一種雷射微熔覆專用設備的製作方法

2023-05-07 11:33:41

專利名稱：一種雷射微熔覆專用設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於電子/光電子製造技術領域，具體涉及一種雷射微熔覆專用設備， 該設備可應用於電子/光電子元器件的製造，包括導體、電阻、電容、電感、傳感器、 電極以及聚合物光波導的製造。
背景技術：
大規模集成電路的產生發展，使得電子製造技術不斷向集成化、小型化、短時 效、小批量、多品種以及三維製造的方向發展，要求導線寬度和線間距越來越小，並能 夠實現多層布線，制約電子產品質量進一步提高的因素已經由原來的晶片尺寸大小轉變 為晶片間互連線間距。2000年，發明人提出了雷射微細熔覆電子漿料製備導線的技術，即雷射微熔覆 柔性直寫技術，並自行研製出該項技術依託的製造系統和設備。該技術採用旋轉勻膠法 將商用電子漿料或自行配製的電子漿料預置在基板上，利用設備的CAD/CAM功能，無 需掩模即可控制雷射在絕緣基板表面直寫製備金屬導線。但是，採用旋轉勻膠法預置 膜層存在如下幾個問題第一，預置膜厚度不均勻；第二，雷射直寫後需去除多餘的漿 料，清洗後的漿料不能回收利用，材料浪費嚴重；第三，該方法無法在同一基板上預置 不同材料。針對上述問題，發明人研究並提出微細筆、微噴直寫技術進行電子漿料膜 層的預置。「一種直寫電子/光電子元器件的微細筆及由其構成的裝置」(申請號 200610019740.5)公開了一種微細筆，「一種電子漿料霧化沉積直寫裝置」(申請號為 200610019527.4)公開了一種微噴直寫裝置。其中微細筆結構簡單、成本低、控制精度 高、能應用的漿料粘度範圍廣，不僅可用於製作電子元器件，還可用於製作光電子元器 件，如聚合物光波導。電子漿料霧化沉積直寫裝置中包括有霧化腔、卸壓回收腔和沉積 噴嘴。該裝置可以霧化的材料選擇範圍大、霧化效果好、運行穩定、結構簡單、操作方 便、實用性強。微細筆/微噴與雷射複合工藝流程如下先採用微細筆或者微噴直寫裝 置將電子漿料直寫沉積於基板上指定的區域，然後用雷射加熱所預置的漿料，獲得所需 要的微熔覆層。在雷射作用之後，還可以利用微細筆或微噴直寫沉積裝置繼續添加新的 物質，在同一平面上製備多種材料元器件或者實現多層布線。微細筆和微噴直寫沉積裝 置的引入，克服了旋塗法預置漿料塗層工藝的缺點，工業環境適應性好，工業應用前景 也更廣闊。但現有的工作平臺無法滿足該複合工藝的要求，工具分布零散，在同一基板 上預置多種材料時需頻繁更換和清洗直寫裝置，並且要重新定位加工工具與基板的相對 位置和調整加工參數，因此在實際加工時，重複的工作內容較多，操作步驟繁複，無法 最大程度發揮微細筆、微噴與雷射複合的優勢，難以滿足工業快速複合製造的要求，只 適用於實驗室的研究工作或小批量生產。

發明內容
