一种基于短脉冲激光扫描的图像探测器光学玻璃去除方法

1.本发明属于一种光学玻璃去除方法，具体涉及一种基于短脉冲激光扫描的图像探测器光学玻璃去除方法。


背景技术：

2.图像探测器通常由光学玻璃(cover glass)、传感器芯片(sensor chip)、焊丝(wire bonds)、外壳(package)和接触垫(contact pads)组成。在晶片切割和器件安装前，将光学玻璃安装在晶片衬底上，并对玻璃进行保护，可以有效保护图像探测器的工作区域免受污染，进而改善产品加工良品率和使用寿命。然而，图像探测器在很多半导体应用场景中需要去除光学玻璃后使用，如制作光谱芯片时，需要将光谱芯片直接制作于图像探测器表面。
3.但是，图像探测器表面的光学玻璃一般采用紫外(uv)固化胶粘合到传感器芯片外壳框架上，固化胶经过uv光照射后，粘合力很强，因此，去除难度很大。目前，一般采用高温加热配合机械剥离的方法，在实际操作过程中，为避免损伤图像探测器和位于图像探测器背面的接触垫，加热温度不能超过探测器耐高温极限，在有限温度内去除光学玻璃的难度较大，还需要依靠机械外力才能完成剥离，但是，机械外力容易对图像探测器造成损伤，导致良品率低，尤其对于大靶面的图像探测器，光学玻璃面积大，进一步增加了光学玻璃的去除难度。另外，在开窗过程中，光学玻璃容易在机械应力作用下碎裂，会在图像探测器表面残留玻璃等碎屑，后续还需要额外工序清洗探测器靶面，难免会对图像探测器靶面造成损伤或污染。


技术实现要素：

4.本发明为解决目前去除图像探测器表面光学玻璃时，采用的高温加热配合机械剥离的方法，加热温度受限增大了去除光学玻璃的难度，借助机械外力时，容易对图像探测器造成损伤、使光学玻璃碎裂的技术问题，提供一种基于短脉冲激光扫描的图像探测器光学玻璃去除方法。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种基于短脉冲激光扫描的图像探测器光学玻璃去除方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
7.s1，将短脉冲激光的焦点位于图像探测器的光学玻璃与uv固化胶分界面处；
8.s2，通过短脉冲激光逐行扫描光学玻璃与uv固化胶的粘连表面，使得光学玻璃与uv固化胶分界面处形成碳化层；所述短脉冲激光的脉冲宽度为50fs～100ns，波长为300nm～800nm，重复频率为10hz～170khz，功率为0.001w～0.5w，激光能量密度阈值为30j/cm2～50j/cm2；
9.s3，从图像探测器上剥离光学玻璃，完成光学玻璃的去除。
10.进一步地，步骤s2中，所述短脉冲激光的脉冲宽度为50fs，波长为800nm，重复频率
为100khz，功率为0.05w。
11.进一步地，步骤s2中，所述短脉冲激光的脉冲宽度为200ps，波长为512nm，重复频率为100khz，功率为0.3w。
12.进一步地，步骤s2中，所述短脉冲激光的脉冲宽度为40ns，波长为355nm，重复频率为100khz，功率为0.15w。
13.进一步地，步骤s1具体为，将图像探测器放置于三维运动载物台上，并使光学玻璃位于短脉冲激光装置的下方，通过三维运动载物台调整光学玻璃与短脉冲激光装置出射端的距离，使短脉冲激光的焦点位于图像探测器的光学玻璃与uv固化胶分界面处。
14.进一步地，步骤s2中，所述通过短脉冲激光逐行扫描光学玻璃与uv固化胶的粘连表面具体为，短脉冲激光装置的出射端固定，通过控制三维运动载物台移动，对光学玻璃与uv固化胶的粘连表面进行逐行扫描。
15.进一步地，步骤s2中，所述三维运动载物台的移动速度为1mm/s～100mm/s。
16.进一步地，步骤s2中，所述短脉冲激光的激光烧蚀线宽度为2μm-50μm。
