｜飛秒雷射微鑽孔製程技術

摘要：雷射鑽孔為工業應用中重要的一環，例如：積體電路整合技術中的through silicon vias （TSVs）、微孔噴嘴、PCB電路板鑽孔、光學元件之模具製作等。傳統雷射加工存在大量的熱效應，周圍材料經高溫冷卻後形成改質區，除了材料特性產生變化外，高溫下晶格擠壓造成殘留應力與破裂等問題，更會降低材料本身強度，使得傳統雷射所製作之微孔，往往在實用上存在許多限制。飛秒雷射有別於傳統長脈衝雷射加工，具有低熱影響區及非線性吸收特性，因此雷射剝除區周圍大部分材料能保有本身特性，確立飛秒雷射在業界應用之必要性。本文針對工研院南分院雷射應用科技中心之飛秒雷射實驗系統作介紹，並針對在多種硬脆或高韌性材料上之微鑽孔成果做說明。

Abstract: Laser drilling has diverse applications in industry and plays important part in through silicon vias (TSVs) of IC industry, micro nozzles fabrication, PCB drilling, and optical components molding.  Lots heat generated during conventional laser materials processing.  The surrounding materials would be heated and then cooled which forms modified area.  In addition to modifying material properties, the lattice compression result from the high temperature causes residual stress and fracture problems. It would even reduce the strength of the material itself.  Consequently, there are limitations in conventional laser drilling. In this aspect, the materials processing by using femtosecond r has the advantages over the one by employing long-pulse laser. With minimum thermal effect and the nonlinear absorption characteristics, the material properties have little changed by the drilling process.  As a result, there are growing demands of femtosecond lasers in the industry. In this paper, the femtosecond laser experimental system of Laser Application Technology Center at ITRI South is introduced.. Micro-hole in high toughness, hard and brittle materials are demonstrated.

關鍵詞：飛秒雷射、雷射鑽孔、硬脆材料

Keywords：Femtosecond laser, Laser drilling, Hard and brittle materials

前言
微孔的應用在各項產業中隨處可見，從傳統產業上各式噴嘴、拉絲模具到電子科技產業上印刷電路板及半導體積體電路，甚至在光學零件上都可觀察到其蹤跡。隨著應用面的發展，鑽孔製程也逐漸朝向更小孔徑尺寸、高深寬比、高品質、高製作效率，且加工材料亦開始朝向硬脆、透明、高韌性。常見微孔加工製程有超音波加工、CNC鑽孔加工、雷射鑽孔、放電加工及離子束蝕刻等。傳統雷射鑽孔可分成兩種加工機制，分別為加熱融化或汽化材料達到移除效果的紅外波長雷射，與藉由短波長單光子直接斷鍵（光化學作用）之紫外光雷射。工業上常見的紫外光雷射源有兩種，一為氣態的準分子雷射，而另一種是採用1064 nm波長之Nd：YAG電射光源再經由LBO、BBO等非線性倍頻晶體將紅外線波長轉換成紫外光波長。

由於近期產業要求微小化與高品質之趨勢，UV奈秒雷射鑽孔越來越受到重視，但受限於雷射作用時間長，因此加工機制以光熱去除為主，其加工原理是利用高度聚焦的方式將能量集中在極小的區塊內，移除材料必須經過固態、液態與氣態的轉換，因此加工時產生大量的熱並造成擴散，使得在照射區會形成比雷射光束直徑更大的熔融區，造成加工區域周圍材料因高溫而改質與結構破壞，微孔成型後出現內孔壁剝落或漏電等現象。材料在飛秒雷射短脈衝（10^-13秒）照射下，此脈衝寬度時間比材料內部電子及聲子之轉換時間（electron-phonon time, 約數10^-12秒）小，反應機制主要為非熱平衡方式，有別於傳統長脈衝雷射之熱平衡方式，且熱傳效應通常可以忽略[1]，故飛秒雷射成型之微孔可降低熱效應造成的缺陷，如表面無熔渣堆積、內孔壁無缺陷裂縫與剝落等現象，大幅提升孔壁可承受的外力與使用壽命。除此之外，雷射功率密度大於10¹³ W/cm²，此時材料對能量吸收與雷射脈衝功率密度的n次方呈非線性關係，其中n為被吸收的光子數[2]。在飛秒雷射照射下，聚焦區域的脈衝功率密度極高，透過非線性吸收特性，可應用於玻璃、石英、晶體等對雷射波長為透明之材料進行內部加工[3、4]。本研究將針對雷射中心飛秒雷射鑽孔製程技術之發展，及在各硬脆材料與高韌性材料上之加工成果做介紹。