Пробиване на полупроводникова керамика: микро-отвори, дълбоки отвори и отклонение на позицията, обяснено

Дупките в керамичните субстрати изглеждат прости, но всъщност са едно от скритите тесни места на полупроводниковите опаковки. Позиция на отвора, която е изместена само с 0,01 mm, може да бракува устройството; микро-пукнатини по стената на отвора могат да счупят субстрата по време на последващо синтероване; и когато стружките не могат да бъдат евакуирани от дълбок отвор, свредлото се счупва вътре в него и целият субстрат се губи.

Това ръководство разбива трите основни процеса на пробиване на керамика, обработка на микро{0}}отвори, обработка на дълбоки-отвори и контрол на отклонението на позицията на отвора и включва таблици с параметри и справочна таблица за дефекти за бързо отстраняване на проблеми. За читателите, които сравняват лазерни маршрути, нашето ръководство зафемтосекундно срещу наносекундно лазерно микро{0}}пробиванеосигурява допълнително сравнение на-ширината на импулса.

Няма универсално решение за пробиване на отвори за керамика. Различните диаметри на отворите, пропорции и изисквания за точност сочат към различни технически маршрути.

Таблица 1. Сравнение на трите основни процеса на пробиване на керамика

Правило за бърз избор:

• Диаметър на отвора < 0,2 mm → лазерът е единственият вариант;
• Диаметър на отвора > 0,5 mm с аспектно съотношение < 3:1 → механично пробиване, най-добра ценова-ефективност;
• Изключително високи стени-изискване за качество без термично-засегната зона → ултразвукова обработка;
• Партидни масиви с микро{0}}дупки → лазер, ненадмината ефективност.

Забележка:Стойностите по-горе са общи диапазони на опит в индустрията за скрининг на процеса. Окончателният избор трябва да бъде проверен чрез пробна обработка върху действителния материал.

Почти всички микро{0}}дупки в полупроводниковата керамика се произвеждат с лазер. Механичните свредла под 0,3 mm се чупят при контакт, а ултразвуковата обработка е твърде бавна. Лазерната обработка е единственото решение за масово-производство благодарение на без-контактния си характер, висока прецизност и висока ефективност.

Много от тези керамични субстрати завършват в същите електронни модули като печатните платки, къдетокак UV лазерите обслужват производството на печатни платкизавършва веригата за обработка на електрониката.

1. Как да изберете лазерен източник:

Таблица 2. Избор на лазерен източник за пробиване на керамични микро{1}}дупки

Основно правило:обикновеният алуминиев оксид може да се обработва с наносекунден лазер; отвори с покритие и херметични отвори изискват пикосекунда; фемтосекундата е запазена за развойна работа с ултра-висока-прецизност. За пълно сравнение на импулсните режими вижте нашата статия зафемтосекундни лазери при обработка на микро{0}}отвори.

2. Три метода на пробиване:

• Ударно пробиване:най-бърз, но по-голям конус и по-слаба консистенция; подходящ за проходни -отвори без строги изисквания за точност;
• Спирално (трепаниращо) сондиране:лъчът се движи по кръгова спирална траектория; конусът може да се контролира в рамките на 0,5 градуса; основният метод за полупроводникови микро-дупки;
• Рязане на пръстени:лъчът навлиза под ъгъл и се завърта, създавайки прави -стенни дупки с минимална конусност, с цената на по-ниска ефективност.

3. Четири често срещани проблема с микро-дупки:

① Конус с голям отвор

• Причина: лазерното пробиване естествено води до конусност, тъй като енергията на лъча отслабва вътре в отвора и изходът получава недостатъчна енергия.
• Противодействия: спираловидно пробиване (по-голямо или равно на 3 кръга); двустранно пробиване отпред и отзад; поставете фокуса на половината от дебелината на материала; използвайте пръстеновидни-или плоски-горни профили на лъча вместо гаусови.

② Преработен слой + микро-пукнатини по стената на отвора

• Причина: наносекундните лазери разтопяват материала, който отново -се втвърдява върху стената (1–10 μm дебелина).
• Противодействия: превключете на пикосекунда/фемтосекунда (преработен слой По-малък или равен на 1 μm); микро{1}}бластиране при 0,2–0,3 MPa; химическо почистване с разреден HF или NaOH; плазмено почистване. За сравнения на дълбочината между импулсните режими вижте нашияфемтосекундно лазерно микро{0}}пробиванеръководство.

③ Лоша консистенция на диаметъра на отвора

• Причина: флуктуация на лазерната енергия, фокално отклонение, неравномерна дебелина на материала.
• Противодействия: калибрирайте мощността и фокусирайте всяка смяна; поддържа енергийна стабилност в рамките на ±2%; измервайте дебелината и групата преди обработка; използвайте високо{1}}прецизно XY ниво (позициониране По-малко или равно на ±1 μm).

