一种用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备制造技术

本发明专利技术提供了一种用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备及加工方法，设备集成机构、光学、电控、软件四大部分，包括机架、运动组件、与所述运动组件分别连接的光路组件和上下料组件，以及与所述光路组件、所述上下料组件分别连接的电控及操作系统。本发明专利技术设备通过组件结构的综合应用，实现了三维集成封装玻璃晶圆激光微孔技术的本质提升，所制作的玻璃微孔孔径小、深径比高、外观形貌好、表面质量光洁、制作微孔阵列效率高。洁、制作微孔阵列效率高。洁、制作微孔阵列效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备


[0001]本专利技术涉及三维集成封装
，特别是涉及一种用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备及加工方法。

技术介绍

[0002]三维封装转接板需要满足特定需求的高密度玻璃通孔，以改善高频信号隔离，提高集成密度，最终实现性能大幅提升。因此玻璃通孔（TGV）技术在实现更小的通孔直径，更大的深径比，更好的形貌特征，更光洁的表面质量和更高的孔密度方面提出了更高的要求。
[0003]已知的玻璃微孔技术包括机械钻孔、喷砂钻孔、电化学放电成孔、等离子干法蚀刻成孔、光敏玻璃蚀刻成孔等只能做出30μm以上的微孔，并且加工效率低下，微孔形貌特征也不好。采用超快激光单脉冲穿孔、多脉冲叩击、自上而下或自下而上环切或螺旋加工，借助微爆炸和烧蚀直接制备微通道结构，可加工最小直径为20
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m左右的微孔，但几乎无法获得直径低于10
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m的无锥度微孔，激光直接烧蚀获得微孔的技术要求激光能量达到材料的烧蚀阈值，导致所形成的玻璃通孔表面仍然十分粗糙。因此，通过激光直接烧蚀方式在玻璃材料上形成的微孔的质量及深径比等指标不够理想。
[0004]采用高斯光束扫描的方式对玻璃进行改性，随后在HF溶液中刻蚀获得玻璃微孔，称为激光辅助化学湿法刻蚀。此方法虽然可以加工直径≤10
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m的微孔，但由于微孔入口刻蚀时间较长且该位置的刻蚀液易于交换，而微孔底部刻蚀时间较短且刻蚀液交换困难，最终只能获得入口直径较大、底部直径较小的锥形微孔。在此方法基础上采用扫描补偿或功率补偿的方式在深度方向上形成了锥形改性区域，可以很大程度改善微孔形貌，获得锥度较小的微孔。
[0005]基于光束整形的超快激光精密加工技术为TGV技术升级提供了新方案：高斯光束可以通过光束整形技术调制为具有长焦深的无衍射光束，且其轴向能量分布可控，结合高速高精度同轴对焦系统和同步运动控制系统，可实现在玻璃内的能量可控沉积与改性加工区域的精确控制，再结合湿法刻蚀工艺，可实现孔径和孔型均高度可控的高深径比微孔的高效加工。对比其他TGV加工工艺，加工过程不会产生任何机械力作用，热效应小，孔型可调控，且在大气环境中就可以加工，完全可以满足转接板的工业批量制备的可行性，对比传统工艺具有明显的技术先进性，其关键技术包括激光通道成型技术及湿法化学蚀刻技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述问题，提供了一种用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备及加工方法，用于实现三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔技术提升。
[0007]本专利技术的技术方案为一种用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备，包括机架、运动组件、与所述运动组件分别连接的光路组件和上下料组件，以及与所述光路组件、所述上下料组件分别连接的电控及操作系统，所述运动组件、所述光路组件、所述上下料组件和所述电控及操作系统均统一安装在所述机架上；