本發明針對目前雷射微熔覆設備的缺點，提供了一種新型雷射微熔覆專用設 備，該設備合理設計了雷射光路、微噴和微細筆的安裝工位及工作方式，將雷射加工與 微細筆、微噴直寫系統集成在同一個工作平臺上，實現多種加工手段的優勢互補。本發明提供的一種雷射微熔覆專用設備，該設備包括工作檯、雷射加工系統和 控制系統，其特徵在於，該系統還包括CCD監測定位系統和直寫系統；CCD監測定位系統包括同軸CCD傳感器、旁軸CCD傳感器、變焦透鏡、成像 目鏡、變焦光學系統、旁軸成像物鏡和外接監視器；雷射聚焦鏡、成像目鏡、變焦透鏡 和同軸CCD傳感器依次位於同一光路上，該光路與雷射加工系統的水平光路成90°夾 角，且雷射聚焦鏡和成像目鏡分別位於雷射加工系統水平光路的兩側，雷射聚焦鏡作為 同軸監測的成像物鏡；同軸CCD傳感器與外接監視器相連，由外接監視器直接顯示觀測 的圖像；旁軸CCD傳感器、變焦光學系統及旁軸成像物鏡依次位於在同一光路上，並固定在直寫工具的後方；工件反射回來的光束通過旁軸成像物鏡，經過變焦光學系統進行 調整後由旁軸CCD傳感器接收，並傳輸至計算機；直寫系統包括微細筆直寫裝置和微噴直寫裝置；微細筆直寫裝置的結構為第二支架固定在基座上，導軌和氣缸分別位於第二 支架的兩側，第一支架通過滑塊安裝在導軌上，微細筆安裝在支架上，隨支架一起上下運 動；氣缸上設置有導氣管，支架與活塞杆固定連接，千分表固定在支架頂端，螺栓固定在 支架上，第一、第二微距調節螺母由第三支架的伸出部位確定其位置，並套在螺栓上；微噴直寫裝置包括水浴鍋、導氣管、微壓表和微噴工具；其中微噴工具又包括 霧化腔、卸壓回收腔和沉積噴嘴；進氣流通過導氣管與微壓表相連，微壓表的另一端與 霧化腔相連，霧化腔通過導氣管與卸壓回收腔相連；霧化腔與卸壓回收腔均置於水浴鍋 中；卸壓回收腔的另一端由導氣管與沉積噴嘴相連，沉積噴嘴噴射漿料並沉積在基板表 面。本發明提供的設備將微細筆、微噴直寫技術與雷射加工技術相結合，既可完成 圖形的預置，又可完成圖形的製造，省去用乾燥爐烘乾的過程，大大縮短了電子圖案的 加工時間。具體而言，本發明具有以下技術效果(1)採用多支微細筆、微噴裝置，可實現不同電子材料在同一基板上的直寫，也 可實現多層電子圖案的加工，不需要拆卸微細筆、微噴結構以及基板，保證基板位置及 加工的準確性。(2)採用微細筆-雷射、微噴-雷射複合技術，可在同一基板上進行分時加工， 可快速獲得(光)電子元器件。(3)操作臺上裝配有可拆卸轉軸系統，可在該設備上實現三維柔性布線，無材料 形狀限制。(4)採用旁軸CCD系統進行加工定位，同軸CCD監測系統對雷射加工過程進行 監測，兩部分傳感器的配合使用，既能夠對加工過程進行實時監測，又可準確定位，從 而可保證整個加工過程的精度，提高電子圖案的加工質量。(5)採用自製雷射微熔覆專用製造軟體對加工工具進行控制，自動化程度高、操 作簡單、可有效控制加工精度。
(5)操作臺下方安有可拆卸加熱板，可在直寫時對基板進行加熱，加快漿料的固 化，縮短漿料在基板擴散時間，減小導線線寬。(6)操作臺的檯面上均勻分布著內部有螺紋的小通孔，基板面積較大時，可直 接使用螺釘將基板固定在操作臺上，可防止基板在加工過程中位置發生變化影響加工精 度；加工材料為柔性基板或幅面較小、重量較輕容易滑動時，可通過在操作臺下方安裝 與抽氣泵相連的蜂窩板，將基板固定在操作檯面上，此法也可防止加工過程中基板位置 的變化而導致加工精度的降低。(7)操作臺通過高精度直線電機和全閉環控制系統進行控制，並採用大理石防震 隔振基座，大大降低了加工過程中工作檯對加工精度的影響。採用該設備既可以快速完成單一工具的直寫工作，又可以進行多工具的複合操 作，無須掩膜、易於修改、工序少、研製周期短、效率高、對環境汙染小、柔性化程度 高，且獲得的電子元器件圖案精度高，還可製作複雜圖形及三維電子元器件。