④ Входно/изходно чипиране

• Причина: керамиката е чуплива и напрежението се концентрира в краищата.
• Контрамерки: добавете жертвен слой (лента/медно фолио) на входа; добавете опора (стъкло/графит) на изхода; дву{0}}етапно предварително-пробиване + разширяване; контролира един-импулсна енергия.

Най-големият враг на дълбоките отвори не е твърдостта -, а отделянето на стружки. Керамичните чипове са твърди и чупливи; когато се запушат на дъното на отвора, свредлото ще се счупи.

1. Пробиване с кълцане: Стандартната операция за дълбоки отвори

Основната идея е проста: пробийте малко, издърпайте малко назад, така че стружките да се измият и охлаждащата течност да потече.

• Стъпка (дълбочина на кълване):прибиране на всеки 0,3–0,5 mm напредък; колкото по-малка е стъпката, толкова по-високо е съотношението - използвайте 0,3 mm при 10:1 и намалете до 0,1–0,2 mm над 10:1;
• Разстояние на прибиране:издърпайте свредлото напълно от гърлото на отвора - не прибирайте само леко;
• Задържане след прибиране:направете пауза за 0,1–0,3 s, за да оставите охлаждащата течност да промие отвора;
• Съотношение на страните > 8:1:използвайте три{0}}етапния метод - пилотен отвор → дълбок отвор → разширяване.

2. Избор на инструмент: Диамантеното покритие е стандартно

Внимание:диамантеното покритие не е подходящо за обработка на силициев нитрид (Si₃N₄) - химическа реакция причинява отлепване на покритието.

3. Охлаждане: Налягането и потокът са от съществено значение

• Първо вътрешна охлаждаща течност:налягане, по-голямо или равно на 3 MPa, поток, по-голям или равен на 5 L/min; охлаждащата течност се доставя от вътрешността на свредлото до режещите ръбове;
• Добавка за външна охлаждаща течност:дюза, насочена към устието на отвора, поток по-голям или равен на 10 L/min, налягане по-голямо или равно на 1 MPa;
• Тип охлаждаща течност:флуид за рязане на-водна основа (концентрация 5–8%), избягвайте чисто масло;
• Филтриране:По-малка или равна на 10 μm, за да се предотврати нарязването на рециркулиращи стружки по стената на отвора.

4. Параметри на процеса: Консервативното бие агресивното

Таблица 3. Препоръчителни параметри за кълцане на пробиване за керамични дълбоки отвори (справка)

Опит:изпълнете първата част с консервативни параметри, наблюдавайте стружките и износването на свредлото, след което оптимизирайте. При обработката на керамика бавното и стабилното бие бързо. Загубата на една счупена бормашина е много по-голяма от времето, прекарано в внимателното й разглеждане.

5. Насоки и поддръжка: Предотвратяване на отклонението на дупката

• Пилотна дупка:първо пробийте централен отвор с дълбочина 0,5–1 mm с късо свредло, след което преминете към дълго свредло;
• Насоки за втулка за пробиване:втулка-към-разстояние от пробиване По-малко или равно на 0,005 mm, разположено възможно най-близо до повърхността на детайла;
• Сплескване на повърхността:плоскост По-малко или равно на 0,01 mm, за да се гарантира, че свредлото влиза перпендикулярно;
• Изход от поддръжката:поставете графитна или дървена опорна плоча непосредствено преди пробив, за да намалите раздробяването и удара.

Отклонението на позицията се предлага в две форми с различни причини и различни противодействия.

① Изместване на позицията на въвеждане (грешни координати)

Причини:приплъзване на повърхността в началото на рязане; лоша повторяемост на приспособлението; недостатъчна точност на позициониране на машината.

Противодействия:

• Механично пробиване: пробийте първо централна трапчинка (дълбочина 0,1–0,2 mm), след това пробийте дупката;
• Лазер: задействайте маркер за позициониране при 20–30% енергия преди действителното пробиване;
• Фиксиране: фиксиращи щифтове + вакуумен патронник с повторяемост По-малка или равна на 0,005 mm - никога не затягайте керамиката директно в настолно менгеме;
• Оборудване: лазерни машини с визуално позициониране, което автоматично разпознава Mark точки за компенсация; механичните машини използват центриране на търсача на ръбове (По-малко или равно на 0,002 mm);
• Проверката на-първата част е задължителна: измерете координатите на отворите с машина за визуално измерване, преди да започнете партидата.

② Наклон на оста на отвора (отворът е наклонен)

Причини:недостатъчна твърдост на свредлото; асиметрични сили на рязане; неравна повърхност; прекомерно биене на държача на инструмента.

