超短脈沖(USP)激光器加工玻璃速度快、精度高,無需任何化學(xué)腐蝕過程。USP激光器尤其適合加工玻璃基材上的金屬結(jié)構(gòu),以及加工玻璃基材本身,比如,微流道。
圖1:皮秒激光系統(tǒng)加工玻璃基材上微流控圖形
在電子領(lǐng)域,小型化導(dǎo)致對(duì)高度集成的微芯片的需求不斷增加,包括玻璃基板。玻璃基板制造商也因此提供了多種厚度、熱性能、超高電阻和優(yōu)化的涂層玻璃以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。而且,不同玻璃在不同激光照射下的光學(xué)性能不同。LPKF ProtoLaser R4超短脈沖激光系統(tǒng)對(duì)于這些加工任務(wù)均能輕松處理。
1、玻璃表面薄膜金屬結(jié)構(gòu)的加工
圖2:ProtoLaser R4加工玻璃,切割邊緣精準(zhǔn),且不會(huì)產(chǎn)生任何微裂隙。
玻璃材料表面先被金屬化,隨后進(jìn)行加工,按照設(shè)計(jì)圖形,制作成天線、傳感器或?qū)w結(jié)構(gòu) - 理想情況下,加工過程中完全不會(huì)損傷敏感的玻璃基板。傳統(tǒng)加工工藝復(fù)雜,仍需昂貴的涂層、曝光并需要通過濕法蝕刻進(jìn)行化學(xué)腐蝕。圖形的制作需要多個(gè)連續(xù)工藝步驟,并需要購(gòu)置包括曝光顯影以及化學(xué)藥液槽等設(shè)備。
ProtoLaser R4 超短脈沖激光系統(tǒng)通過調(diào)整脈沖能量、脈沖頻率和加工速度,可精確去除各種厚度的材料,并且不影響任何底層材料。按照設(shè)計(jì)圖形,激光對(duì)材料分步加工,每步都部分去除和進(jìn)行圖案化,最終輕松可靠地創(chuàng)建所需的結(jié)構(gòu)。
設(shè)置適當(dāng)?shù)募庸?shù)可確保冷燒蝕,且不會(huì)在激光軌道邊緣和玻璃上產(chǎn)生熱效應(yīng)。甚至玻璃基材的光學(xué)性能也幾乎保持不變。
圖3:激光加工預(yù)鉆孔玻璃上的導(dǎo)電圖形。得益于靶標(biāo)識(shí)別系統(tǒng),激光可以在孔間形成不間斷的導(dǎo)電路徑。
激光加工的第一步,集成的攝像頭自動(dòng)識(shí)別被加工材料上的靶標(biāo),根據(jù)定義的參考點(diǎn)或基于軟件的基準(zhǔn)點(diǎn)。從參考位置開始,將基材放置到真空吸附工作臺(tái),超短脈沖激光器以 10 μm 的定位精度去除金屬層。圖 3 顯示了預(yù)鉆孔玻璃上的金屬層上精準(zhǔn)對(duì)位的電氣連接,該連接是通過對(duì)樣品的精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)、位置檢測(cè)和精確激光燒蝕而創(chuàng)建的。圖 4 展示的是玻璃基材上的電容結(jié)構(gòu),線寬/間距僅為 15/25 μm。
圖4:50nm厚度的鈦粘合劑將300至400 nm的銅層覆在肖特AF32玻璃基板上,通過PLR4加工金屬層形成電容結(jié)構(gòu)。
2、玻璃上厚金屬鍍層的多個(gè)操作步驟
對(duì)于玻璃上的厚金屬鍍層,需要根據(jù)精準(zhǔn)的厚度進(jìn)行多次操作。在層厚允許的情況下,高能量激光脈沖可以實(shí)現(xiàn)快速加工。隨著金屬層變薄,ProtoLaser R4 會(huì)降低激光能量以保護(hù)基材。兩個(gè)階段的加工方式確保了加工時(shí)長(zhǎng)和加工質(zhì)量,可與薄金屬鍍層相媲美,而且將對(duì)玻璃基板的影響降到最低(圖5和6)。
圖5:USP超快激光器加工玻璃上初始厚度160 um的金層剖面圖
圖6:玻璃上的全息表面天線
3、玻璃加工:切割、鉆孔、微流道
現(xiàn)在,使用激光刻蝕金屬層是許多實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)做法。得益于超短脈沖激光器,Protolaser R4 僅需一步,即可直接加工玻璃(圖 7)。切割和鉆孔已經(jīng)是常規(guī)應(yīng)用,超短脈沖激光還可以進(jìn)行定深加工。
圖7:激光加工玻璃的顯微鏡下畫面:左下角是未加工的玻璃表面,淺灰色條帶是切割表面的微觀側(cè)視圖。
