一种在玻璃表面产生规则纹理结构的方法与流程

本发明涉及玻璃表面处理技术领域，尤其涉及一种在玻璃表面产生规则纹理结构的方法，特别涉及通过准分子激光进行表面处理使玻璃表面粗糙化以提高玻璃基板与镀层连接强度的加工方法。

背景技术：

传统的印刷线路板已经不能满足电子元器件中集成电路板的高密度要求。印刷线路板按照材质可以分为有机材质和无机材质。有机材质主要包括酚醛树脂，纤维增强材料(fr4)，环氧树脂和聚酰亚胺等。有机材料基板对于温度和湿度的改变具有尺寸不稳定性的特点。无机材质主要包括铝、陶瓷等。这些无机材料基板的缺点主要包括较高的成本和较差的热膨胀系数。较差的热膨胀系数会造成温度改变后材料内部剪切应力的产生，从而引起材料的失效。由于较低的成本，高的热稳定性和与硅相似的热膨胀系数，玻璃已经成为取代传统印刷线路板的最有前景的材料。此外，由于玻璃的透明性还可以简化封装过程且易于检查线路板上元器件的排布；同时，玻璃还是一种环境友好型材料。上述的这些优点使得玻璃取代传统的印刷电路板成为可能，并作为一种非常有前途的基板替代材料受到了广泛关注和研究。

由于铜具有较低的电阻率，较高的导热系数，良好的机械性能和高的抗电迁移能力而被广泛用作沉积在电路板基板的导电线路材料。玻璃基板由于其具有非导电性，传统的电镀方式并不适合。另外，玻璃基板和铜导电线路在机械、物理和化学性能的不兼容使得很难在光滑的玻璃表面上镀上铜膜。如果基板与镀层之间没有足够的粘附性，即使镀膜后，镀层也非常容易脱落下来。因此，提高镀层与基板之间的粘附性是玻璃镀膜技术得以发展的关键因素。电镀和化学镀是将金属沉积在印刷电路板的两种方法，这两种方法所解决的关键问题都是如何使基体表面易于接受金属的沉积。与传统的电镀相比，化学镀是利用化学反应沉积金属，因此对于基体是否具有导电性不作要求。因此，已有的研究主要集中在用化学的方法先在玻璃基板上沉积一层自组装单分子层，再在上面镀上铜膜，但是用这种方法形成的铜膜与玻璃基板的微连接强度不高，在一些生产实际中并不能达到应用要求。因此，可以利用表面处理技术先使玻璃基板粗糙化后再镀上铜膜的方法来提高铜膜与玻璃基板微连接的机械强度。

玻璃表面粗糙化包括在玻璃表面形成任意粗糙度表面和形成具有微观结构单元的规则表面。形成任意粗糙度表面的方法主要包括喷砂法，氢氟酸蚀刻法，等离子溅射法等。与用化学的方法在光滑表面镀铜膜相比，在粗糙的表面的玻璃上镀铜膜可以显著提高微连接的机械强度。但是，这种任意粗糙度的表面难以控制处理效果，重复性差。近年来，已有研究表明在具有微观阵列结构单元的粗糙表面上镀铜膜可以获得更高的微连接的机械强度。因此，如何形成具有微结构单元的结构表面并产生均匀可控的加工效果成为提高玻璃镀铜质量的关键。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种在玻璃表面产生规则纹理结构的方法，提高玻璃基板与铜膜之间的界面连接强度，利用激光对玻璃表面进行粗糙化，产生规则的微观结构，并且采用掩模系统改善激光加工过程中光束发散导致加工效果不均匀的问题，显著提高铜膜与玻璃基板的连接质量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种在玻璃表面产生规则纹理结构的方法，包括以下步骤：

