亞微米厚度材料上的精細結(jié)構(gòu)制作

LPKF ProtoLaser R4可實現(xiàn)最小線寬5μm，最小間距10 μm的加工能力。

激光加工應(yīng)用廣泛，從工業(yè)上的厚鋼板加工到醫(yī)學界眼科醫(yī)生的應(yīng)用，而當我們將應(yīng)用領(lǐng)域縮小到絕緣基板上的電氣連接并通過激光蝕刻導電層時，可能是加工70μm厚的銅箔，或者加工亞微米厚度的材料。

01 皮秒激光加工的優(yōu)勢

LPKF ProtoLaser R4皮秒激光擅長精細加工基材上的薄金屬層。在加工FR4材料上35 μm (1 oz.)的銅層時，其加工效率上可能不如其他ProtoLaser激光系統(tǒng)。然而其真正的優(yōu)勢是通過冷光源加工，沒有熱效應(yīng)產(chǎn)生，這對加工薄層材料至關(guān)重要。

皮秒激光的兩個關(guān)鍵優(yōu)勢：由于非線性效應(yīng)，每種材料僅吸收特定波長的激光，并且由于短脈沖，在熱量擴散到周圍材料之前目標材料已經(jīng)被去除。脈沖頻率與加工速度的結(jié)合，決定了對目標材料是冷消融或是熱消融。

LPKF ProtoLaser激光直寫系列設(shè)備配備了掃描振鏡，這意味著在特定的區(qū)域內(nèi)，激光束可以通過振鏡快速偏轉(zhuǎn)。根據(jù)脈沖頻率和相應(yīng)的掃描速度，脈沖之間可剛好相連或者無任何重疊。激光設(shè)備將根據(jù)激光脈沖和材料特定的損傷閾值能量去除部分材料。通過激光參數(shù)的調(diào)整，找到合適的功率產(chǎn)生多個絕緣溝道從而去除表面基材，而不損傷高吸收率的基底。

02 TUM創(chuàng)新材料制造方法研究μ電極生物傳感器

慕尼黑工業(yè)大學（TUM）的神經(jīng)電子學研發(fā)團隊的一個研究課題是通過創(chuàng)新材料和制造方法研究μ電極生物傳感器。因此，短脈沖激光的微細加工效果特別值得期待。TUM提供了兩種材料用于進行激光加工測試：70μm聚酰亞胺膜上沉積100nm金層以及1mm厚的玻璃基板上沉積100nm鉑層，并確認好了測試樣品的設(shè)計圖形。此外，絕緣焊盤上的標記用于顯示定位精度。

測試樣品的總尺寸為1.9 x 0.85 mm，四個角上包含了四個標記，每個標記都有四個40 x 40 μm的正方形焊盤，每個間距為20 μm。而其他方形焊盤均為 50 x 50 μm。絕緣焊盤用于鉆孔測試。其余五組不同線寬和間距的線進行成對測試。一共有五組，每組有6對。

圖1：測試樣品，TUM的設(shè)計圖形

從左往右觀察，如果線路寬度第一組為5 μm，第二組為10 μm，每組增加5um以此類推最后一組即為25 μm。而線路和相鄰焊盤之間的間距從5增加到10，以此類推最后為25μm。這樣精心設(shè)計的樣品展示了激光加工可以實現(xiàn)的最小線寬和間距以及重新定位的能力。

03 測試一：70μm聚酰亞胺膜上沉積100nm的金層

非常薄的金層對激光的燒蝕會非常敏感。通過極低的激光功率和高脈沖頻率，實現(xiàn)了13 μm寬的溝道。激光刀具路徑計算設(shè)置為15μm的光斑尺寸; 因此，5μm和10μm的絕緣溝道則無法計算（如圖2）。軌跡相對15微米刀具存在光斑偏差，所以實際上最小線寬為8μm，最小間距為13μm（如圖3）。因為聚酰亞胺對皮秒脈沖有著高吸收率，所以對基底的穿透為12 - 13μm。

圖 2：激光刀具路徑，綠色線條是圍繞著線路和焊盤周圍的絕緣線，黃色線條剝除大面積金屬層。僅當線間距至少為15 μm 時，才會形成綠色絕緣線。

在 CircuitPro軟件中設(shè)置將光斑直徑降至13 μm，可以實現(xiàn)最小線寬，但是我們沒有進行這樣的測試。絕緣焊盤上的點是定位測試的一部分。此樣品加工時長為43秒。

圖3：聚酰亞胺上的金層，最小線寬8μm，最小間距13μm

04 測試二：1mm厚的玻璃基板上沉積100nm鉑層

皮秒激光器的優(yōu)勢之一是加工玻璃。短脈沖的超高能量會觸發(fā)非線性效應(yīng) - 產(chǎn)生加工玻璃所需的更高諧波（更高的頻率，更短的波長）。當設(shè)置的激光參數(shù)低于損傷閾值時，激光將以其基本波長穿過玻璃，而沒有明顯的吸收。

加工1mm厚的玻璃基板上的100nm鉑層的樣品，基于材料的基本物理屬性，LPKF ProtoLaser R4皮秒激光器靈活、精度高， LPKF CircuitPro PL 軟件使用范圍廣，多種材料都可輕松應(yīng)對。

通過調(diào)整各種參數(shù)初步測試線路，在材料上得到了9um絕緣溝道。因此，在 CircuitPro PL 軟件中設(shè)置了新的加工參數(shù)，生成的絕緣溝道如圖 4 所示。

圖 4：激光刀具路徑，綠線為焊盤和線路之間計算得到的10um加工軌跡。

圖5中的樣品加工展示了最小線寬為5 μm，間距為10 μm的微結(jié)構(gòu)。絕緣焊盤上的點是定位重復性測試的標記。樣品加工時長為43秒。標記點的單獨處理需要4s。

圖5：玻璃基板上鍍鉑層，激光可加工的最小線寬為 5μm，最小間距為 9 μm

05 測試結(jié)論

LPKF ProtoLaser R4 適用于加工亞微米厚度材料，高精度加工線寬/間距可至5 μm/10 μm且將基材損壞控制到最小甚至沒有。該過程取決于被加工材料的閾值能量，并且可以根據(jù)測試情況不同而調(diào)整參數(shù)。LPKF CircuitPro PL軟件靈活，工程師能夠根據(jù)初步測試定義激光加工參數(shù)，并按照新的加工參數(shù)重新按照需求完成加工過程。

LPKF ProtoLaser R4：超短脈沖激光應(yīng)用于研發(fā)

很多創(chuàng)新性研發(fā)都是基于新的材料，那么精密柔性的加工工具就是至關(guān)重要的。

LPKF ProtoLaser R4的優(yōu)勢是將熱效應(yīng)的影響降到最低，適用于敏感材料的微細加工。皮秒“冷光源”超短脈沖激光既可加工標準的FR4基材，也可用于敏感的射頻或者柔性基材，還可切割硬質(zhì)或者燒結(jié)的基材比如AL2O3, GaN或者硼硅玻璃。精密激光系統(tǒng)開啟了實驗室微細加工系統(tǒng)加工新材料的更多可能性。

ProtoLaser R4 即插即用的實驗室系統(tǒng)，一級激光等級。激光系統(tǒng)集成了攝像頭靶標識別系統(tǒng)，配備了簡單易用的LPKF CircuitPro軟件，可預設(shè)好加工參數(shù)。您只需專注于您的解決方案，LPKF ProtoLaser R4激光加工系統(tǒng)隨需可用，所想即所得。

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