在物理學(xué)中,通過微流體研究當(dāng)微流道狹窄到只有幾個(gè)分子直徑時(shí)液體的力學(xué)特性。在化學(xué)中,通過微流體研究涉及皮升體積的化學(xué)反應(yīng),而在生物學(xué)中,通過微流體可分離出單個(gè)細(xì)胞,并對(duì)其進(jìn)行生物體內(nèi)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。其共同之處在于均是處理μL、nL或pL范圍內(nèi)的微量液體體積。微流控電路在亞毫米或亞微米范圍內(nèi)運(yùn)行,使芯片實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用成為可能,如可穿戴設(shè)備、自動(dòng)葡萄糖監(jiān)測(cè)和快速血液或糞便檢測(cè)。
微流控中涉及的材料通常是PDMS, PMMA, COC, LTCC以及玻璃。雖然所有這些材料都可用于樣品制作,但玻璃比其他微流控材料有著更明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)工藝包括昂貴的濕法腐蝕,光刻和化學(xué)蝕刻,限制了它的使用。如今,超精細(xì)的微流體通道可以通過ProtoLaser R4超短脈沖激光加工,無需任何化學(xué)腐蝕工藝,一步成型。
通過研究BF33或Mepax玻璃的微流控設(shè)計(jì)工藝步驟,展示了從CAD設(shè)計(jì)到最終成品玻璃樣品的簡(jiǎn)單過程。德國(guó)耶拿的肖特BF33是一種高性能硼硅酸鹽玻璃。這款玻璃在可見光、近紅外和紫外波長(zhǎng)范圍內(nèi)有著高透明度。其視覺質(zhì)量和光學(xué)清晰度加上其高耐化學(xué)性和抗沖擊性,使其成為包括微流控實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的理想選擇。
由于BF33玻璃在低紫外波長(zhǎng)下的高光透射率,需要使用短脈沖激光器進(jìn)行處理,在這種情況下,實(shí)驗(yàn)使用了ProtoLaser R4皮秒激光器(波長(zhǎng)515 nm)。設(shè)計(jì)圖形尺寸為46mmx10mm,通道寬度為150um(圖8)。圖9顯示了不同厚度的肖特BF33玻璃在紫外范圍內(nèi)的透射率,雖然該型號(hào)玻璃的透射率很高,但超快脈沖的能量可對(duì)其進(jìn)行反復(fù)處理。
圖8:微流控的CAD 二維設(shè)計(jì)圖
圖9:不同厚度的肖特BF33高硼硅玻璃在紫外激光下的透射率
雖然對(duì)這種材料的鉆孔和切割均有確定的參數(shù),但定深加工還沒有確認(rèn)過。在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)中,設(shè)置了40um定深加工的參數(shù),本次整個(gè)樣品加工時(shí)間為31分鐘。
玻璃鉆孔和定深加工應(yīng)用展示
隨后使用基恩士的激光顯微鏡進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果顯示深度為42 um。經(jīng)過超聲波清洗,加工過程中產(chǎn)生的污染完全被去除。加工區(qū)域的表面光滑度為 Ra = 0.6 um,這也證明了此加工系統(tǒng)對(duì)要求嚴(yán)苛的微流控應(yīng)用的適用性(圖 10)。
圖10 :超聲波清洗后的溝道圖片
通過進(jìn)一步的測(cè)試,包括在肖特Mepax 0.3 mm玻璃上,也證實(shí)了該方法的適用性。當(dāng)然,開窗的蓋板玻璃也可以使用激光進(jìn)行加工,且不會(huì)損傷任何涂層。
4、多個(gè)應(yīng)用,一步成型
從設(shè)計(jì)到完成樣品制作只需一個(gè)小時(shí),這在傳統(tǒng)的玻璃加工中是完全不可能的。LPKF ProtoLaser R4不需要多個(gè)加工步驟,只需要CAD設(shè)計(jì)圖紙即可直接用激光加工圖形,大大加快了研發(fā)進(jìn)程,減少了等待時(shí)間,無需任何化學(xué)蝕刻步驟,并且因?yàn)槠涑叩目刂凭?,在絕大多數(shù)情況下都超過傳統(tǒng)工藝的加工品質(zhì)。
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