激光刻蝕對爆炸箔圖形化的應用探討

曹始發(fā)，尼志青，陳 鋒，賀 勇

（陜西應用物理化學研究所，陜西 西安 710061）

1 概述

爆炸箔是沖擊片雷管的關鍵部件，在電爆炸過程中，爆炸箔首先加熱、汽化，然后產(chǎn)生等離子體，等離子體膨脹，進而剪切飛片，并驅動飛片加速，進而沖擊起爆主裝藥。在爆炸箔的圖形化處理過程中，普遍采用的是濕法刻蝕技術和光刻技術。濕法刻蝕技術一般針對的是銅膜，工藝相對來說簡單，但是因為是各向同性刻蝕，易發(fā)生鉆蝕現(xiàn)象，且會產(chǎn)生大量廢液，對環(huán)境也會造成影響。同時針對復合橋膜，由于刻蝕劑對不同材料刻蝕速率存在差異，使其應用受到了限制。光刻工藝則通過選擇性曝光將掩膜板圖案轉移到光刻膠上面，以進行加工。在制作爆炸箔橋型的過程中，光刻工藝有2種操作流程，一種是甩膠—曝光—顯影—鍍膜—去膠，一種是甩膠—前烘—前曝光—反轉烘—泛曝光—顯影—鍍膜—去膠。前一種在顯影時，膠臺為正八字型，在去膠過程中，由于濺射薄膜為連續(xù)的，容易造成薄膜發(fā)生連帶或撕裂，影響成膜質量。后一種利用反轉膠，通過2次曝光實現(xiàn)所需橋型。該方法得到的膠臺為倒八字型，避免了上一種方法中膠不易剝離的情況。但是此種方法工序復雜，時間周期較長。隨著MEMS微加工技術的發(fā)展，脈沖激光微加工技術開始嶄露頭角，現(xiàn)如今，科技工作者已經(jīng)將先進脈沖激光加工技術應用到了印刷電路板、集成電路等領域中。短脈沖尤其是超短脈沖激光微加工技術更是突破了傳統(tǒng)微加工工藝的極限，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。在爆炸箔圖像化處理中，脈沖激光器可以解決傳統(tǒng)濕法刻蝕及光刻工藝中存在的問題，為沖擊片雷管的發(fā)展提供了新思路。本文采用皮秒激光微細加工系統(tǒng)，對爆炸橋箔的各種橋型進行了試制。

2 制作過程

激光器分為脈沖輸出激光器和連續(xù)輸出激光器。應用于爆炸橋箔刻蝕的是脈沖輸出激光器，其按照輸出脈沖寬度，可以分為毫秒激光器、納秒激光器、皮秒激光器及飛秒激光器。納秒加工屬于熱平衡燒蝕，由于脈寬時間遠大于弛豫時間，所以熱量有足夠的時間向材料刻蝕區(qū)域周圍傳遞，使周圍區(qū)域產(chǎn)生再鑄層和微裂紋。飛秒加工屬于非熱平衡燒蝕，在照射過程中，能量很少向刻蝕區(qū)域以外擴散，避免了再鑄層，可以實現(xiàn)真正意義上的冷加工。皮秒加工介于熱平衡燒蝕和非熱平衡燒蝕之間，相比于納秒加工，其可避免大面積的再鑄層，相比于飛秒加工，雖然仍然存在些許再鑄層，但飛秒脈沖激光器結構復雜、價格昂貴且穩(wěn)定性低，目前還不能大規(guī)模地工業(yè)化應用。同時有研究表明，脈寬10 ps左右的皮秒激光器加工質量可以媲美飛秒激光器的加工質量，這是因為電子與晶格之間的熱傳導時間大約也為10 ps，因而當使用10 ps的脈寬激光器時，可極大降低對刻蝕區(qū)域以外的熱影響[3]。

為提高加工效率及更好地控制精度與產(chǎn)品一致性，本文爆炸橋箔的刻蝕分2步完成：①利用脈寬10 ps的皮秒激光器對鍍膜后的基板進行整體橋膜陣列刻蝕。此種激光器加工屬于冷加工范疇，可以最大限度地降低熱效應的影響。②用陶瓷切割激光器切割出單個爆炸箔基片單元，這樣可以在保證加工精度的前提下，提高工作效率。

爆炸箔刻蝕切割流程如下：①在整塊陶瓷基板上設計安排好爆炸橋箔單元的陣列圖形，并以DWG格式直接導入皮秒激光微細加工系統(tǒng)的控制軟件中，設置相應的激光加工參數(shù)及激光切割路徑。為便于后序單元的切割定位尋靶，在設計陣列圖形時，為每一個單元刻蝕抓靶靶標，如圖1所示。②將陶瓷基板鍍膜面向上放置在吸附平臺上，啟動開關，控制系統(tǒng)自動將陶瓷基板運至工作區(qū)加工刻蝕。③刻蝕完成后，利用二次元對加工效果（尺寸、厚度及邊緣的毛刺狀況）進行檢驗。④將刻蝕完成后的整塊陶瓷基板放入納米激光微切割打孔系統(tǒng)中進行切割打孔。在切割之前，需要利用CCD系統(tǒng)對尋取的各單元靶標進行設置。激光下刀路徑設置與刻蝕過程類似，為降低廢品率，在切割打孔時，先打電極孔，再切割外圓。圖2為最終制作的爆炸箔成品。橋區(qū)形狀分為方形和環(huán)形2種。

圖1 皮秒激光刻蝕效果圖及局部放大圖

為驗證利用激光刻蝕系統(tǒng)制作的爆炸箔性能，對其起爆HNS-IV性能進行了測試，并與利用傳統(tǒng)光刻工藝制得的爆炸箔進行了比較，實驗爆炸箔橋區(qū)尺寸為0.3 mm×0.3 mm×4 μm。為降低實驗成本，用最高不發(fā)火電壓對各工況爆炸箔驅動飛片起爆能力進行表征，充電電壓按高至低進行發(fā)火實驗。在同一充電電壓下，沖擊片雷管連續(xù)3次未發(fā)火，則認為該電壓為該工況沖擊片雷管的最高不發(fā)火電壓。表1為2種工況下制作的爆炸箔起爆HNS-IV實驗結果。由此可以發(fā)現(xiàn)，利用激光刻蝕工藝制作的爆炸箔其起爆HNS-IV的能力與光刻工藝制得的爆炸箔基本一致。

圖2 爆炸箔成品圖

表1 爆炸箔起爆HNS-IV實驗結果

3 總結

在爆炸箔圖形化制作過程中，利用皮秒激光器刻蝕系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)光刻掩膜工藝的復雜程序，成功制備了方形和環(huán)形橋箔，并對其起爆HNS-IV能力進行了測試，結果表明，利用激光刻蝕工藝制得的爆炸箔可以與傳統(tǒng)光刻產(chǎn)品媲美，此種方法大大提高了爆炸箔制作效率。

參考文獻：

［1］沈一愚，郭永強，張瑄珺，等.電路板激光直寫的微納結構研究［J］.應用激光，2006，4（4）：25-28.

［2］曹宇，李祥友，蔡志祥，等.激光微加工技術在集成電路制造中的應用［J］.光學與光電技術，2013，33（4）：449-451.

［3］李強.激光微細加工在電子行業(yè)中若干應用的研究［D］.杭州：浙江大學，2010.

［4］姜靖.皮秒激光對金屬材料微孔加工技術研究［D］.北京：北京工業(yè)大學，2014.