一种激光双面切划装置的制作方法

本发明属于高精度激光切割技术领域，涉及一种高精度的激光切划装置，尤其适用于对所应用激光波长透明的材料，工件较厚，且要求无热影响区，无崩边的激光切划。

背景技术：

随着科学技术的进步和发展，激光已经作为一种工具应用在各行各业。由于激光的高亮度高强度的特性，且激光光斑的尺寸可以通过聚焦镜聚焦到微米量级，因此激光加工技术在有着高精度加工要求的行业中备受青睐，尤其是对于陶瓷、单晶硅和蓝宝石等高、硬、脆难以加工的切割技术中，激光加工技术尤为受欢迎。

以半导体行业为例，晶圆的切片工艺是后道装配工艺中的第一步。该工艺将晶圆分成单个的芯片，用于随后的芯片键合、引线键合和测试工艺。当芯片尺寸越来越小，集成度越来越高，传统的机械切片技术产能下降，破片率上升，产生的废品率增加。在这种情况下，激光切割技术得以显现优势。由于激光属于无接触式加工，不对晶圆产生机械应力的作用，对晶圆损伤较小。因此激光晶圆切片技术得到大力的发展。

虽然，激光切割技术在很大程度上缓解了上述缺陷，然而在激光技术使用时，其热影响区过大及熔渣喷溅污染的问题仍未妥善解决，这些缺点足以影响或破坏芯片的性能，特别是透明材料，对熔渣污染问题尤为明显。特别是对高硬高脆材料进行传统激光加工后，裂片崩边问题尤为明显。

技术实现要素：

为了解决对于激光波长透明的基底材料，在常规的激光切割划片技术中出现的热影响区过大及熔渣喷溅污染的问题，裂片时崩边问题，背面镀层剥落烧蚀问题，本发明提出一种激光双面切划装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种激光双面切划装置，该装置包括一激光器；一激光精密切割头，激光器发出的激光光束通过光路传输到激光精密切割头中；一衍射光学镜片和一聚焦镜安装在激光精密切割头中，激光光束通过衍射光学镜片和聚焦镜后，在工件上、下表面各形成一焦点，同时对上、下表面进行切划工作。

本发明的激光双层切划装置中，激光器发出的激光光束通过衍射光学镜片和聚焦镜后，在工件上、下表面各形成一焦点，同时对上、下表面进行切划工作，调整激光光束的能量，使其在工件上表面和下表面同时形成整齐平滑的划痕，避免热影响区和熔渣的出现。

本发明的激光双层切划装置中，激光器的选择与工件的材料有关，要求工件对所选激光器的波长透明，能使该波长的激光光束能在工件上表面形成焦点的同时，也能透过工件，在工件下表面形成焦点。

本发明的激光双层切划装置中，对激光器的能量有所要求，要求在上、下表面形成的焦点处，激光光束的能量密度恰好能够破坏工件材料，要考虑透过工件后，在下表面聚焦的光束，避免在工件内部传输过程中出现热吸收，破坏工件特性，影响切割效果。

本发明的激光双层切划装置中，根据实际工件的厚度，使两个焦点位于工件上表面和下表面。聚焦点的位置和能量对应于不同的衍射光学镜片和聚焦镜。

本发明的激光双层切划装置中，根据所述激光器的频率，调整所述工件水平方向运动的速度，以便使同一面上相邻光斑具有一定的重叠率，由此在工件的上、下表面同时形成划槽。

本发明的激光双层切划装置中，还包括一CCD相机，与激光精密切割头同轴连接，对切割位置进行自动识别定位。以便实时调整激光精密切割头。

本发明的激光双层切划装置中，衍射光学镜片可以是微阵列透镜或自适应镜片。

本发明的激光双层切划装置中，所述的聚焦点的光斑为椭圆形，椭圆形光斑的长轴在所述工件厚度方向上。

本发明的激光双层切划装置中，在所述工件的工件厚度方向上的中间位置，还形成一个聚焦点。

本发明的激光双层切划装置中，所述的工件为多层结构，所述的激光器能够发出多波长激光，对所述工件进行多层切划。

本发明的激光双层切划装置中，所述的多层结构包括镀层。

本发明提供一种影响区域小，熔渣喷溅污染低的激光双层切划装置，成品率高，生产效率相对现有技术大幅提高。在工件上、下表面形成划槽，或在工件的上、下表面其厚度方向的中间位置进行切划，切割效果好，裂片时崩边缺陷小，背面镀层剥落烧蚀问题得到很好的解决。

附图说明

图1为本发明的激光双层切划装置示意图；

图2为激光作用运动轨迹完成后，工件内部示意图；

图3为聚焦光斑有一定重叠率后，工件上、下表面形成的划槽示意图；

图4为椭圆形聚焦光斑作用在工件上时的应力方向的示意图；

图5为工件较厚时增加聚焦点的示意图；

图6为聚焦光斑在镀层上作用后产生划痕的示意图；

图7为多层工件的示意图；

图8为多波长激光切划装置的示意图。

图中各标记的含义如下：

1：激光器；

1a：第一激光机

1b：第二激光器

1c：第三激光器

2：光路；

3：激光精密切割头；

4：激光光束；

5：衍射光学镜片；

6：聚焦镜；

7：工件；

8：聚焦点；

9：CCD；

10：划槽；

11：镀层；

12：镀层划槽；

13：工件第一层；

14：工件第二层；

S1：合束镜；

S2：合束镜；

S3：反射镜；

M：工件的运动；

D：聚焦点之间的水平距离；

Y：应力方向；

H：工件厚度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述：

图1表示本发明所述的激光双面切划装置示意图，其组成如下：通过光路2将激光器1发出的激光光束4传输到激光精密切割头3中；通过衍射光学镜片5和聚焦镜6后的激光光束在工件7的上表面和下表面分别形成一个聚焦点8；当工件7相对于激光光束4运动M时，激光在工件上、下表面同时作用；当调整工件的运动M的速度使聚焦点有一定的光斑重叠率时，在工件7上、下表面形成划槽10；CCD9对工件7上的切割划片位置进行自动识别定位。

