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如今，激光加工技術已經(jīng)滲透到科學研究和工業(yè)生產(chǎn)的各個領域中。脈沖寬度小于10^-11 s的超快激光加工作為精密加工中最為活躍的一支，其發(fā)展尤為引人注目。

隨著電子器件朝著精密化、微型化、柔性化的方向發(fā)展，新型電子器件對加工技術提出了更高的要求，超快激光加工技術的獨特優(yōu)勢正吸引著研究人員不斷探索著其在電子制造領域的應用。

1超快激光隱形切割技術

隨著手機等智能設備功能的不斷完善，顯示屏幕的尺寸和形狀變得多樣化，全面屏更是成為屏幕發(fā)展的主流方向。為了預留元件空間及減少碎屏的可能，屏幕非直角切割變得十分必要。超快激光隱形切割作為激光應力切割技術的延伸，可在透明材料內(nèi)部誘發(fā)微小裂紋，微小裂紋在外力的引導下逐漸沿激光掃描路徑延展，實現(xiàn)透明材料的分離。

美國Spectra-Physics公司將超快激光與隱形切割技術結(jié)合，提出了ClearShape切割技術，可將激光對材料的影響區(qū)限制在微米量級。德國Rofin公司基于成絲機理發(fā)明的SmartCleave? FI工藝可以快速分離包括很小的加工轉(zhuǎn)彎角度在內(nèi)的任意形狀的透明材料，切割玻璃的厚度范圍在100 μm到10 mm之間。

2 超快激光直寫技術

隨著對電子器件小型化與靈活性要求越來越高，催生了柔性電子這一新的應用領域。柔性AMOLED屏幕的驅(qū)動系統(tǒng)——柔性薄膜晶體管（thin film transistor, TFT），要求其溝道長度小于10 μm，微納米圖案化是溝道制造的核心。

超快激光直寫技術主要利用材料對超快激光的非線性吸收，在作用區(qū)域引發(fā)物理化學性能變化，通過控制光束掃描實現(xiàn)二維或三維成型加工。超快激光直寫技術不需要掩膜，其加工分辨率可達到納米量級，獨特的“冷”加工機制特別適合對耐熱性差的柔性有機材料進行微納結(jié)構(gòu)加工。超快激光直寫還可用于微電路的制作，在敷銅層或鍍金層上直接加工出所需的圖案化線路，成為基于柔性有機聚合物基底的電子器件制造中具有獨特優(yōu)勢的加工手段。

采用532 nm飛秒激光直寫聚酰亞胺（polyimide，PI）薄膜，通過碳化在PI薄膜上形成多孔碳結(jié)構(gòu)，可用于制作柔性電子器件中具有儲能密度高、導電率高等優(yōu)點的柔性超級電容，為可穿戴設備提供充足的能源供應。

3超快激光脈沖沉積技術

具有特定功能的薄膜材料是制造先進電子器件的基礎，而柔性電子對薄膜厚度和質(zhì)量提出了更高的要求。

超快激光脈沖沉積技術因其高質(zhì)量的薄膜生長能力而備受關注，超快激光的高功率密度特性可以使任何難熔性材料氣化，而超短脈沖特性又使得它與材料作用時產(chǎn)生的顆粒更加細小，因此在薄膜制備特別是高熔點材料的薄膜制備方面具有重要意義。

4超快激光剝離技術

隨著微型器件與大規(guī)模集成技術的發(fā)展，芯片的選擇性剝離與轉(zhuǎn)移逐漸成為芯片裝配與維修的關鍵技術。激光剝離技術（laser lift-off, LLO）是一種利用激光能量作用于材料交界面實現(xiàn)材料分離的技術，被廣泛應用在OLED屏幕制造工藝中。選擇性激光剝離技術（selective laser lift-off, SLLO）也開始應用于芯片的剝離與裝配，與傳統(tǒng)LLO技術不同，SLLO技術主要針對微小區(qū)域或結(jié)構(gòu)單元進行剝離，更適用于微器件的更換與維修。

雖然目前將超快激光引入激光剝離尚屬探索性階段，但已有研究工作表明，鑒于超快激光的本征物理特性，超快激光剝離具有很強的局域約束性，幾乎不會產(chǎn)生熱效應而損傷電子器件其他非剝離功能層。