圖1為本發明的雷射微熔覆專用設備的側面結構示意圖；圖2為本發明的微筆直寫裝置結構示意圖；圖3為本發明的微噴直寫裝置結構示意圖；圖4為雷射微熔覆專用製造軟體工藝實現流程圖。
具體實施例方式本發明所使用的雷射器可以是半導體雷射器、固體雷射器、光纖雷射器或者燈 泵浦固體雷射器。上述雷射器可採用連續或準連續輸出方式。本發明適用於多種材料、不同性質的電子漿料的直寫，可快速獲得性能良好的 電子元器件。電子漿料包括導體漿料、電阻漿料、介質漿料或其他電子漿料，基板可以 是陶瓷、玻璃、矽、環氧樹脂、聚醯亞胺等材料。下面結合附圖對本發明進一步說明。本發明設備主要包括工作檯、雷射加工系統、CCD監測定位系統、直寫系統和 控制系統五大部分。如圖1所示，工作檯包括操作臺17、XY 二維直線電機18和基座19 ；基座19 採用大理石防震隔振基座，可降低加工過程中工作檯對加工精度的影響；XY二維直線電 機18固定在基座19上，操作臺17安裝在XY 二維直線電機18上，並由XY 二維直線電 機18控制操作臺17的運動。雷射加工系統包括雷射器1、光閘2、光束整形鏡3、擴束鏡4、鍍膜反射鏡5和 雷射聚焦鏡6。雷射器1、光閘2、光束整形鏡3、擴束鏡4和鍍膜反射鏡5依次位於同一光路 上，雷射器1、光閘2、光束整形鏡3和擴束鏡4固定在基座19上，鍍膜反射鏡5與雷射 器1的光 束成45°夾角。雷射聚焦鏡6位於鍍膜反射鏡5的反射光路上。CCD監測定位系統包括同軸CCD傳感器7、旁軸CCD傳感器20、變焦透鏡8、 成像目鏡9、變焦光學系統21、旁軸成像物鏡22和外接監視器24。
雷射聚焦鏡6、成像目鏡9、變焦透鏡8和同軸CCD傳感器7依次位於同一光路 上，該光路與雷射加工系統的水平光路成90°夾角，且雷射聚焦鏡6和成像目鏡9分別位 於雷射加工系統的水平光路的兩側，雷射聚焦鏡6作為同軸監測的成像物鏡；同軸CCD 傳感器7與外接監視器24相連，由外接監視器24直接顯示觀測的圖像。旁軸CCD傳感器20、變焦光學系統21及旁軸成像物鏡22依次位於在同一光路 上，並固定在直寫工具的後方。工件反射回來的光束通過旁軸成像物鏡22，經過變焦光 學系統21進行調整後由旁軸CCD傳感器20接收，並傳輸至控制系統，控制系統採用裝 有控制卡的計算機23，控制圖像的顯不。直寫系統包括微細筆直寫裝置和微噴直寫裝置。微細筆直寫裝置如圖2所示， 支架25B固定在基座19上，導軌27和氣缸28分別位於支架25B的兩側，支架25A通過 滑塊26安裝在導軌27上，微細筆16安裝在支架25A上，隨支架25A —起上下運動。氣 體通過導氣管11進入氣缸28，通過控制系統控制氣缸28的活塞杆29的運動。支架25C 與活塞杆29固定連接，千分表13固定在支架25C頂端，千分表13的測量杆的末端位於 螺栓14的正上方，並與其相接觸。螺栓14通過螺母15C固定在支架25A上，微距調節 螺母15A和微距調節螺母15B由支架25C的伸出部位確定其位置，並套在螺栓14上。當控制系統控制氣缸28，使活塞杆29向下運動並進行卡位時，活塞杆29帶動 支架25C及固定在支架25C上的千分表13、微距調節螺母15A、微距調節螺母15B同時 下降，此時千分表13的測量杆位置不發生變化。