18红外2020年12月文章编号:1672-8785(2020)12-0018-06
张忆南1!莫德锋1!洪斯敏1!李雪1!
$.中国科学院上海技术物理研究所，上海200083；
2.中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海200083)
摘要：由于具有硬度高、热导低及脆性大的特点，蓝宝石材料的精细较困难。对皮秒脉冲激光用于蓝宝石片划片的特点进行了分析和讨论。在此基础上，对用于红外组件封装的蓝宝石片的皮秒激光划片参数进行了， 并得到了列参数。对于红外阵列封装中常用的厚度为0.4mm的
蓝宝石过渡电极板，在组合划片参P(100)X((.01/20)YiZ(12)Z((.1/3)时到了最佳划片效果。分析了激光参数变化对划片的影响，并对实际划片操作中的一些问题进行了探讨。
关键词：蓝宝石片；激光划片；皮秒脉冲激光；材料特性
中图分类号：TB942文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-8785.2020.12.003
Study on Picosecond Laser Dicing Process of
Sapphire Substrates
ZHANG Yi-nan5,，Mo De-feng5,，HONG Si-min5,，LI Xue5，
(1.Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，
Shanghai200083，China；
2.Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Devices，
ChineseAcademyofSciences!Shanghai200083!China)
Abstract:Fine processing of sapphire material is quite difficult because of its high hardness，low thermal con
ductance and fragility.Through analyzing and discussing the features of picosecond pulse laser for dicing of
sapphire substrates，the parameters of the laser dicing have been researched in the process of sapphire compo
腔静脉
nents and parts for infrared focal plane array packaging，and a series of optimized parameters have been ob
tained.For the sapphire transition electrode plate with a thickness of0.4mm commonly used in infrared focal
planearaypackaging!thebestdicingefectisachieved whenthecombineddicingparameterisP(100)X
(0.01/20)YiZ(12)Z(0.1/3)0Theinfluenceofthechangeoflaserpowerparametersondicingisanalyzed!
and some problems in the actual dicing operation are discussed.
Key words:sapphire；laser dicing；picosecond pulse laser；materal property
收稿日期：2020-08-16
作者简介：张忆南(1987-)，上海人，工程师，主要从事红外探测器组件封装工作。
E-mail:*******************
第41卷，第12期红外19
0引言
随着大功率脉冲激光技术的不断进步以及相关光机电系统的逐渐成熟，激光法日益青睐，广泛应用于切割、划片、焊接、打孔、打标以及表面等艺）73*。 激光划片技术利用激光极高能量密度使所物质产生熔融、气化、升华等过程,