所述电控及操作系统包括主控机、ACS运动控制器、陶瓷电机驱动器、高度采集卡、激光电源及控制器，其中，所述主控机用于总体协调整机功能，包括处理光栅编码反馈信号、处理激光位移信号、规划打孔路径、规划激光自动对焦、规划焦点跟随以及控制激光同步输出，所述ACS运动控制器用于驱动伺服XY轴组件、Z轴组件和R轴组件、用于执行打孔路径以及用于接收晶圆位置反馈信号；所述陶瓷电机驱动器驱动陶瓷电机做上下快速运动用于焦点跟随；所述高度采集卡用于采集激光位移信号，所述激光电源及控制器用于为激光器提供电源、控制激光器功率及频率以及接收所述主控机的同步信号实现激光与位置同步输出；所述运动组件包括大理石组件、XY轴组件、Z轴组件和R轴组件，所述大理石组件用于固定所述XY轴组件、所述Z轴组件和所述R轴组件，所述XY轴组件用于移动晶圆到上下料位以及移动晶圆到对焦工位和打孔工位，所述Z轴组件用于对晶圆进行自动对焦和焦点跟随，所述R轴组件配有十字滑台上下料工位，用于对晶圆通过旋转进行方向矫正；所述光路组件包括激光器、与所述激光器连接的整形光路和与所述整形光路连接的激光头组件，所述激光器用于产生高速激光脉冲，并与所述XY轴组件位置同步输出，所述整形光路用于激光光束整形，所述激光头组件配有对焦工位和打孔工位，用于激光打孔；所述上下料组件包括晶圆搬运机构、与所述晶圆搬运机构动作关联的夹料机构、矫正机构和升降机构，所述夹料机构分别与所述矫正机构、所述升降机构动作关联，所述晶圆搬运机构用于运载晶圆，所述矫正机构配有轨道上下料工位，用于晶圆位置矫正，所述升降机构配有料仓工位，利用伺服运行晶圆到所述料仓工位进行自动供料，所述夹料机构配合所述晶圆搬运机构用于晶圆上下料。
[0008]本专利技术的进一步技术方案为：所述大理石组件包括台板、立柱、定位块和横梁，所述台板向上平面相对边缘两侧平行立置两个所述立柱，所述横梁两头各对应一个所述立柱并安装在所述立柱上，所述立柱与所述台板、所述立柱与所述横梁均采用所述定位块辅助安装固定；所述Z轴组件安装在所述横梁一侧，所述XY轴组件和所述R轴组件平置于与所述Z轴组件同一侧的所述台板上。
[0009]本专利技术的进一步技术方案为：所述XY轴组件包括缓冲器、限位开关、风琴罩、光栅尺、线性导轨副、底板、直线电机、滑台板、端板和拖链，所述光栅尺、所述线性导轨副，所述直线电机、所述端板配合安装在所述底板上，所述滑台板通过所述线性导轨副配合安装在所述底板上，所述缓冲器和所述限位开关配合控制所述滑台板的行程，所述拖链用于电器元件布线和气动元件布管。
[0010]本专利技术的进一步技术方案为：所述Z轴组件包括伺服电机、Z轴底板、直线导轨副、滚珠丝杠副、 Z轴滑台板、限位开关、缓冲块、轴承座和电机座，所述Z轴底板呈竖直方向两边均安装有所述直线导轨副，所述两边直线导轨副上一体式安装了可在所述直线导轨副上下滑动的Z轴滑台板，所述Z轴滑台板一侧安装了可使所述Z轴滑台板可变位置地固定在所述Z轴底板的所述限位开关，所述Z轴底板竖直方向的中间位置安装有所述电机座，所述伺服电机安装在所述电机座上，所述电机座下方连接有所述轴承座，所述轴承座下方连接有所述缓冲块，所述缓冲块和所述轴承座中空连通并内置有所述滚珠丝杠副，所述缓冲块通过螺丝固定在所述Z轴底板上，所述缓冲块侧面紧贴所述轴承座。
[0011]本专利技术的进一步技术方案为：所述R轴组件包括底板、真空表、限位开关、DD马达、
转台底座、端子台、激光功率计、真空转台和真空吸盘，所述底板安装在所述XY轴组件的所述滑台板上，所述DD马达安装在所述底板上，所述转台底座安装在所述DD马达上，所述DD马达一侧安装有所述限位开关用于控制DD马达旋转行程，所述真空表用于监控真空吸盘的真空度，所述DD马达上方安装有所述转台底座，所述转台底座上方安装有所述真空转台和所述真空吸盘，所述真空转台和所述真空吸盘用于在上下料和打孔过程中固定晶圆，所述真空转台一侧的底板上装有所述激光功率计，所述端子台固定在所述底板上方一侧。
[0012]本专利技术的进一步技术方案为：所述整形光路包括激光入口、激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备，其特征在于，包括机架、运动组件、与所述运动组件分别连接的光路组件和上下料组件，以及与所述光路组件、所述上下料组件分别连接的电控及操作系统，所述运动组件、所述光路组件、所述上下料组件和所述电控及操作系统均统一安装在所述机架上；所述电控及操作系统包括主控机、ACS运动控制器、陶瓷电机驱动器、高度采集卡、激光电源及控制器，其中，所述主控机用于总体协调整机功能，包括处理光栅编码反馈信号、处理激光位移信号、规划打孔路径、规划激光自动对焦、规划焦点跟随以及控制激光同步输出，所述ACS运动控制器用于驱动伺服XY轴组件、Z轴组件和R轴组件、用于执行打孔路径以及用于接收晶圆位置反馈信号；所述陶瓷电机驱动器驱动陶瓷电机做上下快速运动用于焦点跟随；所述高度采集卡用于采集激光位移信号，所述激光电源及控制器用于为激光器提供电源、控制激光器功率及频率以及接收所述主控机的同步信号实现激光与位置同步输出；所述运动组件包括大理石组件、XY轴组件、Z轴组件和R轴组件，所述大理石组件用于固定所述XY轴组件、所述Z轴组件和所述R轴组件，所述XY轴组件用于移动晶圆到上下料位以及移动晶圆到对焦工位和打孔工位，所述Z轴组件用于对晶圆进行自动对焦和焦点跟随，所述R轴组件配有十字滑台上下料工位，用于对晶圆通过旋转进行方向矫正；所述光路组件包括激光器、与所述激光器连接的整形光路和与所述整形光路连接的激光头组件，所述激光器用于产生高速激光脉冲，并与所述XY轴组件位置同步输出，所述整形光路用于激光光束整形，所述激光头组件配有对焦工位和打孔工位，用于激光打孔；所述上下料组件包括晶圆搬运机构、与所述晶圆搬运机构动作关联的夹料机构、矫正机构和升降机构，所述夹料机构分别与所述矫正机构、所述升降机构动作关联，所述晶圆搬运机构用于运载晶圆，所述矫正机构配有轨道上下料工位，用于晶圆位置矫正，所述升降机构配有料仓工位，利用伺服运行晶圆到所述料仓工位进行自动供料，所述夹料机构配合所述晶圆搬运机构用于晶圆上下料。