合金等，孔的类型包括盲孔或通孔。孔的形状包括圆形和不规则形状。出口处的孔径可小至5 μm。右图所示为在厚度为100 μm的钼材上进行孔径为100 μm的钻孔。

3. 聚合物钻孔

聚合物钻孔的材料类型包括聚酰亚胺，聚苯乙烯，聚氨酯及其他热敏感聚合物膜材等，孔的类型包括钻通孔或盲孔。孔径可小至2 μm。通常使用多孔、大视场紫外线加工，以获得高通量。右图所示为PMMA钻孔，入口孔径50 μm，出口孔径5 μm。

4. 聚酰亚胺钻孔

孔径可小至2 μm。右图所示为带有方形沉头孔的喷墨打印机喷嘴。

5. 热塑性塑料钻孔

热塑性塑料钻孔表示在热塑性塑料上钻通孔或盲孔。孔径可小至2 μm。通常使用多孔、大视场紫外线加工，以获得高通量。右图表示的是在1 mm ABS上进行孔径为30 µm的钻孔。

6. SiN针测卡钻孔

激光钻孔应用对于形状多样化和小孔径钻孔（<100 μm）的需求正在逐步上涨，这种新的需求热点要求锥形角度可控，直至0°，同时还要能够覆盖多种材料类型，以及多种材料厚度，甚至达到数毫米。IPG微加工激光系统采用适合的光束传输技术，可在厚度最大为380 µm的SiN材料进行高速微钻孔，厚度为380 µm时，时间不足2秒；当厚度降至<250 µm时，时间不足1秒，也可以钻锥度可控，甚至是0°的方孔。

右图所示为光束紧密聚焦的高速钻孔示例：65x65 µm方孔，侧壁10 µm，SiN厚度为200 µm。

7. 璃钻孔

具有高重复频率和短波长的激光器是玻璃微钻孔的理想选择。这些激光器与IPG精密微细加工工作站相结合，可实现高质量的钻孔圆度、尖角切割、最小锥度，无破裂、碎屑最小化。右图所示为在玻璃上进行孔径为1 µm的钻孔。

使用IPG专利准分子激光技术，可在厚度达2 mm范围内的材料上进行具有高深宽比的小锥度钻孔，比如在1 mm 厚的钨和尼龙磁盘进行孔径为25 µm的钻孔，或是在2 mm 厚的材料上进行孔径为50 µm的钻孔。

适合的照明光学器件能够输出适合的激光光束，并在曝露区域形成均匀一致的能量分布，典型波动范围 < ±5％，如此就可以实现对深度的精确控制，一个脉冲又一个脉冲，一层又一层。这种材料清除的方法使加工深度控制达到亚微米级的部件成为可能。当然，形状控制也可以轻易实现。

IPG的紫外线工作站可用于盲孔（以及通孔）应用领域，其中包括研发激光系统（IX-100-C）、半自动（IX-255/260和 IX-280-F）及全自动（IX-6600）微加工系统。

1. 玻璃盲孔钻孔

玻璃在热应力下很容易破裂，而且对于近红外波长和可见光波长是透明的，所以在进行高精度激光钻孔时应用中是一种时特别困难的材料。

从1 ns谐波光纤激光器，到深紫外线准分子激光器，再到超短脉冲激光器，IPG提供的一系列具有短波长、窄脉宽的激光器，可对所有玻璃类型进行微加工。

较大阵列的微米级盲孔或通孔也可以，厚度最大500 µm，控制精度达到亚微米级。

IPG激光系统的的一个典型应用就是在150 µm厚的玻璃上钻单一重复的沉头孔（1.5± 0.1 µm）。右图所示为在400 µm厚的玻璃上钻孔径为50 µm的盲孔。

2. 聚酰胺盲孔阵列

借助掩模将复杂的图案投射在目标区域，就能实现不同尺寸和形状的三维形貌。如果使一个较大的区域（以"mm2"计）曝露于一个单脉冲，那么整个曝露区域都可以进行小至微米级的和/或不同图案同步加工。如右图所示。

3. 聚合物盲孔钻孔

利用紫外线烧蚀工艺可加工高密度图案，尺寸最小可至2 µm。如果用紫外线去除大量材料，那么投射在目标表面的总功率将是关键，需要特别关注光束利用因子。当掩模开放区域较大时，用准分子波束形状填充掩模可提高效率，如大量平行阵列，如右图所示。

在微电子、医疗器械、汽车及航空业及镀膜材料中，通常会用到聚合物，以便为高级工艺设备提供电器绝缘、生物兼容或恶劣环境保护等功能。这些保护性材料通常会附着在对应的三维部件上，并保持一致，所以该工艺必须确保整个部件不会留下任何未镀膜区域。以前清除涂层（无论是因为需要电器连接，还是因为影响维修）比较常用的方法是在涂覆涂层之前，使用胶带或膜材形式的物理掩模，或者是用刀片定义形状周长，将涂层剥离设置为后续加工步骤。

