Elektronikus alkatrészek előállítása

Az itt leírt alkalmazások lényegében hasonlóak a 3.3.2. leckében ismertetett gyártási eljárásokhoz, a más méretek és egyéb sajátságok miatt azonban indokolt őket külön tárgyalni.

A lézereket kezdetben az elektromos és az elektronikus ipar számára fejlesztették, és legelőször itt is hasznosították őket a gyártási eljárásokban. Az elektronikus alkatrészek gyártásában a lézerek fő alkalmazási

A lézerek alkalmazása

területe mind a mai napig a vékony- és vastagréteg-alkatrészek, valamint az integrált áramkörök előállítási folyamatában található, és e berendezések alkalmazása széles körben elterjedt számos gyártási eljárásban. A kis kiterjedésű, erősen hevített zónát vágáshoz, hegesztéshez és szabályozott gőzöléshez alkalmazták, a mikroáramkörök és integrált áramkörök megmunkálásánál a 3.2.1. fejezetben szereplő ábrán bemutatotthoz hasonló lézerrendszerek felhasználásával. Előnyei közül említésre méltó az érintésmentes működés, a könnyű automatizálhatóság, a helyzetbeállítás pontossága és a nagy termelékenység.

4.1. Hordozóanyagok karcolása és perforálása

A lézereket nagyon gyakran alkalmazzák például azoknak a szilíciumlapocskáknak a perforálására és darabolására, amelyeken több száz integrált áramkör lehet. A szilícium hordozólapok lézeres vágása könnyen túlhevítést és az áramkör károsodását okozhatja. A lézeres karcolás és az ezt követően hajlítással előidézett törés kis teljesítmény alkalmazását teszi lehetővé. Ez a hőátvitelt magára az áramkörre a minimumra csökkenti.

Karcolási művelethez fókuszált impulzuslézer-sugarat alkalmaznak úgy, hogy kis bemélyedések sorozatát állítják elő a keramikus hordozóanyag felületén az áramkörök között. Az impulzusüzem a minimumra csökkenti a hőfeszültséget a hordozóban és a közel eső alkatrészek túlhevülését is. A CO2-lézer a nemfémes anyagok nagy abszorpciója miatt 10,6 µm-en igen alkalmas erre a célra. Rendszerint kis teljesítményű, lezárt CO2-lézereket alkalmaznak. Egymódusú lézersugárra van szükség ahhoz, hogy elég kis átmérőjű fókuszált sugarat kapjanak. A CO2-lézer felhasználható vékony- és vastagréteg-áramkörökhöz alkalmazott hordozólapok karcolásához is. 50 W-os teljesítményeket alkalmaztak 10,6 µm-en, 0,625 mm vastagságú alumínium-oxid lapok karcolására, 3 m/min-t meghaladó sebesség mellett.

Egy másik kidolgozott eljárás, amely szilícium hordozókhoz is alkalmazható, a szabályozott hőrepesztés, az üveghez hasonló módon. Itt ismét a nemfémek nagy abszorpciója 10,6 µm-en teszi a CO2-lézereket a legalkalmasabbakká.

A lézereket alkalmazzák a hordozólapok átlyukasztására is a bevonási fázis után, mert így a lyukak helyzetét sokkal pontosabban lehet beállítani. Vékonyréteg-hordozóként használt 0,7 mm vastag alumínium-oxid lapokban 0,125–0,3 mm átmérőjű lyukakat készítettek, lyukanként egyetlen impulzussal, impulzusüzemmódban működő, 250 W folytonos teljesítményű CO2-lézerrel. A megolvadt anyag eltávolítására a hordozó mögött vákuumkamra volt, és az eltávolítást gázsugár is segíti.

4.2. Trimmelési alkalmazások

A vastag- és vékonyréteg-ellenállások jelenlegi gyártási módszereivel gyakran nem lehet olyan ellenállásértékeket előállítani, amelyek a megkövetelt tűréshatárokon belül vannak. Ennek eredményeként a kiindulási ellenállás rendszerint a végérték 50%-a, és az ellenállást a bevonatanyag eltávolításával trimmelik, miközben az ellenállást folyamatosan ellenőrzik.