Противодействия:

• Поддържайте съотношението дължина-към-диаметър По-малко или равно на 8:1; освен това използвайте стъпкови бормашини или оръдия;
• Първо изравнете повърхността на детайла (равнинност По-малка или равна на 0,01 mm);
• Насочване на втулката за пробиване с опора както при влизане, така и при излизане;
• Високо{0}}прецизни държачи за инструменти (с-напасване или хидравлични), радиално биене По-малко или равно на 0,003 mm;
• Влезте в рязането при 50% скорост на подаване и се върнете към нормално подаване след 0,5 mm проникване.

Измерване на отклонение на позицията

Общите проверки обхващат четири елемента: точност на позицията на отвора, толеранс на диаметъра на отвора, наклон на оста на отвора и качество на вътрешната стена. Методите за измерване са обобщени по-долу.

Таблица 3b. Методи за проверка на отклонението на положението на отвора

Изпълнете проверката на първата част и потвърдете резултатите, преди да започнете масово производство.

Таблица 4. Диаграма за отстраняване на дефекти при пробиване на керамика

За всяко изискване-за пробиване на дупки, следването на тези четири стъпки рядко се обърка:

Стъпка 1 - Диаметър на отвора

• < 0.2 mm → laser (the only feasible option);
• 0,2–0,5 mm → лазер или ултразвук;

• >0,5 mm → механично пробиване (най-добра разход-ефективност).

Стъпка 2 - Проверете съотношението

• По-малко или равно на 3:1 → всеки процес; изберете най-ниската цена;
• 3:1–10:1 → механично (пробивно пробиване + вътрешна охлаждаща течност) или лазер;
• >10:1 → лазерът има ясно предимство или използвайте специална-пробивна машина за дълбоки отвори.

Стъпка 3 - Проверете точността и стената с дупка

• Позиция на отвора в рамките на ±0,005 mm → лазер (с визуално позициониране);
• Грапавост на стената Ra По-малка или равна на 0,8 → механично + разширяване или ултразвук;
• Не се допуска слой за преработване → пикосекунда/фемтосекунда или механична/ултразвукова;
• Изисква се херметичност → механична + прилепване; лазерът се нуждае от пост{1}}третиране.

Стъпка 4 - Проверете размера и цената на партидата

• Малка партида / R&D → използвайте съществуващо оборудване, останете гъвкави;
• Голяма партида от микро-дупки → лазер (висока ефективност, ниска цена на-дупка);
• Голяма партида големи дупки → механични (евтино оборудване, евтини инструменти).

Таблица 5. Типични насоки за пробиване по керамичен материал (обща справка за индустрията)

Забележка:Горното е общ опит в индустрията само за скрининг на процеси. Действителните параметри трябва да бъдат проверени чрез пробна обработка на реалния материал, оборудване и изисквания за качество.

① Изберете процеса според материала - винаги първо.Микро{0}}дупки → лазер; дълбоки отвори → механично пробиване; отклонение на позицията → фиксиране и позициониране. Няма универсален процес, има само най-подходящия.

② Винаги поддържайте изходната страна.Графитни, стъклени или дървени подложки; това е най-ниската{0}}разходна и най-ефективна мярка против-чупене.

③ Оставете границата на параметъра - никога да не се обработва на тавана.Поддържайте 10–20% запас от лазерна енергия и 30% запас от механично подаване. Параметрите на тавана ще се счупят, когато материалът се колебае.

④ Проверката на първата-част не-подлежи на обсъждане.Използвайте машина за визуално измерване на позиция, диаметър и наклон на отвора - 10 минути, което предотвратява бракуването на цяла партида.

⑤ Състоянието на инструмента/лазера е по-важно от параметрите.Износена бормашина или дрейфиращ лазер прави дори най-прецизната програма безполезна. Изградете управление на живота на инструмента и редовен график за калибриране.

⑥ До-обработката е задължителна за лазерно{1}}пробити отвори.Преработеният слой и микро{0}}пукнатините след наносекундно лазерно пробиване са почти неизбежни - бластирането, химическото почистване и плазмената обработка не трябва да се пропускат.

Пробиването на керамични дупки е системен инженерен проблем, включващ материали, оборудване, процес и проверка. Само когато всеки детайл е под контрол, можете да произвеждате отвори с висока точност, висока последователност и висока надеждност.

Ако оценявате aоборудване за прецизна лазерна обработкарешение за керамични микро{0}}дупки - или имате нужда отUV лазерза фини керамични и стъклени работи - свържете се с нас с вашия материал, диаметър на отвора, аспектно съотношение и изисквания за точност: ние ще проведем примерни тестове и ще потвърдим конфигурацията с реален материал. За обща идентификация и приложения за маркиране на керамични части, нашитемашини за лазерно маркиранесъщо се предлагат с примерна{0}}поддръжка за тестване.

Тази статия е съставена от общ опит в индустриалните процеси при обработка на полупроводникова керамика. Специфичните параметри трябва да бъдат коригирани според действителния материал, оборудване и изисквания.