5超快激光誘導前向轉(zhuǎn)移技術

激光誘導前向轉(zhuǎn)移（laser induction front transfer, LIFT）技術是通過激光脈沖輻照透明基底表面的一層薄膜材料，將薄膜加熱到熔融狀態(tài)，以液態(tài)形式轉(zhuǎn)移到平行基底放置的受體表面。LIFT技術與LLO激光剝離技術相比，具有更高的選擇性，能快速沉積小尺寸圖形和微結(jié)構(gòu)。而引入超快激光的激光誘導前向轉(zhuǎn)移技術可制作的圖形特征尺寸能夠達到微納米量級，已有報道采用飛秒激光誘導前向轉(zhuǎn)移技術制備可應用于微電器件的微米級銀導線。

此外，通過在薄膜材料與透明基底之間添加聚合物犧牲層，LIFT技術也可用于微電子機械系統(tǒng)（microelectromechanical systems, MEMS）的轉(zhuǎn)移與裝配。

6超快激光微孔制備技術

傳統(tǒng)的二維IC（integrated circuit, IC）芯片是在平面上集成一層半導體器件并通過引線鍵合連接，然而光刻尺寸、器件尺寸已經(jīng)接近物理極限，摩爾定律正受到越來越多的挑戰(zhàn)。因此集成電路逐步呈現(xiàn)出以高密度互連技術為主體的積層化、多功能化特征，基于硅通孔（through silicon vias, TSV）互連的三維集成技術，將引發(fā)集成電路的根本性改變。

TSV技術中晶圓微孔制備是該技術的主要難點，超快激光制孔因其具有熱影響區(qū)小、邊緣熔渣少、適合加工脆硬材料等特點已逐漸成為微孔制備領域的熱點技術，應用于TSV中微孔的制備。三星公司公布的512 GB高密度閃存芯片中由48張晶圓疊層而成，晶圓厚度僅為40 μm，其 TSV的制作即由激光鉆孔完成。日本三菱機床有限公司開發(fā)出的深紫外皮秒激光加工系統(tǒng)，可以在0.1 mm 厚SiC上鉆出直徑10 μm的孔且邊緣光滑。采用皮秒激光可以在300 μm厚的玻璃上實現(xiàn)最小直徑48 μm的通孔。

7透明材料的超快激光微焊接技術

透明材料的微焊接技術是超快激光在電子封裝領域的另一大應用，使用透明材料作為集成和封裝的基底可以有效擴展器件使用功能，近年來在MEMS封裝中獲得廣泛運用。

美國 PolarOnyx公司使用飛秒光纖激光，在1 MHz高重復頻率脈沖下通過單線/多線熔化石英，實現(xiàn)玻璃的焊接及密封。使用紅外飛秒激光對環(huán)烯烴共聚物基片的微流控器件進行封裝實驗，使用0.6 MPa的流體壓力測試密封性，焊縫外無任何泄漏；該技術還被應用于石英玻璃和單晶硅異種材料的焊接。目前，華為、三星等公司已將超快激光技術用于最新OLED折疊屏手機透明基板的封裝以適應極為嚴格環(huán)境要求。

超快激光加工的主要發(fā)展趨勢包括以下4個方面：

1）探索超快激光與物質(zhì)相互作用機制的系統(tǒng)認知和理解，建立激光與材料相互作用多尺度理論體系如分析模型和表達關系，從電子層面理解光場調(diào)控下超快激光加工的新現(xiàn)象和新效應；

2）開發(fā)由多種材料組合而成的功能層超快激光直寫、剝離、微焊接及封裝技術，并據(jù)此開展超快激光加工動態(tài)行為和在線監(jiān)測反饋裝備研制及關鍵技術研究；

3）突破加工尺度制約，實現(xiàn)百毫米到幾納米跨尺度的高效超快激光加工技術；

4）全面拓展復合超快激光加工技術，實現(xiàn)多能量（激光+其他形式能量）復合、多方法（物理+化學）復合，發(fā)展高效率低缺陷超快激光復合加工技術。

總結(jié)

超快激光加工因其對材料的廣泛適用性，已成為特種材料加工的重要技術，但在超快激光系統(tǒng)成本、超快激光非線性作用調(diào)控等方面還存在著很多亟待解決的問題和改進之處。相信隨著對超快激光與材料作用機理更加深入的研究，對加工工藝與加工參數(shù)的不斷探索和優(yōu)化，以及創(chuàng)新型原理和部件的開發(fā)與應用，超快激光加工技術必將突破一個個技術壁壘，在更為廣闊的高端制造領域產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和應用價值。

推薦設備：超快激光加工系統(tǒng)