基于LTCC的激光加工精度提高研究

程秀全，譚立杰，張金環(huán)，劉紅英

(中國電子科技集團(tuán)第四十五研究所，北京101601)

基于LTCC的激光加工精度提高研究

程秀全，譚立杰，張金環(huán)，劉紅英

(中國電子科技集團(tuán)第四十五研究所，北京101601)

介紹了一種加工LTCC的激光劃切機(jī)，由于客戶對打孔精度要求的提升而作出改進(jìn)。應(yīng)用QC活動知識對影響加工精度的原因進(jìn)行分析，并為提高激光劃切加工精度提出一些方法與措施。

激光加工；劃切設(shè)備；加工精度

激光精密劃切技術(shù)和設(shè)備的研究與應(yīng)用逐漸成為精密加工領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向，尤其對于一些高硬度、高脆性材料，激光加工比其它傳統(tǒng)加工方法效果更好[1]。

微電子技術(shù)和封裝工藝的發(fā)展使超大規(guī)模集成電路的密度越來越高，而高密度低溫共燒陶瓷(Low-temperature cofired ceramics，LTCC)基板的制作依賴于基板內(nèi)部導(dǎo)體的精細(xì)互連技術(shù)。為了滿足LTCC多層基板高密度互連的工藝要求，必須使基板微通孔的直徑及導(dǎo)線線寬縮小到100μm以下[2]。

對于任意形狀圖形切割和微孔 (＜100μm)加工，傳統(tǒng)加工方式很難完成。但是激光具有高精度、高速度、高效率、無接觸損傷等特點(diǎn)，而且激光能量可以控制，加工線條非常精細(xì)，可以加工任意形狀，因此激光加工技術(shù)能夠很好地解決這些問題。因此選用激光劃切機(jī)作為LTCC生瓷片的一種加工方式。

本文主要闡述了一種全自動的激光劃切機(jī)對LTCC生瓷片的加工方式中打孔精度產(chǎn)生偏差的原因和詳細(xì)分析，并對加工精度的提高方法進(jìn)行了研究。

1 研究背景

1.1 激光劃切機(jī)的加工方式

本文涉及的是中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的一種新型全自動激光劃切機(jī)，設(shè)備采用自動上下料方式，激光加工采用二維掃描振鏡與二維工作臺相結(jié)合的方式，該方式使激光加工更快速、更精準(zhǔn)。

該設(shè)備是一種針對框式堆疊放置物料進(jìn)行加工的新型全自動激光加工設(shè)備，很大程度上降低了人工勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)，加工方式多樣，產(chǎn)品適應(yīng)性廣，用戶只需輸入圖形數(shù)據(jù)文件，設(shè)備便可自動完成加工[3]。

其工作流程如圖1所示。

1.2 激光劃切機(jī)打孔加工精度的評判標(biāo)準(zhǔn)

激光劃切機(jī)打孔加工精度主要從“孔直徑、孔圓度、孔位置（x、y軸）”3個(gè)方面的精度進(jìn)行判定，如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)備孔直徑、孔圓度整體能力良好。

隨著科技的發(fā)展，客戶對激光劃切機(jī)打孔加工精度的要求也是越來越高。以前設(shè)備精度是否達(dá)標(biāo)的評判標(biāo)準(zhǔn)是誤差是否超上下限，設(shè)備精度為±0.015㎜。客戶為了提高成品率，開始對生產(chǎn)線做過程能力控制，要求設(shè)備工藝過程能力都要達(dá)到4σ以上。

過程能力是指生產(chǎn)過程在一定時(shí)間內(nèi)處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)下制造產(chǎn)品的質(zhì)量特性值的經(jīng)濟(jì)波動幅度。它又叫做加工精度。當(dāng)生產(chǎn)過程處于控制狀態(tài)時(shí)，在μ±3σ范圍內(nèi)產(chǎn)品占了整個(gè)產(chǎn)品的99.73%，即幾乎包括了所有的產(chǎn)品，因此用6σ來描述是比較全面的。一般取B=6σ，這里B為過程能力，即加工精度。過程能力是描述加工過程客觀存在著分散的一個(gè)參數(shù)。此外還要引進(jìn)另一個(gè)參數(shù)來反映過程能力滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范、公差等）的程度。這個(gè)參數(shù)就叫做過程能力指數(shù)，一般記為Cp[4]。