步骤1、选取合适的cmg玻璃基板作为被加工试样并进行表面清洁，将被加工试样放置在工作台上，调整工作台使激光束对准加工位置；

步骤2、根据焦点位置调整玻璃基板到焦平面的距离；

步骤3、采用圆形、正方形、三角形掩模依次进行单方向凹槽加工，固定激光与掩模不动，在加工过程中，通过工作台的横向进给，玻璃试件表面产生的加工效果类似将单点加工沿横向拖拽产生凹槽结构；其中，改变各掩模形状和加工方向可以产生不同微观阵列结构的规则表面，根据其三维表面形貌选择出有利于提高玻璃与铜膜粘附强度的加工工艺。

作为优选，所述cmg玻璃基板的平面尺寸为40mmx40mm，厚度为100μm。

作为优选，所述cmg玻璃基板在焦平面以下2mm位置处。

作为优选，步骤3采用两个方向的加工，具体为：首先，cmg玻璃基板被安装在数控工作台上沿着加工方向形成第一个加工凹槽，步进式地重复此过程形成第二个凹槽，并与第一个凹槽有部分重叠区域。依此类推沿着相同加工方向形成若干个相互平平行的凹槽；然后，控制工作台y向进给将要待加工的cmg玻璃基板沿着与先前加工方向成90°正交的方向运行相同的程序继续重复周期性的凹槽加工。

作为优选，步骤3也可以采用三个方向加工；具体为：首先,cmg玻璃基板安装在工作台上以一个由计算机控制的恒定速度沿着一个方向并保持预设距间距移动,形成第一个凹槽，平行于第一个加工一批同方向的凹槽，根据设定的基板与掩模尺寸确定每批平行凹槽的个数；其次,将玻璃试样旋转60°后加工出第二批同方向的凹槽；最后,在相同的参数设置下继续将加工样品旋转60°，加工出第三个方向上的凹槽。

作为优选，依次探究重复频率、能量密度、单位面积上的脉冲个数对蚀刻深度、加工质量的影响，固定脉冲持续时间为20ns,综合考虑加工质量和加工时间来设置加工参数值，确定最优加工参数为：能量密度2.2或2.4j/cm²，激光器输出脉冲能量220或250mj，单位面积上的脉冲个数5-20，节距30-200μm。

玻璃由于其自身的特性，作为新兴的印刷电路板在取代传统印刷电路板方面有着重要的前景和不可替代的作用。传统的方法多是通过化学的方法改善铜导线与玻璃基板的微连接强度，但是化学的方法所镀的铜膜与玻璃基板的微连接强度往往较低。本发明采用物理的方法提供玻璃基板表面的粗糙化，攻克在玻璃基体上镀上铜导线后的微连接强度不高的问题。

具有微观结构单元的规则表面对于改善薄膜与对应基板的微连接强度具有重要作用，已有的文献仅限于关于加工金属、合金或者陶瓷等材料表面来改善微连接强度的报道，鲜有对于在玻璃表面加工出微观结构单元的规则表面来改善微连接强度的研究。本发明成功地在玻璃基板表面上采用准分子激光进行表面粗糙化的方法加工出具有微观阵列结构的规则表面，并设计了改变各掩模形状和加工方向产生不同特征的表面形貌。

附图说明

图1采用圆形掩模两个方向加工原理图；

图2a-图2c为准分子激光加工形成的结构表面；

图2a圆形掩模，图2b正方形掩模，图2c等边三角形掩模；

图3a为三个方向加工示意图；

图3b为图3a方法加工所产生的表面形貌图。

具体实施方式

本发明提供一种在玻璃表面产生规则纹理结构方法，以提高玻璃基板与铜膜之间的界面连接强度，利用准分子激光对玻璃表面进行粗糙化，产生规则的微观结构，并且采用掩模系统改善激光加工过程中光束发散导致加工效果不均匀的问题，可以显著提高铜膜与玻璃基板的连接质量。