Régen csiszolószemcséket tartalmazó sugarat és rádiófrekvenciás kisülést alkalmaztak mind a vastag-, mind pedig a vékonyrétegek megmunkálásához. Újabban a lézereket alkalmazzák vastag- és vékonyréteg-alkatrészek trimmeléséhez. A kereskedelemben kaphatók már különböző bonyolultságú rendszerek, amelyekben argon-, xenon-, neodímium- és CO2-lézereket alkalmaznak. Az alkatrész beállítandó értékének folyamatos ellenőrzése és a megfelelő visszacsatolás tökéletesen automatikus működést tesz lehetővé, és igen nagy termelékenység érhető el. A trimmelt szélek lezárása üvegesítéssel történik, ami javítja a stabilitást. A pontosabb szabályozás, a csökkentett szennyezés és a kopásmentesség (pl. légsugaras fúvókák) azok az előnyök, amelyeket más módszerekkel szemben hangsúlyozni kell. További előnyként említhető a legalább 50%-os költségmegtakarítás és a csiszoló trimmerekénél hatszorta nagyobb termelékenység.

Mérsékelt teljesítményszintekre van szükség a trimmelő alkalmazásokhoz, tipikus nagyságrend a 10 W (folyamatos üzemmód) vagy a 0,01 J/impulzus energia a vastagrétegek esetén és 3 W (folyamatos üzemmód) vagy 150 W csúcsteljesítmény a vékonyrétegek esetén. A legtöbb fém nagy abszorpciója és a nemfém hordozóanyagok kis abszorpciója 1,06 µm-en nyilvánvalóvá teszi a neodímiumlézer-anyagok választását, bár alkalmazzák mind az argonion-, mind pedig a CO2-lézereket is. Rendszerint impulzusüzemben dolgoznak, hogy az alapanyag hő okozta károsodása a minimumra csökkenjen, mivel a folyamatos működés nem elgőzölgést, inkább olvadást eredményez. A folyamatos pumpálású Q-kapcsolt üzemmód lehetővé teszi, hogy csak viszonylag kis pumpálási teljesítményekre legyen szükség, ennek következtében a kisülési csöveknek megnő az élettartamuk. Így alkalmaznak volfrám-halogénlámpákat akusztooptikai Q-kapcsolóval. Ez ismétlődően nagy

A lézerek alkalmazása

csúcsteljesítmények elérését biztosítja, ami egyaránt alkalmas mind vastag-, mind pedig vékonyrétegek trimmelésére.

A vastagréteg-ellenállásokat a szélén vagy a közepén az ellenállásréteg elgőzölögtetésével lehet trimmelni, vagy L alakú vágást kell készíteni. A vastagréteg-ellenállásokat 0,3 százalékon belüli pontossággal lehet trimmelni.

10 µm és 100 µm közötti vágásszélességeket könnyen lehet készíteni 30 mm/s-ot meghaladó sebességek mellett.

Könnyen el lehet végezni a finom és a durva beszabályozást, de az ellenállásrétegben az egyenlőtlen disszipációt el kell kerülni, mert az túlhevítést okozhat.

A vékonyréteg-ellenállásokat lézersugarakkal trimmelni elgőzölögtetés révén vagy fémkerámiák esetében kiolvasztással lehet. Az energiát tokozó közegen keresztül is lehet közölni, ami lehetővé teszi az egyébként hozzáférhetetlen részek gépi megmunkálását, és kiküszöböli az oxidációt, ha a tokozó közeg átlátszó a lézersugárzás számára. Vékonyréteg krómnikkel-ellenállásokat 0,01 százalékon belül trimmeltek, és a kis toleranciájú hagyományos ellenállásokat ugyancsak ezen a módon trimmelték. Tokozott vékonyréteg-kristályoszcillátorokat pontosan behangoltak a kristályanyag szabályozott elgőzölögtetésével. Kondenzátorokat is állítottak elő keskeny bevágás rákarcolásával a vékonyréteg vezető felületére. A dielektrikumot a hordozóanyag alkotta.

Egy másik alkalmazás a hibás alkatrészek elszigetelése egy nagy integrált áramkörben a vezetőutak megszakításával lézeres elgőzölögtetés révén.

4.3. Maszkok előállítása integrált áramkörökhöz

Beható kutatások folynak a lézerek alkalmazására a mikroáramkörök előállításához szükséges maszkok gyártásában annak érdekében, hogy növeljék a pontosságot, és megszüntessék az áramkörrel érintkezésbe kerülő maszk korlátozott élettartamát. Lézereket alkalmaztak maszkok előállítására, vékonyréteg elgőzölögtetésével.

