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超快激光加工技術(shù)在3C領(lǐng)域中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2019-05-28 來源:元祿光電

如今,激光加工技術(shù)已經(jīng)滲透到科學研究和工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)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(shù)提出了更高的要求,超快激光加工技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用。

 

1超快激光隱形切割技術(shù)

隨著手機等智能設(shè)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(yù)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(yīng)力切割技術(shù)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(shù)結(jié)合,提出了ClearShape切割技術(shù),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 μm10 mm之間。

 

超快激光直寫技術(shù)

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(yīng)用領(lǐng)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(shù)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(shù)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(shè)備提供充足的能源供應(yīng)。

 

3超快激光脈沖沉積技術(shù)

具有特定功能的薄膜材料是制造先進電子器件的基礎(chǔ),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(shù)因其高質(zhì)量的薄膜生長能力而備受關(guān)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(shù)

隨著微型器件與大規(guī)模集成技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)。激光剝離技術(shù)(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(shù),被廣泛應(yīng)用在OLED屏幕制造工藝中。選擇性激光剝離技術(shù)(selective laser lift-off, SLLO)也開始應(yīng)用于芯片的剝離與裝配,與傳統(tǒng)LLO技術(shù)不同,SLLO技術(shù)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(yīng)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(shù)

激光誘導前向轉(zhuǎn)移(laser induction front transfer, LIFT)技術(shù)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(shù)與LLO激光剝離技術(shù)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(shù)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(shù)制備可應(yīng)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(shù)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(shù)

傳統(tǒng)的二維ICintegrated 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(shù)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(shù),將引發(fā)集成電路的根本性改變。

 

TSV技術(shù)中晶圓微孔制備是該技術(shù)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(lǐng)域的熱點技術(shù),應(yīng)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 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(shù)

透明材料的微焊接技術(shù)是超快激光在電子封裝領(lǐng)域的另一大應(yīng)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(fù)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(shù)還被應(yīng)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(shù)用于最新OLED折疊屏手機透明基板的封裝以適應(yīng)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(guān)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(yīng);

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(shù),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(guān)鍵技術(shù)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(shù);

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

 

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(shù),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(yīng)用,超快激光加工技術(shù)必將突破一個個技術(shù)壁壘,在更為廣闊的高端制造領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和應(yīng)用價值。

 

推薦設(shè)備:超快激光加工系統(tǒng)

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