螺栓14由於微距調節螺母15A和微距 調節螺母15B的下降而下降，從而帶動螺母15C、支架25A —起向下運動，滑塊26跟隨 25A在導軌27上運動，固定在支架25A的微細筆16也跟隨25A—起向下，此時進入微 筆工具的工作狀態。當控制系統控制氣缸28，使活塞杆19向上運動並進行卡位時，所有 部件隨之向上運動，此時進入微細筆非工作狀態。當活塞杆29固定不動，僅調節微距調節螺母15A和微距調節螺母15B並進行配 合鎖緊時，只有螺杆14會帶動螺母15C、支架25A、滑塊26以及微細筆16上下運動。 同時，千分表13的測量杆會上下運動，指針的偏移量給出微細筆16上下移動的準確距 離。此時為微細筆16位置微調狀態。逆時針旋轉微距調節螺母15A和15B，微細筆下 降；順時針旋轉微距調節螺母15A和15B，微細筆上升。微噴直寫裝置如圖3所示，包括水浴鍋10、導氣管11、微壓表12和微噴工具； 其中微噴工具又包括霧化腔31、卸壓回收腔32和沉積噴嘴33。進氣流通過導氣管11與 微壓表12相連，微壓表12的另一端與霧化腔31相連，霧化腔31通過導氣管11與卸壓 回收腔32相連。調節微壓表12可在小範圍內測量並調節驅動氣體的流量，控制微噴直 寫工具內氣流，並能準確測量出微噴工具內氣流大小。圖3所示為將霧化腔31與卸壓回 收腔32全部置於水浴鍋10中，水浴鍋10中裝有一定量的溶液30，可對霧化腔31與卸壓 回收腔32進行整體恆溫加熱，以保證大粘度的電子漿料及溫度敏感型電子漿料也能夠順 利實現霧化、沉積，並且不受或者少受環境溫度的影響。卸壓回收腔32的另一端由導氣 管11與沉積噴嘴33相連，沉積噴嘴33噴射漿料並沉積在基板34表面。操作臺17在計 算機23的控制下進行運動，沉積直寫出圖形文件規定的圖案。微筆裝置和微噴裝置的運行均由氣體進行驅動，氣體從外接儲氣裝備中導出， 在氣體通路中接入微壓表12以控制並顯示導氣管內氣壓大小，再通過導氣管11分別與微筆裝置與微噴裝置相連，形成完整的加工通路。控制系統可以採用裝有控制卡的計算機23實現對雷射微熔覆設備的整體控制。 計算機23中的雷射微熔覆專用製造軟體發出指令可分別或同時控制雷射器1的開光或關 光、XY 二維直線電機18的運動、直寫工具的升降、旁軸CCD傳感器20信號輸出界面 的顯示。圖4所示是雷射微熔覆專用製造軟體的工藝實現流程圖。具體工作流程如下從雷射器1中發射出來的雷射通過光閘2控制雷射在加工過程中的開閉狀態，由 光束整形鏡3對雷射進行光束整形，再經由擴束鏡4對光束進行擴大變換以減小發散角， 擴束後的雷射束由鍍膜反射鏡5(雷射全反，可見光可透)改變雷射行進方向，反射至激 光聚焦鏡6處，由雷射聚焦鏡6對雷射束進行聚焦，通過調整雷射聚焦鏡6的鏡頭與工件 表面的距離(即Z軸)來調整固定在操作臺17的工件表面上的光斑大小，選取適合加工 的雷射光斑大小進行加工。當加工圖案為二維圖形時，將工件放置於操作臺17上，根據實際加工要求，調 整雷射聚焦鏡6與工件之間的距離，操作臺17跟隨XY 二維直線電機18在XY 二維平面 內運動完成雷射對工件的加工；當加工圖形為三維時，可在操作臺17上安裝轉軸，再通 過計算機23內安裝的微熔覆製造專用軟體控制XYZU四軸聯動，完成三維立體製造。