激光加工可以在玻璃基板表面上加工出纳米级的尺寸，激光器种类的选择与材料对波长的吸收率密切相关。实验采用的cmg玻璃是一种掺杂二氧化铈的硼硅酸盐玻璃，对于波长小于320nm的光有很强的吸收作用，且大多数玻璃对于波长193nm到波长308nm的光的吸收率大于80％，因而选择波长为248nm的氟化氪(krf)准分子激光来加工玻璃基板的表面来获取最大的加工效率。准分子激光光源为紫外光脉冲，具有较强的脉冲能量和光子能量，加工质量高且对被加工区域周围影响较小，材料不会出现烧损、残渣和毛刺等现象。此外，准分子激光脉冲宽度较窄，在对材料加工过程中没有足够的时间向周围大量扩散热量，因此热影响区很小乃至于不存在，这样可以保证加工的精度和质量。

激光加工可以产生规则纹理结构的表面，并且重复性好，加工效果可实现人工控制。但是激光的发散度和不均匀性相当大，光束相干性较差，所以加工效果不均匀。

采用掩模系统，使光束均匀化，产生最佳加工效果。掩模限制了投射到玻璃表面的激光光束的能量密度。采用的掩模孔径越大，就会使更多的能量得以通过掩模传递到被加工的玻璃表面。

通过改变掩模形状，可以再玻璃表面产生不同的三维形貌。掩模有三个基本的孔径形状：圆形、正方形、等边三角形，对应的掩模孔径尺寸为：直径或边长1mm。单点加工时无需移动工件即可直接在玻璃表面产生相应形状的烧伤斑点。掩模形状通过投射到工件表面的投影体现，由此决定了加工区域的特征。投射到工件表面的光束由投影透镜的缩小比1/10决定，比如圆形掩模直径为1mm+/-0.2mm,在玻璃表面产生的加工特征直径为0.1mm+/-0.02mm。图2a-图2c为准分子激光加工形成的结构表面；其中，图2a圆形掩模，图2b正方形掩模，图2c等边三角形掩模。

规则的纹理结构特征，提高连接强度的关键就在于掩模及加工路径的选择和设计。

固定激光与掩模不动(掩模固定在掩模支架上)，在加工过程中，通过工作台的横向进给，玻璃试件表面产生类似将单点加工沿横向拖拽产生凹槽的效果。

准分子激光主要依靠掩膜投影和拖动过程来实现在玻璃表面加工出微观结构单元，通常由两个步骤加工而成。首先，玻璃工件被安装在计算机数控工作台上沿着加工方向形成第一个加工凹槽，步进式地重复此过程形成第二个凹槽，并与第一个凹槽有部分重叠区域。依此类推沿着相同加工方向形成若干个凹槽；然后，控制工作台y向进给将要加工的玻璃工件沿着与先前加工方向成90°正交的方向运行相同的程序继续重复周期性的凹槽加工。

材料烧蚀是表面上聚集的光束能量的函数。投射的激光能量可以通过掩模孔径尺寸来控制。圆形和正方形掩模可以产生相似的烧蚀深度。与圆形掩模相比，使用正方形掩模加工后，凹槽的底部产生了更清晰锐利的边缘和梯度深度而不是单纯的凹坑排布在整个结构中间。这是因为使用方形掩模会有更多的材料烧蚀发生在凹槽边缘，并且这样形成的微观结构更有利于镀铜的滞留，从而提高粘附性。等边三角形掩模在拖拽过程中会在玻璃表面产生斜坡结构，沿着加工轨迹，掩模孔径的底部边缘重叠部分远大于顶部，即更多的表面材料烧蚀会发生在重叠面积大的底部。对于三角形掩模，其尺寸和方向均会产生很大影响。采用相同的激光加工参数时，等腰钝角三角形掩模产生的微观结构比等腰直角三角形掩模产生的微观结构更深。这种微观斜坡结构有助于提高玻璃基板和镀铜的接触面积，从而改善铜/玻璃的粘附性能。

一系列具有不同复杂形貌的微观结构表面的玻璃试样就可以通过改变掩膜的几何形状和尺寸以及激光的操作参数来实现加工过程。例如：典型的网格状微结构单元的表面可以通过使用正方形或者圆形的掩膜得到。典型的金字塔状微结构单元表面可以通过使用三角形的掩膜得到。凹槽是复杂微观结构的基本元素。这些经过加工的凹槽提供了通过拖拽过程加工平行、垂直或有角度的凹槽的可能性，进一步在玻璃表面制造各种复杂结构。同时，平行、垂直或倾角也反映出同方向、垂直方向、多个不同加工方向对玻璃表面形貌带来的影响。