图2所示为激光作用在工件上、下表面所形成的聚焦点的示意图，水平方向上相邻聚焦点之间的距离D由相对运动的速度所决定。

图3所示为调整运动M的速度后，当激光聚焦点光斑有一定的重叠率时，在工件7的上、下表面分别形成一层划槽。

本发明的激光双面切划装置中，工件7放置好后，CCD9对工件7上的切割位置进行自动识别定位后，发出信号使激光器1出光；激光器1发出的激光光束4经光路2引导通过衍射光学镜片5和聚焦镜6后，在工件7上、下表面各自形成聚焦焦点8；工件7相对激光光束4进行水平方向运动M，相邻聚焦点之间的水平距离D由水平方向运动M的速度确定，根据激光器1的频率，调整水平方向运动M的速度，使激光聚焦光斑在同一面上有一定的重叠率后，当运动M完成后，在工件7上、下表面形成划槽10；由于仅在聚焦点8处的激光能量才足以破坏工件材料，远离聚焦点8的位置不会受到激光的破坏作用；由于工件上、下表面形成划槽10，只要外界稍有应力(例如振动)，工件材料就会沿着上、下表面划槽10裂开，即完成激光双面划片。常规的激光划片只在工件上表面形成划槽，工件厚度稍大，后续的裂片难度也会增加。而本发明的激光双面切划装置能在工件上、下表面都形成划槽，方便裂片，提高生产效率和成品率。

本发明的激光双面切划装置中，激光光束4通过衍射光学镜片5和聚焦镜6后在工件7上、下表面分别形成划槽10，使得裂片效率更高，保证切划质量。

如图4所示，本发明的聚焦点8可以为椭圆形聚焦点8，椭圆形聚焦点8作用在工件7上时，椭圆形聚焦点8的光斑长轴形成在工件厚度方向上，应力方向Y也在工件厚度方向上，由此导致工件更容易裂片。提高产品的裂片效果。

本发明的激光双面切划装置中，激光器1的选择与工件7的材料有关，要求所选激光器1的波长对工件7能够透射，能使激光光束4透过工件7，在工件7的下表面也形成聚焦点。激光器1的波长范围在200nm到2000nm，脉宽范围在80fs到30ns。

本发明的激光双面切划装置中，聚焦点8的位置和能量对应于不同的衍射光学镜片5和聚焦镜6。可以根据实际工件的厚度，选择不同的衍射光学镜片5和聚焦镜6，使两个焦点位于工件7上表面和下表面。

如图5所示，在工件7较厚时，比如对于SiC基片的工件，工件厚度H超过350um时，为了使裂片更加容易，提高切划质量和效率，可以配合设计衍射光学镜片和聚焦镜，除了在工件上、下表面形成聚焦点进行切划以外，还在工件7的工件厚度方向的中间位置也形成一个聚焦点8。该实施例中的聚焦点8也可以采用椭圆形聚焦点的形式。

作为本发明的另一实施方式，如图6所示，本发明的工件7也可以是在工件7的表面有镀层11的情形，在对工件7进行切割裂片时，表面镀层11容易出现崩边现象，对于此类情形，可将工件上表面的聚焦光斑8形成在工件7的上表面的镀层11上，并在镀层11上作用后形成镀层划槽12，避免在镀层表面发生崩边现象。

本发明的激光双面切划装置中，对激光器1的能量有所要求，要求聚焦点8处的激光能量密度恰好能够破坏工件7材料，远离聚焦点8处的激光能量则不足以破坏工件7材料，要考虑上、下表面激光聚焦点的能量分配，作用在工件下表面的激光光束在透过工件时，要避免工件热吸收，而破坏材料性能，同时要足以在表面形成整齐平滑的划痕，提高后续的裂片质量和效率，本领域技术人员可根据工件7的材料确定合适能量的激光器1。

作为本发明的又一实施方式，如图7、8所示，本发明的工件7也可以为多层材料，由于不同材料层与不同激光波长之间的相互作用不同，因此单一波长的激光切划设备难以完成，针对这一问题，本发明提供如图8所示的多波长激光切划装置。图8中的三种激光器1a、1b和1c，分别发出不同波长的激光，同时适用于工件7不同材料层的切划。在工件7具有镀层11的情形下，该三种激光器1a、1b和1c发出的激光分别经合束镜s3、s2和反射镜s1转换被引导至工件7上，切划工件7的镀层11、工件第一层13和工件第二层14。

以上实施方式仅是为说明本发明的技术方案而做的具体说明，并不用于限定本发明的具体保护范围，本发明上述实施例中的衍射光学镜片也可以是微阵列透镜，或者也可以是自适应镜片，或其他本领域所知的实现相同作用的结构。

需要强调的是，这种激光双面切划装置并未做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质进行的简单修改，等同变化和修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。