工件表面的可見光通過雷射聚焦鏡6 (作為可見光成像系統的物鏡)、成像目鏡9 及變焦透鏡8成像於同軸CCD傳感器7的靶面上，同軸CCD傳感器7採集光信號後轉化 成數位訊號由外接監視器24顯示出來，即可對雷射加工過程中工件表面加工情況進行實 時監控。為了確保加工精度，需要對加工工具及工件上圖案的位置進行定位。首先由加 工工具在測試基板上繪製出定位圖形，通過移動工作檯將基板上的定位圖形移至旁軸成 像物鏡22正下方，工件上的可見光通過旁軸成像物鏡22，經過變焦光學系統21進行變換 並成像於旁軸CCD傳感器20的靶面上，旁軸CCD傳感器20採集光學信號並轉化成數字 信號傳送到計算機23中，由計算機23顯示出旁軸定位系統觀測到的圖像。根據定位圖 形由軟體計算出加工工具中心與旁軸成像物鏡22中心的距離。對加工工件進行重複加工時，需根據工件在操作臺17上的擺放位置，在雷射微 熔覆專用設備控制軟體的程序中對加工圖形進行變換，再由已定位的加工工具直接加工 即可。除了採用雷射可以實現快速直寫的功能之外，本裝置還可用微細筆與微噴實現 直寫功能。本設備中裝有三套微細筆直寫裝置和兩套微噴直寫裝置，用戶可在微細筆和霧 化腔中裝入不同的電子漿料，通過相對位置的確定，可進行多工具的連續或交替工作， 無須將工件取出重新定位，縮短(光)電子元器件的製造時間。另外，為了保證霧化的 均勻性，對於一般商用漿料，水浴鍋內的溫度控制在30°C到80°C之間。本設備除了可實現多微細筆、多微噴工具的複合加工，還可以實現微細筆-激 光、微噴-雷射的複合加工。通過計算機23以及旁軸定位系統確定雷射及其他工具的絕 對位置後，計算出工具間的相對距離。通過在控制系統的軟體中繪製出預加工的圖形， 再由控制系統控制加工工具的運動，在基板上根據設計要求預置膜層；工作檯下方安裝
7的加熱板可使膜層在基板上快速固化，無須置於乾燥爐中烘乾，縮短膜層預置時間；然 後計算機23根據雷射與直寫工具的相對位置值，直接將預置膜層移至雷射下方進行雷射 掃描，無須將基板取下重新定位，完成微細筆-雷射、微噴-雷射的複合加工。採用該法 進行電子元器件的加工，加工精度高、速度快、自動化程度高、大大縮短了加工時間。
本發明不僅局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的 內容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計結構 和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種雷射微熔覆專用設備，該設備包括工作檯、雷射加工系統和控制系統，其特 徵在於，該系統還包括CCD監測定位系統和直寫系統；CCD監測定位系統包括同軸CCD傳感器(7)、旁軸CCD傳感器(20)、變焦透鏡 (8)、成像目鏡(9)、變焦光學系統(21)、旁軸成像物鏡(22)和外接監視器(24)；雷射 聚焦鏡(6)、成像目鏡(9)、變焦透鏡⑶和同軸CCD傳感器(7)依次位於同一光路上， 該光路與雷射加工系統的水平光路成90°夾角，且雷射聚焦鏡(6)和成像目鏡(9)分別位 於雷射加工系統水平光路的兩側，雷射聚焦鏡(6)作為同軸監測的成像物鏡；同軸CCD 傳感器(7)與外接監視器(24)相連，由外接監視器(24)直接顯示觀測的圖像；旁軸CCD 