Vizsgálták fotoreziszt anyag közvetlen megvilágítását argonionlézerrel, holografikus technika alkalmazásával.

Az elérhető nagy pontosság mellett a hologram nagy mélységélessége érintésmentes maszkozást tesz lehetővé, ami korlátlan maszkélettartamot és reprodukálhatóságot biztosít.

Létezik már olyan fémszublimációs technika is, amellyel egy fémmel bevont lemezről lecsapatással képet alakítanak ki egy másik lemezen, és ez negatív és pozitív maszkokat alkot, kiküszöbölve ily módon a képfordítási lépések szükségességét.

Lézereket alkalmaznak integrált áramköri maszkok automatikus ellenőrzésére az árnyékvetítő módszer felhasználásával. 3,39 µm-en sugárzó hélium-neon lézert és képátalakítót használnak. Alkalmazzák a lézersugarat optikai mikroszkóppal együtt az integrált áramkörök vizsgálatára a megmunkálás alatt. A nagyobb részletgazdagság és kontraszt, valamint az a lehetőség, hogy a gyártás alatt álló szilíciumlapkákat használják különleges, vékony minták elkészítése helyett, mind olyan előny, ami felülmúlja az elektronmikroszkópokat felhasználó egyéb módszereket.

4.4. Elektronikus alkatrészek hegesztése és forrasztása

Mélyrehatóan tanulmányozták a lézerek alkalmazását az elektronikus alkatrészek hegesztéséhez, és meghatározták a fő paramétereket. Az elektronikus alkatrészek hegesztési követelményeit lényegében a vezetés korlátozza. Részletesen ismertették az elért hegesztési módszereket, és példákat mutattak be a varratokra. Ezek tipikusan 0,025 mm átmérőjű alumínium- vagy aranyhuzalok, és a tokozati csatlakozóhelyektől a szilíciumlapkáig vezetnek. Az egyik ismertetett módszer ferdére vágott hengerlencserendszert alkalmaz sugaras vezetékcsatlakozások egyidejű hegesztésére a lapka mind a négy oldalán. Beszámoltak mikroáramköri dobozok és relétok lézeres hegesztéséről is.

Hegesztettek már gyártásszerűen olyan apró fémlapkát, amely a tranzisztort tartotta mintegy 0,43 mm átmérőjű nikkelötvözetű kapcson. Ezt viszont üveg-fém forrasztás tartja, ami igen kis hő befolyásolta zónát követelt.

Rubinlézerrel 0,017 mm átmérőjű vezetékek hegesztését végezték el olyan anyagból, amelyeket rendszerint nehéz hegeszteni, mint pl. platina, ezüst, palládium, berillium-réz ötvözet.

Impulzuslézereket alkalmaztak hagyományos elektronikus alkatrészek hegesztésére is, különböző körülmények között levegőben és semleges gázatmoszférában. Ez csökkentett selejtarányt eredményezett. Lézerrel vezetékcsatlakozásokat forrasztottak dobozolt mikroáramköröktől nyomtatott áramköri kártyákhoz, ez

A lézerek alkalmazása

kiküszöbölte a hőlökéseket és a folyasztóanyag iránti szükségletet, ami a megbízhatóság fokozódását hozta magával.

4.5. Vékonyrétegek felgőzöltetése

Lézereket alkalmaztak szennyezésmentes hőforrásokként olyan eljárásokban, mint olvasztás vákuumban, vékonyrétegek felvitele és kristálynövesztés szabályozott környezeti feltételek mellett. Különféle félvezetőkből készített vékonyrétegeket vákuumkamrában, külső CO2- vagy rubinlézerekkel állítottak elő; MOS diódákat is készítettek rétegbevonatolással. A lézersugár bevitele a munkatérbe megfelelő ablakon keresztül történhet. A lézer alkalmazásának előnye, hogy ez teljesen szennyezésmentes hőforrás, amely nagy teljesítménysűrűségekre képes. A hagyományos felgőzölögtetési forrásokkal összehasonlítva ez jobban szabályozható és gyorsabb, mint a reaktív porlasztás, továbbá kiküszöböli azokat a problémákat, amelyek a porlasztási folyamatokban a nagy energiájú ionok miatt lépnek fel.