从细节层面上讲，材料之间各有差异，相应地激光参数（波长、脉冲能量、脉宽、功率密度、重复频率等等）也各有不同，这就需要谨慎考虑激光器的类型及操作条件。IPG拥有一支由材料科学博士组成的专业团队，专门致力于加工过程的优化。

深紫外线激光器是对金属衬底进行选择性材料清除的理想选择。对于聚合物而言，鉴于光子能量正好合乎碳与氢键之间的键离解能，所以大多数聚合物材料都能够很强烈地吸收波长 < 280 nm的入射激光。当激光能量密度接近0.5 J/cm2时，电子激发会导致直接键断裂和热键断裂混合发发生，使内压力上升，促使材料脱离（比如光切除）。一般来说，如果直接键断裂多于热键断裂，就是"冷"烧蚀。冷烧蚀可形成较小的热影响区，使用户可以精确定义需要清除的区域。

IPG推出的研发工作站（Ⅸ-100）、半自动化（Ⅸ-255）及全自动化（Ⅸ-6600）大批量生产系统是理想的选择性材料清除微加工工作站。

1. 线芯聚合物剥线

低能量激光源可用于在大块材料上进行涂层的选择性烧蚀。在这种情况下，涂层以低于衬底损伤阈值的能量密度进行烧蚀，能避免损伤材料。

对齐精度 < 5 µm，单个曝露区域面积最大可达 5 mm x 5 mm，通过掩模成像或是直写方式，可以形成复杂的图案。

2. 印刷电路板（PCB）帕利灵聚合物去除

帕利灵和其他保形涂层很容易从电子线路板和其他器件上去除，不会损伤脆弱的线路焊盘或是影响器件特性。

对齐精度<5 µm，单个曝露区域面积最大可达 5 mm x 5 mm，通过掩模成像或是直写方式，可以形成复杂的图案。见虚线左侧帕利灵的去除。

3. 去除太阳能玻璃板上的碲化镉（CdTe）

利用激光剥离工艺进行选择性材料清除，可从多层结构上去除单层材料，比如从太阳能玻璃板或是以ITO为衬底的太阳能电池板上去除CdTe薄膜。
对齐精度<20 µm。

借助适合的光束照明和投影技术，客户就可以在目标工件上输出界限清晰、均匀一致的能量密度分布，再结合紫外线/高光子能量，纳秒级脉宽，使得客户可以精确控制但个脉冲所能清除的材料的量，确保高分辨率的材料加工，以及高品质的表面光洁度。

借助掩模将复杂的图案投射在目标区域，就能实现不同尺寸和形状的三维形貌。如果是重复单一图案，掩模本身也可以含有一排特定的图案阵列，从而实现多图案同步加工。

激光图案化技术取决于材料属性和应用需求，比较典型的是小光束光栅扫描或是掩模图案大视场曝露。

IPG微系统部门可提供包括扫描光束、大视场、步进扫描烧蚀单元在内紫外线激光系统，可实现刚性基材或柔性基材的高速图案化。

1. 玻璃衬底金属薄膜图案化

玻璃衬底金属薄膜图案化方法是直接紫外线烧蚀。典型最小图案尺寸为10 µm。右图所示为对玻璃上的金进行激光图案化处理

2. ITO图案化

ITO薄膜图案化的方法是直接紫外线烧蚀。典型最小图案尺寸<10 µm。右图显示的是PET衬底上的金属薄膜及ITO薄膜图案化，线宽<7 µm。

3. 聚酰亚胺图案化

聚酰亚胺薄膜图案化的方法是多紫外线烧蚀曝露。图案最小图案尺寸可至2 µm。右图所示为带有方形沉头孔的喷墨打印机喷嘴。

4. 聚合物图案化

利用掩模成像技术，可实现多孔同步操作。右图所示为在聚合物上进行高密度钻孔，在一个面积为50x50 µm的正方形区域内钻孔数量达100个，孔径10 µm。

紫外线激光剥离工艺主要基于外延层和蓝宝石对于紫外线的吸收率不同。通常绿光/蓝光LED的带隙能量大约为 3.3 eV，会强烈地吸收氟化氪（KrF）准分子激光器发出的248 nm辐射（5 eV)），而蓝宝石的带隙能量较高（9.9 eV)），不太吸收紫外线。激光穿过蓝宝石晶圆，在氮化镓（GaN）/蓝宝石的接触面促使光子分解，诱导一个局部爆炸冲击波。基于同样的原理，我们还可以用193 nm（带隙能量6.4 eV） ArF准分子激光器对氮化铝（AIN，带隙能量6.3 eV）进行激光剥离。要想获得成功的剥离效果，光束的均匀性及晶圆的制备都很重要。IPG拥有创新的具有专利保护的光束同质技术，可以使紫外线激光器发出的光束在晶圆表面产生面积达5X5 mm范围的能量密度均匀分布的平顶光束。