圖1 激光劃切機(jī)的工作流程

圖2 孔加工精度評判標(biāo)準(zhǔn)示意圖

4σ，即Cp＞1.33的工藝過程能力，為較為嚴(yán)格的要求，尤其相比傳統(tǒng)的考慮是否超上下限的評判標(biāo)準(zhǔn)要苛刻許多，需要從設(shè)備的初期設(shè)計(jì)到最終調(diào)試始終與工藝緊密結(jié)合才能夠?qū)崿F(xiàn)。

根據(jù)客戶之前返回的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，孔位置加工精度誤差雖然基本控制在了±15μm以內(nèi)，但是沒有達(dá)到客戶要求的±0.015㎜，Cp＞1.33的控制要求。

圖3 孔位置誤差分析方法示意圖

1.3 新的孔位置精度偏差分析方法

由于LTCC生瓷片尺寸較大，近200 mm× 200 mm，但是加工孔的誤差在幾微米到幾十微米，一般情況下很難做到對整個(gè)幅面的的誤差情況做全面直觀的觀察。

本文引入了一種分析方法，可以做到對整個(gè)幅面內(nèi)的孔位置精度偏差都有很直觀的體現(xiàn)，方便我們分析原因，以及觀察改進(jìn)方法實(shí)施后的效果。

首先使用標(biāo)準(zhǔn)測試片進(jìn)行激光加工，標(biāo)準(zhǔn)測試片的圖形為9×9的孔陣列，間距為20 mm，一次測試1片，所有點(diǎn)進(jìn)行測試，得到所有孔的位置坐標(biāo)。然后將孔位置的理想值畫成小方塊，而將測試點(diǎn)的誤差值放大200倍，做成小菱形，畫到同一張圖上，如圖3所示。

如果孔位置精度非常好，則方塊和菱形可以全部重合；否則某個(gè)方向的位置精度有偏差，菱形的尖角則會伸到方塊的外面。這樣可以直觀的看到每個(gè)點(diǎn)的誤差大小以及整個(gè)片子誤差的誤差趨勢。

2 加工精度降低的原因分析

圖4 加工精度降低的原因

影響激光加工精度的原因一般產(chǎn)生于人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等工藝環(huán)節(jié)。其加工精度降低產(chǎn)生的原因分析如圖4所示。影響激光劃切機(jī)打孔精度的主要原因分析：（1）材料軟，易變形。LTCC生瓷片是相對較軟的材料，因此加工時(shí)需要放到平整的真空吸附臺上，利用真空吸附使LTCC生瓷片吸平，進(jìn)行激光加工。而客戶從加工工藝和性價(jià)比考慮，一般會選用蜂窩板作為真空吸附臺。但是蜂窩板是耗材，使用過程中會有損耗，會降低蜂窩板的平面度，同時(shí)真空臺吸附力不均勻也會引起生瓷片不規(guī)則變形，這樣激光的焦點(diǎn)高低不平，影響打孔加工精度。

（2）工作臺精度不理想。工作臺在長時(shí)間滿負(fù)荷工作的情況下，機(jī)械鑄件會產(chǎn)生微小的形變，累計(jì)會影響工作臺精度。如果工作臺精度不理想，運(yùn)動不到位，激光加工位置不對，影響打孔加工精度。

（3）振鏡精度飄移。振鏡是激光劃切機(jī)的重要部分，它能使激光按任意方向偏轉(zhuǎn)，完成圓孔的加工。振鏡在使用過程中會發(fā)熱，但是振鏡的位置精度會因?yàn)闊嵝?yīng)發(fā)生飄移。長時(shí)間不進(jìn)行振鏡校正，振鏡精度變差，每個(gè)振鏡塊內(nèi)的精度都會變差，達(dá)不到誤差標(biāo)準(zhǔn)，影響最終的打孔加工精度。

3 改進(jìn)方法和措施

3.1 工作臺優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)工作臺精度

為減小劃切槽間距位置漂移，應(yīng)保證工作臺移動具有位移檢測與補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)工作臺步進(jìn)位移的自動檢測與自動補(bǔ)償控制。工作臺步進(jìn)位移的自動檢測與補(bǔ)償可通過光柵尺精度控制實(shí)現(xiàn)[5]。