产生的局压会物质喷1去，从而实。采用皮秒短脉冲激光
的主要目大程度地减小由工件上局部热
量积累产生的温升。实验中使用的皮秒脉冲激光器的平均输出功率为15W，聚焦面的平均功率面密度1012W/cm2，对高斯光
局部密度会。在如此高的功率密度下，激
光作用材料会瞬间蒸发或气化升华,
并喷出、抛。然而对于蓝宝石：的
热导、硬质脆性材料，如此高的瞬态功率密
度有可能会使其局升温，导致开
。在等也会对零部件
的质量产生影响。，有必要根据皮秒脉冲
激光点选用合适的工艺策略，并对：加
合参数进行优化。
1蓝宝石片皮秒激光划片组合参数试验红外焦平面组件封装中常用到一些由蓝宝石材料制零部件。基于皮秒脉冲激光法已得到了应用。人工合成蓝宝石也称白宝石，其化学成分均为三氧化二铝。实际中使用单晶片，后用于组件封装中的过渡电极板、窗口、电板、材料衬底等部件。常用度是0.4mm，也可根据零部件的要求采用更厚或更薄的过渡
电极板。蓝宝石材料性能好、透I 段宽，但热，约为硅
由于其硬度（莫氏硬度9），采用其他机械划法（如金刚石切等）都不
太适合，而采用激光加工方法则可取得较好
在宝石片划片中使用波长为515nm的皮秒脉冲激光器。515nm光与物质间有较好的作用，其可见特性也使得为［。515nm激光由波长为1030nm的掺镇YAG 激光器二倍频得到。与1064nm的掺钱YAG 激光器，其激接近，
（实验中用515nm皮秒脉
冲激光器的脉冲宽度小于10ps，每个脉冲的最大能量约为75”J，最大平均功率约为15 W，实在0.1%〜100%内调节。作用在过渡电极板激光为高斯光束，焦点上的光斑直径约为20pm。激光脉冲的重复频率是可调的，实在200kHz。此激光器的加工光束由三维振镜运动控制，因此可在X、Y、Z三个方向上进行操控（控制精度约为2^m）。激光束在X、Y 方向的扫描范围约为40mm，扫描速度可在50〜300mm/s范围内调节，满足了小尺寸零部件的加工要求。使用时，将Y方向定为激光束的主向，并将度固定为200mm/。于是在200kHz的重频下，相邻两次激光脉冲在样品上的印迹只错开1pm，基本重合。X方向为激光束的平移方 表1蓝宝石片划片加工中设定的主要参数
主要划片参数设定范围备注
激光功率P/%0.1〜100常设在80〜100激光重频//kHz244〜444常固定为200 XY扫描速度&/(mm/S)50〜300常固定为200
X参数线间距d/mm
任意设定
根
要求及材料特性
YiZ参数切割总层数C任意设定根据材料厚度及激光功率等Z参数参（G）意根材料度及激光功等
20红外2020年12月
向，由其控制Y方向上每条扫描线的平移量，以满足要求；Z方向制激光束焦点。
根据以点，蓝宝石片激光划片加工中需要设置和优主要激光参数及参
见表1。其激光器参皮秒脉冲度、激光束光斑直径、光束质量等则
。为记录，文中对合参
用记法。例如：激光功率P记为100%；对于X参数，切割平移量C 记为0.01mm(线间距%，加粗@次至20条线(线数@)，即切割缝宽或锯路为0.2mm；对于YiZ参数，切割总C记为2(，反复切割方向为Y方向，下焦切割方向为Z 方向；对于Z参数，参数(#m)即每切割〃层后的焦点下降量为+(如切割5层后焦点下降0.1mm)。这样切割组合参数就可记为P(100)X(0.01/20)YiZ(20)Z(0.1/5)。
蓝宝石度都在。我们的实
验表明，此激光器的皮秒激光次对蓝
宝石的作用厚度仅在10j量级，
次然无法将其划开。这是因为：：面，此激光束的光斑直径约为20j，实验表明此宽度，不利于激光作用后产生：的喷出(易于粘结)；另一方面，在此窄条上极快积累量过大，瞬态热效应会使宝石片产生不规则开裂。实验发现，对于厚度为0.4 mm的蓝宝石片，当加粗切割线由20条减至10条时，就会对切割质量产生影响；从10条减至5条时，即使切割次数增加一倍，也不能切断，且会发生裂片。对于20pm的激光束直径，考虑到激光的高斯光束特性及其与材料的充分作用，扫描线需有必要的重叠，因此每次平移距离定为0.01mm，前后光束印迹有二分之一的重叠。对厚度为0.4mm的蓝宝石片共扫描20线，即X方向上的参数定为X(0.01/ 2)。蓝宝石度增，
数@也要相应增加，且维持总深宽比在2左右，以利于粉尘喷出。