17.进一步地，步骤s2中，所述逐行扫描具体为，将光学玻璃与uv固化胶的四个粘连表面划分为两个横向粘连表面和两个纵向粘连表面，先对两个横向粘连表面进行逐行扫描，再对两个纵向粘连表面进行扫描。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.1.本发明提出一种基于短脉冲激光扫描的图像探测器光学玻璃去除方法，整体上通过短脉冲激光对uv固化胶进行碳化去除，主要结合短脉冲激光的参数和扫描速度的合理配合，使得能够在不损伤图像探测器的前提下，实现高效去除光学玻璃，整个开窗过程对探测器焦面与导线无损伤，可有效提高传感器芯片良品率，节约成本。本发明克服了传统高温开窗良品率不高的问题，在常温下即可完成去窗，整个开窗过程无污染，而且工艺步骤简便、易于实施，在图像探测器领域具有广阔的实际应用前景。
20.2.本发明中激光重复频率和载物台移动速度协同设置，既能够保证释放的激光脉冲光斑连续、均匀照射uv固化胶，又不会出现过度碳化区域，保证了探测器外壳不会烧损。同时，本发明中短脉冲激光的脉冲宽度，是为本发明的具体应用进行的设置，既可以保证激光功率达到uv固化胶的碳化阈值，又不至于激光能量太高烧坏其下的探测器外壳。
21.3.本发明在通过短脉冲激光进行扫描时，激光保持不动，图像探测器置于三维运动载物台上移动，进而完成扫描，控制更简便，稳定性更佳。
22.4.本发明提供了一种优选的扫描顺序，能够在保证去窗效果的同时，有效提高扫描效率。
附图说明
23.图1为图像探测器的剖面结构示意图；
24.图2为图1对应图像探测器完整结构的俯视图；
25.图3为短脉冲激光经会聚镜头焦点位于uv固化胶和光学玻璃交界面处的示意图；
26.图4为本发明实施例中短脉冲激光扫描横向粘连面示意图；
27.图5为本发明实施例中短脉冲激光扫描纵向粘连面示意图；
28.图6为本发明实施例中光学玻璃剥离后，光学玻璃和探测器外壳的实物示意图。
29.其中：101-探测器外壳、201-传感器芯片、301-uv固化胶、401-光学玻璃、501-会聚镜头、601-短脉冲激光。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.如图1和图2所示，图像探测器包括探测器外壳101、传感器芯片201和光学玻璃401，探测器外壳101为上端面开口结构，光学玻璃401封盖于探测器外壳101上端面开口处，传感器芯片201安装于探测器外壳101内部，通过光学玻璃401，将传感器芯片201保护于探测器外壳101内部，能够避免传感器芯片201内部结构氧化。其中，光学玻璃401和探测器外壳101之间通过uv固化胶301粘连，并在探测器外壳101内部位于光学玻璃401下方填充惰性气体。
32.图像探测器表面的光学玻璃401固定时，一般采用uv固化胶301，将光学玻璃401粘合到探测器外壳101上，uv固化胶301经过uv光(紫外光)照射后，粘合力非常强。图像探测器属于精密光电测量仪器，光学玻璃401去除时，最好采用无损去除方法，尽量保证不损伤图像探测器的靶面。另外，图像探测器里面的金线焊丝非常精细，有硬物拉扯时很容易造成断裂。再者，由于对光学成像分辨率要求越来越高，图像探测器的靶面尺寸也越来越大，光学玻璃401的面积也越来越大，就会进一步加大光学玻璃401的去除难度。因此，亟需开发一种简易、高效、无损的办法去除光学玻璃401，尤其对于一些大尺寸、造价高昂的图像探测器来说更为关键。为了克服图像探测器的光学玻璃401难以去除的问题，本发明提出了一种采用短脉冲激光扫描技术实现高效、无损去除光学玻璃的方法，包括以下步骤：
33.1)将待去除光学玻璃401的图像探测器置于可以在三维方向上自由移动的载物台上，通过短脉冲激光601去除光学玻璃401和图像探测器之间的uv固化胶301，短脉冲激光601通过短脉冲激光装置的出射端发出，先在竖直方向上微调载物台位置，调整光学玻璃401与短脉冲激光装置出射端的距离，配合实时光学成像相机观察短脉冲激光601的聚焦点所在位置，将短脉冲激光601焦点置于待去除光学玻璃401的图像探测器的光学玻璃401与uv固化胶301分界面处。如图3所示，短脉冲激光601可以通过会聚镜头501的聚焦，正好使焦点位于uv固化胶301和光学玻璃401的交界面处，这样在步骤2)的扫描过程中，可以保证交界面处uv固化胶301被有效碳化。