同時(shí)對工作臺精度進(jìn)行重復(fù)精度檢測，利用激光干涉儀單步測量的方式進(jìn)行單軸精度測試，利用光刻玻璃板對工作臺進(jìn)行全幅面的二維精度檢測。利用軟件方法對工作臺的固定精度誤差進(jìn)行補(bǔ)償，減小因?yàn)楣ぷ髋_精度對打孔加工精度的影響，從而提高打孔加工精度。

3.2 提高振鏡校正頻率

提高振鏡校正頻率，可以有效減小熱效應(yīng)引起的振鏡精度飄移對激光加工的影響，使振鏡精度飄移在可接受的范圍之內(nèi)，保持振鏡精度的穩(wěn)定性，減小對打孔加工精度誤差的影響。

3.3 補(bǔ)償因材料變形引起的固定誤差

利用1.3新引進(jìn)的分析方法進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，因LTCC生瓷片的不規(guī)則變形引起的打孔數(shù)據(jù)的加工精度誤差相對固定，可以利用軟件方法固定誤差進(jìn)行補(bǔ)償，減小因?yàn)長TCC生瓷片變形對打孔加工精度的影響，從而提高打孔加工精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

措施實(shí)施后，抽取50片正式LTCC生瓷片進(jìn)行激光加工，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需要統(tǒng)計(jì)所選測試孔的x向和y向的位置精度誤差，部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。利用實(shí)驗(yàn)所得大量數(shù)據(jù)，利用過程能力分析軟件，可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的分布圖，孔位置坐標(biāo)誤差分布及直方圖，計(jì)算出設(shè)備的Cp等過程能力指數(shù)。如圖5和圖6所示。

圖4 孔坐標(biāo)x向偏差大小比較過程能力分析圖

圖6 實(shí)驗(yàn)前后孔位置精度誤差大小直方圖對比

表1 測試孔的xy精度誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)（節(jié)選）

從實(shí)驗(yàn)前后的孔位置精度誤差直方圖對比可以觀察到，采取改進(jìn)措施之后，誤差分布理想，激光劃切設(shè)備的打孔精度得到了顯著的提高。同時(shí)設(shè)備的Cp提升至1.42，即達(dá)到了4σ，達(dá)到預(yù)期設(shè)定目標(biāo)，加工精度與德國進(jìn)口設(shè)備LPKF公司的相應(yīng)激光加工機(jī)型相當(dāng)。

5 結(jié)論

通過對影響激光劃切加工精度的原因進(jìn)行分析，提出了一些改進(jìn)激光劃切打孔加工精度的措施及提高激光劃切打孔加工精度的方法，提高了設(shè)備穩(wěn)定性。本方法和措施對改進(jìn)激光劃切設(shè)備性能和改善激光劃切工藝現(xiàn)狀具有重要意義。已成功地應(yīng)用于我所的激光劃切機(jī)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化研究，也可推廣到其它相適應(yīng)的設(shè)備性能改進(jìn)和工藝研究。

[1] 韓微微，張孝其.半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的晶圓激光劃片概述[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，39(12)：39-43．

[2] 徐志春，成立，李俊等.低溫共燒陶瓷多層基板精細(xì)互連技術(shù)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2007，32(7)：629-633．

[3] 趙志偉，劉婷婷，劉紅英等.一種新型全自動激光劃切機(jī)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2012，41(10)：52-55．

[4] 邢文英.QC小組基礎(chǔ)教材[M].北京：中國社會出版社，2008．

[5] 劉紅英，楊松濤.提高紫外激光劃切質(zhì)量的方法與措施[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，42(10)：1-5．

Research on Improving Precision of Laser Processing Based on LTCC

CHENG Xiuquan，TAN Lijie，ZHANG Jinhuan，LIU Hongying

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 10160l，China)

The article introduces a sort of laser dicing machine used to dicing LTCC．This machine needs to improve on because of the advance of client's require to dicing precision.In this paper，the knowledge of quality control is used to analyze the causes of dicing precision resulted by 1aser processing，and also provide several methods and measures on improving dicing precision for laser processing.

Laser dicing；Dicing equipment；Dicing Precision

TN305.1

B

1004-4507(2015)03-0035-05

程秀全(1987-)，男，山東省濰坊市人，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)就職于中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，從事激光加工技術(shù)與設(shè)備的研究工作。

2015-01-20