切割总层数C主要取决于蓝宝石片的厚度。实验表明，在高功率条件下，每扫一层，激光作用厚度在10j左右。这种简单的方法将激光束的焦点位置始终固定在蓝宝石片表面，因此直接由蓝宝石片的厚度决定切割层数C。例如，对于厚度为0.4mm的蓝宝石片，在100%功率下，直接设定切割层数C为40，即YiZ(40)。该方法虽然可行，但由于过度切割，划片效率降低。因为高斯激光束在焦点位置上的功率密度最高，所以随着作用区沿Z 方向向下推进，焦点也应向下推进，这样可取
表2两组蓝宝石过渡电极板样品的线条切割实验参数及结果
样品编号切割补偿切割是否切断(Y/N)粗糙度
10.1/1040Y稍粗糙
20.1/520Y稍粗糙
30.1/416Y稍粗糙
40.1/314Y中等
50.1/312Y光滑
汽油清净剂60.1/14N/
70.01/140Y稍细腻
80.02/120Y稍细腻
90.03/114Y中等
100.04/112Y中等110.04/110N/ 120.05/18N/
外
红期
2 第
21
图1厚度为0. 4 mm 的蓝宝石片的皮秒激光划片侧壁形貌显微照片。所用划片参数为玖100)
X(0. 01/20) YiZ(12) Z(0. 1/3)
得更高的划片效率。这就需要设定Z 参数，即 切割 。实验 ，适当 切割 后! 切割
减小！划
著 。
2列出了采用不同切割 参数对厚度
为0. 4 mm 的蓝宝石过渡电极板进行线条切割
的实验结果(实验中激光功率设为100%)。样
为 : 将焦点 进量固定为
0.1mm ，改变切割层数!观察样品是否自然
划开；
点
跟随 进！
，焦点向 进
。由表2可
见!第一种方案扫描12
以划开，第二
12
划开，
别不大，
用
。尊木汇国际艺术广场
蓝宝石片皮秒激光划片中关心的另一*问题 是要
及 ，并有
(图1
度 为 0.4 mm 蓝 宝 石 过 渡 电
极板在 P(100)X(0. 01/20) YiZ(12)Z(0. 1/3)
划片参数设置下(艮
5)的侧
照片。由图1可见，在此设置对应的激光功率 密度下，
型的熔融后烧结微观至
均匀，且无宏观裂纹
裂现象。对这两组样品的显微形貌进行观察! 未发 观
！只 度稍
有 别 不 著(
腹膜癌
图2
用皮秒激光划片对厚度为0.4
mm 的透明蓝宝石片过渡电极板进
后的
实
，所用划片参数为玖100)X (0.01/20) YiZ(12) Z(0. 1/3)，左上角拼图
为其 。由图2可见，在此划片参 -
置下！
切割面平整光洁！测绘与空间地理信息
了良好的划
片质量。由左上角 见!
此时的侧壁呈倾斜状，倾斜角约为13°。这与
0.2 mm 的划片槽宽度相对应，深宽比约为 2.2。注意 ， 划 f
在X 方向推进20次后产生 观综合 有别于只切割一次而产生
型 )5*。
点，在对
有 要求 进
参。
2蓝宝石片皮秒激光划片功率参数试验
表3和图3所示为采用不同激光功率在 厚度为0. 6 mm 的蓝宝石片过渡电极板上打 孔的划片实验参数及结果。实验中设置的X
22红外2020年12月
图2对厚度为0.4mm的蓝宝石片过渡电极板进行皮秒激光划片后的效果微距照片。左
上角为其侧壁形状，所用划片参数为玖100)X(0.01/20)YiZ(12)Z(0.1/3)
风中的铃铛表3蓝宝石片过渡电极板的打孔实验参数及结果
激光功Ch切透(自然
编/%参)所需扫
11000.1/525打孔成功2900.1/531打孔成功3800.1/537打孔成功4700.1/542打孔成功5600.1/551打孔成功6500.1/561打孔成功7400.1/5100未下落8400.1/1098打孔成功
参数为(0.01/30)，切割总层数为100，观察划片过程中切割区自然下落打孔成功所需的扫描层数。由表3和图3可A，在此设定下随着激光功率的降低，所需的扫描层数相应增加。注意到在40%功率下扫描层数为100，切割补偿为Z(0.1/5)时，尚未划开；但将补偿参数修改为Z(0.1/10)后则可划开。
3试验结论
通过对划片效率和划片形貌进行评估可A，对于厚度为0.4mm的蓝宝石过渡电极
豫公网安备41160202000603
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