2.根据权利要求1所述的用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备，其特征在于，所述大理石组件包括台板、立柱、定位块和横梁，所述台板向上平面相对边缘两侧平行立置两个所述立柱，所述横梁两头各对应一个所述立柱并安装在所述立柱上，所述立柱与所述台板、所述立柱与所述横梁均采用所述定位块辅助安装固定；所述Z轴组件安装在所述横梁一侧，所述XY轴组件和所述R轴组件平置于与所述Z轴组件同一侧的所述台板上。3.根据权利要求1所述的用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备，其特征在于，所述XY轴组件包括缓冲器、限位开关、风琴罩、光栅尺、线性导轨副、底板、直线电机、滑台板、端板和拖链，所述光栅尺、所述线性导轨副，所述直线电机、所述端板配合安装在所述底板上，所述滑台板通过所述线性导轨副配合安装在所述底板上，所述缓冲器和所述限位开关配合控制所述滑台板的行程，所述拖链用于电器元件布线和气动元件布管。4.根据权利要求1所述的用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备，其特征在于，所述Z轴组件包括伺服电机、Z轴底板、直线导轨副、滚珠丝杠副、 Z轴滑台板、限位开关、缓冲块、轴承座和电机座，所述Z轴底板呈竖直方向两边均安装有所述直线导轨副，所述两边直线导轨副上一体式安装了可在所述直线导轨副上下滑动的Z轴滑台板，所述Z轴滑台板一侧安装了可使所述Z轴滑台板可变位置地固定在所述Z轴底板的所述限位开关，所述Z轴
底板竖直方向的中间位置安装有所述电机座，所述伺服电机安装在所述电机座上，所述电机座下方连接有所述轴承座，所述轴承座下方连接有所述缓冲块，所述缓冲块和所述轴承座中空连通并内置有所述滚珠丝杠副，所述缓冲块通过螺丝固定在所述Z轴底板上，所述缓冲块侧面紧贴所述轴承座。5.根据权利要求3所述的用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备，其特征在于，所述R轴组件包括底板、真空表、限位开关、DD马达、转台底座、端子台、激光功率计、真空转台和真空吸盘，所述底板安装在所述XY轴组件的所述滑台板上，所述DD马达安装在所述底板上，所述转台底座安装在所述DD马达上，所述DD马达一侧安装有所述限位开关用于控制DD马达旋转行程，所述真空表用于监控真空吸盘的真空度，所述DD马达上方安装有所述转台底座，所述转台底座上方安装有所述真空转台和所述真空吸盘，所述真空转台和所述真空吸盘用于在上下料和打孔过程中固定晶圆，所述真空转台一侧的底板上装有所述激光功率计，所述端子台固定在所述底板上方一侧。6.根据权利要求1所述的用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备，其特征在于，所述整形光路包括激光入口、激光出口、光闸、反射镜、三维调整架、二维调整架、扩束镜、波片、六维调整架和光路密封板，所述光闸连接在所述激光入口后，用于在工作空闲时遮挡，防止激光泄漏，与所述光闸对应的所述反射镜用于反射光闸处的激光，所述反射镜安装在所述三维调整架上，所述扩束镜与所述反射镜相对设置用于将激光器出口光束直径扩大，所述扩束镜安装在所述二维调整架，所述波片接收所述扩束镜扩束后的光并将光束调制为左旋圆偏振光，所述波片安装在所述六维调整架上，所述光路密封板用于密封除所述激光入口和所述激光出口外的所有整形光路组件。7.根据权利要求1所述的用于三维集成封装的玻璃晶圆激光微孔加工设备，其特征在于，所述激光头组件包括第一反射镜组件、风琴罩、第二反射镜组件、筒镜组件、对焦CCD、二维调整架、位移传感器、陶瓷电机、物镜、低倍相机、高倍相机、点光源和密封板，所述第一反射镜组件用于接收并反射经过所述整形光路处理后的激光，与所述第一反射镜组件通过所述风琴罩连通所述第二反射镜组件，所述点光源、所述筒镜组件、所述对焦CCD和所述第二反射镜组件配合设置，所述第一反射镜组件、第二反射镜组件、所述筒镜组件以及所述对焦CCD均用所述密封板密封，所述密封...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘红日，张立，周建红，
申请(专利权)人：深圳市圭华智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：