傳感器(20)、變焦光學系統(21)及旁軸成像物鏡(22)依次位於在同一光路上，並固定在 直寫工具的後方；工件反射回來的光束通過旁軸成像物鏡(22)，經過變焦光學系統(21) 進行調整後由旁軸CCD傳感器(20)接收，並傳輸至計算機(23)；直寫系統包括微細筆直寫裝置和微噴直寫裝置；微細筆直寫裝置的結構為第二支架(25B)固定在基座(19)上，導軌(27)和氣缸 (28)分別位於第二支架(25B)的兩側，第一支架(25A)通過滑塊(26)安裝在導軌(27) 上，微細筆(16)安裝在支架(25A)上，隨支架(25A) —起上下運動；氣缸(28)上設置 有導氣管(11)，支架(25C)與活塞杆(29)固定連接，千分表(13)固定在支架(25C)頂 端，螺栓(14)固定在支架(25A)上，第一、第二微距調節螺母(15A、15B)由第三支架 (25C)的伸出部位確定其位置，並套在螺栓(14)上；微噴直寫裝置包括水浴鍋(10)、導氣管(11)、微壓表(12)和微噴工具；其中微噴工 具又包括霧化腔(31)、卸壓回收腔(32)和沉積噴嘴(33)；進氣流通過導氣管(11)與微 壓表(12)相連，微壓表(12)的另一端與霧化腔(31)相連，霧化腔(31)通過導氣管(11) 與卸壓回收腔(32)相連；霧化腔(31)與卸壓回收腔(32)均置於水浴鍋(10)中；卸壓回 收腔(32)的另一端由導氣管(11)與沉積噴嘴(33)相連，沉積噴嘴(33)噴射漿料並沉積 在基板(34)表面。
2.根據權利要求1所述的種雷射微熔覆專用設備，其特徵在於，工作檯包括操作臺 (17)、XY 二維直線電機(18)和基座(19) ； XY 二維直線電機(18)固定在基座(19)上， 操作臺(17)安裝在XY 二維直線電機(18)的上方，並控制操作臺(17)的運動。
3.根據權利要求(1)所述的種雷射微熔覆專用設備，其特徵在於，雷射加工系統包 括雷射器(1)、光閘(2)、光束整形鏡(3)、擴束鏡(4)、鍍膜反射鏡(5)和雷射聚焦鏡 (6)；雷射器(1)、光閘(2)、光束整形鏡(3)、擴束鏡(4)和鍍膜反射鏡(5)依次位於同一 光路上，雷射器(1)、光閘(2)、光束整形鏡(3)和擴束鏡(4)固定在工作檯的基座上， 鍍膜反射鏡(5)與雷射器(1)的光束成45°夾角；雷射聚焦鏡(6)位於鍍膜反射鏡(5)的 反射光路上。
全文摘要
本發明公開了一種雷射微熔覆專用設備，該設備包括工作檯、雷射加工系統和控制系統，其特徵在於，該系統還包括CCD監測定位系統和直寫系統；CCD監測定位系統包括同軸CCD傳感器、旁軸CCD傳感器、變焦透鏡、成像目鏡、變焦光學系統、旁軸成像物鏡和外接監視器；直寫系統包括微細筆直寫裝置和微噴直寫裝置；微細筆直寫裝置包括支架，導軌、氣缸、滑塊、活塞杆、千分表、微距調節螺母和微細筆；微噴直寫裝置包括水浴鍋、導氣管、微壓表和微噴工具；該設備合理設計了雷射光路、微噴和微細筆的安裝工位及工作方式，將雷射加工與微細筆、微噴直寫系統集成在同一個工作平臺上，實現多種加工手段的優勢互補。
文檔編號B23K26/02GK102011123SQ201010562229
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者張潔, 曾曉雁, 李祥友, 段軍, 王澤敏, 蔡志祥 申請人:華中科技大學