在晶圆制备方面，需要最大限度地减少蓝宝石高温外延层生长过程中产生的残余应力，还要保证外延层和衬底之间的充分键合，以避免剥离过程导致外延层破裂。在传统的 LED 横向结构中，蓝宝石是不被剥离的，因此阴极和阳极位于同侧，这样会存在一些问题。然而，垂直LED结构（如右图所示）可提供更大的电流，消除电流拥挤问题及器件内的瓶颈问题，显著提高 LED 的最大输出功率及最大效率。

1. 小光斑激光剥离

高级激光剥离技术（ALLO）是所用的光斑比大视场激光剥离技术使用的光斑小。由于光斑较小，所产生的等离子体羽也较少，所以比较特别类似于晶片的单片剥离。右图所示为小光斑激光剥离示例。

2. 大视场激光剥离

激光光源通过透明材料，投射其在背面相邻的材料上，如GaN和蓝宝石，接触面上的受控等离子会形成GaN薄膜的分离或剥离。最大曝露面积达5X5 mm。右图所示为多个芯片同时曝露于一个单脉冲。

3. GaN单片剥离

右图所示为266 nm激光器，100 kHz，加工速度为3 m/sec。由于短波长/高能量光子的吸收性较好，所以在一些材料，比如GaN上的光穿透深度较浅。超短脉冲（<1 ns）紫外线激光器可以用于半导体材料的薄膜分离（<1 µm），因为该应用需要光穿透深度最小化。

4. 使用波长为248 nm的激光器进行单片剥离

使用不均匀光束，强度从中心向边缘平稳、逐步降低，再通过每个位置的多脉冲操作，就可以实现均匀一致的单片分离效果，不会导致破裂。右图所示为某剥离示例，在该加工中无光束整形（典型的激光剥离），无材料破裂。

用激光作为热源有两个主要特点:
- 能够精确控制施加的能量大小，通常仅限于材料表面。
- 能够精确控制加热的点，面积可以限制在几微米以内。

IPG微系统能够为客户提供跨越多波长范围、多能量等级、多光束传输系统的激光方案。我们将协助客户通过实验确定具体应用的最佳加工条件，设计能够提供一致的、高重复性的、自动的生产系统。

1. 陶瓷织构

表面积大幅提高，改善键合和粘合。

2. 硅织构

表面积大幅提高，改善键合和粘合。

新型材料的应用和对超小型打标的需求使传统激光工艺受到挑战，这些打标应用对精确度的要求达到微米级，同时还需要打标质量达到该应用领域的特定标准，以确保标记清晰易读。此外，还有用于可追溯和防伪保护的二维码打标，会包含大量数据，存储空间内可能需要容纳数千字符。

IPG微系统技术特别适用于加工有挑战性的材料，如多种聚合物，透明材料（玻璃、钻石等）、半导体材料（硅及环氧树脂等）。在这些材料上，常常会需要进行小至50×50 µm的二维码打标，对图案质量有相当高的要求。

IPG微系统推出的高级激光加工工作站，如Ⅸ-200和IX-6000系列激光工作站，已根据高精度微打标的需求进行配置优化。

如果对打标质量有微米级的需求，那么IPG微系统所拥有的高级微打标技术就是不二之选；如果对标记放置位置的准确性和精确性有特别关键的需求，比如类似于晶片级的设备打标，则IPG微系统的高级工作站能够帮助您确保标记放置位置的准确性和精确性（微米级）。

1. 二维码打标

IPG微系统所拥有的高级激光加工工艺，能够在不计其数的材料类型上，进行小至300x300 µm的二维码高速打标。二维码用于身份识别和序列号，是产品追溯和防伪的理想途径。

2. 芯片序列号打标

那些集成了晶片处理和自动化视觉系统的设备可用于半导体行业的芯片序列号打标。紫外线和超短脉冲激光器允许加工大多数半导体封装材料。右图所示为在晶圆芯片上进行的1x1 mm字符打标。

3. 玻璃打标

线宽<10 µm时可实现高精度玻璃打标高精度玻璃打标，同时破裂最少。高分辨率的光学系统，配合短波长，可有效避免微裂痕，同时生成能够抗化学清洗的永久性打标。右图所示为在研究级超白玻璃上进行十字线打标。

4. 玻璃内表面打标

真正的无碎片玻璃内表面打标可消除客户对产生玻璃碎片的顾虑，满足用户对于高通透材料的需求。

5. 高速打标

直写方式可用于多种透明材料的高速扫描。系统利用振镜技术，可在激光打标应用中实现高产出。