表面形貌由大尺度网格结构和微观粗糙度分量组成。大尺度结构是由掩模几何尺寸的投影和相邻凹槽的节距决定。较小的掩模尺寸和较小的节距能够产生更好的加工效果，产生更有力的粘附强度。微观粗糙度受到激光加工参数如能量密度、单位面积上的脉冲个数和重复频率等的影响。通过改变激光加工参数可以得到不同的蚀刻深度及三维表面粗糙度特征，改变掩模形状可在玻璃表面形成不同的纹理图案，并产生大小可控的粘附力，改善了玻璃上镀铜的粘附性，从而提高了玻璃镀膜的质量。

为了实现最好的粘附效果，系统研究每个加工参数的影响，然后对加工过程进行优化。通过改变激光加工的能量密度、单位面积射出的脉冲数、重复频率实现对加工效果的控制，有助于最大限度地利用激光能量，减少加工时间。此外，刻蚀深度取决于激光的能量密度和单位面积上的脉冲个数，因而可以通过提高能量密度、单位面积上的脉冲个数和激光脉冲重复频率来提高加工的均匀性。

一种在玻璃表面产生规则纹理结构以提高玻璃基板与铜膜之间的界面连接强度的加工方法，

具体包括以下步骤：

选取合适的试样并进行表面清洁，所述的cmg玻璃基板的平面尺寸为40mmx40mm,厚度为100μm。将被加工试样放置在工作台上，调整工作台使激光束对准加工位置。

在加工前，必须根据试样的厚度对准分子激光焦点位置进行调整，以保证激光加工质量。在激光烧蚀过程中，工作台可以在x和y方向移动、z方向上旋转。调整工作台使试件在操作过程中始终保持与激光束垂直。

根据焦点位置调整玻璃基板到焦平面的距离，经过对比聚焦和散焦情况下的加工效果。根据表面粗糙度三维参数值大小，确定试样在焦平面以下2mm位置处更容易加工出粗糙表面且显著提高镀膜连接强度。

采用圆形、正方形、三角形掩模依次进行单方向凹槽加工。固定激光与掩模不动(掩模固定在掩模支架上)，在加工过程中，通过工作台的横向进给，玻璃试件表面产生类似将单点加工沿横向拖拽产生凹槽的效果。

依次探究重复频率、能量密度、单位面积上的脉冲个数对蚀刻深度、加工质量的影响。固定脉冲持续时间为20ns,综合考虑加工质量和加工时间来设置加工参数值，确定最优加工参数为：能量密度2.2或2.4j/cm²，激光器输出脉冲能量220或250mj，单位面积上的脉冲个数5-20，节距30-200μm.

两个方向的加工通常由两个步骤组成。首先，cmg玻璃基板被安装在计算机数控工作台上沿着加工方向形成第一个加工凹槽，步进式地重复此过程形成第二个凹槽，并与第一个凹槽有部分重叠区域。依此类推沿着相同加工方向形成若干个凹槽；然后，控制工作台y向进给将要加工的cmg玻璃基板沿着与先前加工方向成90°正交的方向运行相同的程序继续重复周期性的凹槽加工。图1为采用圆形掩模两个方向加工原理图。

三个方向加工同理分为三个步骤。首先,cmg玻璃基板安装在工作台上以一个由计算机控制的恒定速度沿着一个方向并保持一定距间距(30μm至700μm)移动,形成第一个凹槽。平行于第一个加工一批同方向的凹槽，根据设定的基板与掩模尺寸确定每批平行凹槽的个数。其次,将玻璃试样旋转60°后加工出第二批同方向的凹槽。第三,在相同的参数设置下继续旋转加工样品60°，加工出第三个方向上的凹槽。如图3a、3b所示，三个方向加工示意图以及产生的表面形貌。