34.2)打开短脉冲激光装置的扫描快门，控制载物台在二维水平方向移动，带动待去除光学玻璃401的图像探测器一并移动，使短脉冲激光601逐行扫描图像探测器中，光学玻璃401与uv固化胶301分界面，载物台的移动路径，可通过相应软件进行控制，实现与光学玻璃401与uv固化胶301分界面的全部区域扫描。
35.其中，短脉冲激光601的脉冲宽度为50fs～100ns，波长为300nm～800nm，重复频率为10hz～170khz，功率为0.001w～0.5w，激光能量密度阈值为30j/cm2～50j/cm2，载物台的移动速度为1mm/s～100mm/s。
36.此上述脉冲宽度范围下，既可以保证激光功率达到uv固化胶301的碳化阈值，又不
至于激光能量太高烧坏其下的探测器外壳101。
37.短脉冲激光601的波长低于300nm时，激光会被空气吸收不适合用于本发明，高于800nm时，激光单光子能量太低不能使uv固化胶301有效碳化，本发明所采用的300nm-400nm波段激光单光子可被uv固化胶301强烈吸收，400nm-800nm波段激光亦可通过双光子或三光子吸收法能被uv固化胶301吸收，吸收后通过分子材料光热转换作用实现碳化。
38.在实际应用中，激光重复频率和载物台移动速度二者需要协同设置，并且，在保证一定扫描速率的情况下，需要根据不同脉冲宽度激光进行调整，具体数值设置既要保证释放的激光脉冲光斑连续、均匀照射uv固化胶，又不能出现过度碳化区域，否则热量聚积可能会烧坏其下的探测器外壳101。
39.激光功率决定激光能量密度大小，需要根据实际光斑面积来设置，保证激光能量达到激光能量密度阈值范围，激光能量密度阈值范围趋近于uv固化胶301的有效碳化阈值。
40.由于激光特殊的加工特性，会在uv固化胶301和光学玻璃401交界面以激光汇聚焦点为中心产生一个光烧蚀区，产生的脉冲峰值能量特别高，使焦点处温度迅速上升，能够在非常短的时间内固化胶被碳化，失去粘性。再通过计算机软件控制载物台带动图像探测器移动，实现与光学玻璃401接触的uv固化胶301的全部碳化处理。
41.另外，通过调控短脉冲激光601的输出功率，可以得到不同烧蚀宽度的激光扫描线，随着激光功率逐渐增大，激光烧蚀线宽度能够从5μm增大到30μm。
42.将光学玻璃401与uv固化胶301的四个粘连表面划分为两个横向粘连表面和两个纵向粘连表面，两个横向粘连表面和两个纵向粘连表面分别相互平行，如图4所示，s1部分和s2部分为两个横向粘连表面，如图5所示，s3部分和s4部分为两个纵向粘连表面，作为一种优选的扫描路径，可以先依次扫描图4中s1和s2两个横向粘连表面，再依次扫描图5中s3和s4两个纵向粘连表面，能够以最短路径完成扫描，提高扫描效率。3)直至光学玻璃401与uv固化胶301分界面全部被扫描，实现光学玻璃401与uv固化胶301交界面的全区域扫描后，若光学玻璃401的边缘影响激光扫描效果，可对边缘处碳化不充分的残胶进行清理，然后去除光学玻璃401四周的碳化层，将光学玻璃401与图像探测器的探测器外壳剥离开，完成光学玻璃401的去除。
43.本发明中，是通过短脉冲激光601扫描时的参数，尤其是脉冲激光功率、脉冲重复频率和载物台的移动速度，共同实现对短脉冲激光601扫描能量的控制，确保短脉冲激光601能量能够对uv固化胶301进行有效碳化。其中，激光重复频率和载物台移动速度二者需要协同设置，如果激光重复频率太高、载物台移动速度太小，会导致释放激光脉冲的光斑重叠率高且扫描速率低，过度碳化区域热量聚积可能会烧坏其下的探测器外壳101；如果激光重复频率太低、载物台移动速度太大，会导致释放激光脉冲的光斑不连续，碳化扫描区域不连续会导致光学玻璃仍存在部分粘接而不能有效去除；因此，激光重复频率和载物台移动速度具体数值设置既要保证释放的激光脉冲光斑连续、均匀照射uv固化胶，又要具有较快的扫描速率。此外，激光功率决定激光能量密度大小，需要根据实际光斑面积来设置，保证激光能量能够达到激光能量密度阈值范围，该激光能量密度阈值范围趋近于uv固化胶301的有效碳化阈值，达到此范围方可实现uv固化胶301的有效碳化。
44.如下是本发明短脉冲激光601扫描时的六个优选的具体实施例：
45.实施例一
46.本实施例中的短脉冲激光601具体为飞秒脉冲激光，利用飞秒短脉冲激光扫描去除互补金属氧化物半导体(cmos)图像探测器的光学玻璃401。进行扫描时，短脉冲激光601的脉冲宽度为50fs、波长为800nm，重复频率为100khz，载物台移动速度为30mm/s，短脉冲激光601功率为0.05w。
47.传统激光是利用激光能量的热堆积，使作用区域材料熔化乃至挥发，过程中会产生大量的碎屑、微裂纹等加工缺陷，且激光持续时间越久，对材料的损伤越大。本实施例采用飞秒脉冲激光可有效去除cmos图像探测器光学玻璃，基于飞秒脉冲激光的非热熔性冷加工，具有长脉冲激光无法比拟的超精细、低损伤等加工优势，极强的峰值功率可使uv固化胶301被照射区域充分碳化，后续光学玻璃极易剥离。因此，将飞秒脉冲激光应用于图像探测器光学玻璃去除的方法，具有高精度、高质量、高效率加工的独特优势。
48.本实施例采用飞秒脉冲激光去除cmos图像探测器光学玻璃，飞秒脉冲激光具有超快激光的脉冲宽度极窄、能量密度极高、与材料的作用时间极短等特点。正由于有极高的峰值功率，所以本实施例采用很小的平均激光功率即可完成去窗，飞秒脉冲激光在极短时间即可完成碳化过程，因此，其扫描可搭配较高的载物台移动速度，扫描效率更高。较高的载物台移动速度必须搭配同样较高的重复频率，保证释放的扫描光斑连续，碳化扫描区域连续更容易剥离。
49.同时，飞秒脉冲激光脉冲激光碳化作用时间极短，800nm激光作为常见波段的飞秒脉冲激光，通过双光子或三光子吸收法被uv固化胶301吸收，既能使照射小区域内的uv固化胶301充分碳化，又不会对周围非照射区域有热量传递影响，从而不会对图像探测器的外壳等区域造成损伤。
50.cmos图像探测器是一种典型的固体成像传感器，具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电少、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。目前市场占有率比较高，应用广泛，属于本领域技术人员常用的图像探测器，本实施例验证本发明技术可有效用于cmos图像探测器的去窗应用。
51.实施例二
52.实施例二中去除光学玻璃401的图像探测器为电荷耦合器件(ccd)图像探测器，短脉冲激光601具体为飞秒脉冲激光，进行扫描时，短脉冲激光601的脉冲宽度为50fs、波长为800nm，重复频率为100khz，载物台移动速度为30mm/s。短脉冲激光601功率为0.05w。
53.区别于实施例一应用于cmos图像探测器，本实施例采用飞秒脉冲激光应用于ccd图像探测器光学玻璃去除。ccd图像探测器是另一种典型的固体成像传感器，在灵敏度、解析度、分辨率、噪声控制、成像等方面具有优势，亦属于本领域技术人员常用的图像探测器，本实施例采用飞秒脉冲激光同样可有效用于ccd图像探测器的去窗应用。
54.实施例三
55.实施例三中去除光学玻璃401的图像探测器为cmos图像探测器，短脉冲激光601具体为皮秒脉冲激光，进行扫描时，短脉冲激光601的脉冲宽度为200ps、波长为532nm，重复频率为60khz，载物台移动速度为20mm/s。短脉冲激光601功率为0.2w。
56.本实施例采用皮秒脉冲激光去除cmos图像探测器光学玻璃，虽然皮秒脉冲激光脉冲宽度比飞秒脉冲激光要大三个数量级，但是其脉冲能量密度依旧很高，与材料的作用时间也较短，也可用于去除光学玻璃。
57.本实施例采用的皮秒脉冲激光峰值能量密度比飞秒脉冲激光低，因此，本实施例所采用的皮秒脉冲激光去窗平均功率高于实施例1中激光功率；皮秒脉冲激光扫描实现碳化的过程较飞秒脉冲激光要更长，因此，其载物台移动速度要低于实施例一。相较于实施例1，载物台移动速度较低，必须搭配同样较低的重复频率，保证释放的扫描光斑连续且光斑之间重叠度低，不至于出现过度碳化区域。532nm波段激光作为常见波段的皮秒脉冲激光，通过双光子吸收法被uv固化胶301吸收，既能使照射小区域内的uv固化胶301较为充分碳化，又不会对周围非照射区域有明显的热量传递影响，从而不会对图像探测器的外壳等区域造成损伤。
58.实施例四
59.实施例四中去除光学玻璃401的图像探测器为ccd图像探测器，短脉冲激光601具体为皮秒脉冲激光，进行扫描时，短脉冲激光601的脉冲宽度为200ps、波长为532nm，重复频率为60khz，载物台移动速度为20mm/s。短脉冲激光601功率为0.2w。
60.区别于实施例三应用于cmos图像探测器，本实施例采用皮秒脉冲激光应用于ccd图像探测器光学玻璃去除。ccd图像探测器是另一种典型的固体成像传感器，在灵敏度、解析度、分辨率、噪声控制、成像等方面具有优势，亦属于本领域技术人员常用的图像探测器，本实施例采用皮秒脉冲激光同样可有效用于ccd图像探测器的去窗应用。
61.实施例五
62.实施例五中去除光学玻璃401的图像探测器为cmos图像探测器，短脉冲激光601具体为纳秒脉冲激光，进行扫描时，短脉冲激光601的脉冲宽度为40ns、波长为355nm，重复频率为30khz，载物台移动速度为10mm/s。短脉冲激光601功率为0.4w。
63.本实施例采用纳秒脉冲激光去除cmos图像探测器光学玻璃，纳秒脉冲激光脉冲宽度比皮秒脉冲激光又要大三个数量级，虽然其脉冲能量密度相对较低，与材料的作用时间也较长，但是uv固化胶301对uv光吸收强，因此，采用纳秒脉冲激光需使用uv波段激光，纳秒脉冲激光同样也可用于去除光学玻璃。
64.相比于实施例3，本实施例采用的纳秒脉冲激光峰值能量密度比皮秒脉冲激光低，因此，本实施例所采用的纳秒脉冲激光去窗平均功率又高于实施例3中的激光功率；纳秒脉冲激光扫描实现碳化的过程较皮秒脉冲激光要更长，因此，其载物台移动速度要低于实施例3。相较于实施例3，载物台移动速度较低，必须搭配同样较低的重复频率，保证释放的扫描光斑连续且光斑之间重叠度低，不至于出现过度碳化区域。355m波段激光作为常见波段的纳秒脉冲激光，通过单光子吸收即可被uv固化胶301有效吸收，并且，uv固化胶301在uv区域吸收系数较高，有利于激光烧蚀碳化过程，同样能使照射区域内的uv固化胶301碳化。但是，纳秒脉冲激光与材料的作用时间较长，会在周围非照射区域产生明显的热量传递影响，因此，采用纳秒脉冲激光时，需要恰当选取激光功率参数，尽量保证激光能量正好满足碳化阈值即可，避免对图像探测器的外壳等区域造成损伤。
65.实施例六
66.实施例六中去除光学玻璃401的图像探测器为ccd图像探测器，短脉冲激光601具体为纳秒脉冲激光，进行扫描时，短脉冲激光601的脉冲宽度为40ns、波长为355nm，重复频率为30khz，载物台移动速度为10mm/s。短脉冲激光601功率为0.4w。
67.区别于实施例5应用于cmos图像探测器，本实施例采用纳秒脉冲激光应用于ccd图
像探测器光学玻璃的去除。ccd图像探测器是另一种典型的固体成像传感器，在灵敏度、解析度、分辨率、噪声控制、成像等方面具有优势，亦属于本领域技术人员常用的图像探测器，本实施例采用纳秒脉冲激光同样可有效用于ccd图像探测器的去窗应用。
68.在本发明的其他实施例中，还对除cmos图像探测器和ccd图像探测器之外的其他图像探测器进行了测试，同样能够达到极好的去除光学玻璃401的效果。
69.本发明借助短脉冲激光601的瞬时高峰值功率特性，将图像传感器中粘连光学玻璃401的uv固化胶301直接碳化，加之脉冲激光作用时间短的特性，激光扫描热量作用范围小，不会对光学玻璃401和图像探测器表面造成损伤，达到高效、无损去除光学玻璃401的目的，完好的光学玻璃401还可回收再利用。本发明去除光学玻璃401的方法在室温下采用非接触方式去除光学玻璃401，能够极大提高去窗良品率，且不会对图像探测器靶面造成损伤或污染。
70.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。