CN101564794A - 用于切割大功率led芯片用铜基板的紫外激光设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，包括紫外激光器、光学图像***和加工平台，紫外激光器的输出端设置有光闸，光闸的输出端连接有扩束镜，扩束镜的输出端布置有第一反射镜，第一反射镜衔接第二反射镜，第二反射镜的输出端连接有聚焦镜，聚焦镜正对于加工平台；光学图像***包括第三反射镜、第四反射镜、第一CCD、第二CCD、第一照明光源、第二照明光源和第三CCD；紫外激光器发出的激光入射到光闸，激光经过光闸垂直入射到扩束镜，经过扩束镜后的激光依次入射到45度第一反射镜和第二反射镜，反射后的激光垂直入射到聚焦镜，透过聚焦镜的激光聚焦于加工平台上，铜基材LED芯片吸附于加工平台上，从而实现紫外激光一次性切割铜基材。

Description

用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备

技术领域

本发明涉及一种用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，属于激光精密加工技术领域。

背景技术

众所周知，半导体晶圆片往往是在晶格类似的基底材料上采用气相沉积的方法生长半导体材料，在半导体器件终端应用封装前需要将若干英寸的晶圆片切割成更小尺寸的晶粒。如今半导体芯片更关注芯片的散热问题，因此晶圆的基材趋向于选用铜金属材料，基底材料的变化对激光切割设备提出了新的要求。一般的LED芯片都是用蓝宝石作为基材，目前主要的研究工作集中在铜基材的切割工艺方面，蓝宝石基材的LED芯片在应用的时候散热性能差，热量集中，容易老化，使用的寿命短，成本比较高；而铜基材的LED芯片，铜基材的散热比较好，热量分散快，使用寿命长，成本比较低。

传统的晶圆切割是采用砂轮、金刚石刀等机械方式加工，然而机械加工方式存在加工速度慢、切割槽线宽、良率低的缺点，尤其在切割像蓝宝石质地坚硬的基材时，机械切割效率低、费用高，切割2英寸的晶圆片一般为1～2片/小时，每个金刚石刀片仅能切2～3片。在切割铜基材时机械加工方式除了上述的效率低、费用高以外，且切割出的外观不良率高，随着半导体行业的发展，半导体铜基材晶圆的种类也越来越多，这就对铜基材晶圆的切割提出了新的要求。紫外激光切割铜基板技术采用355nm或其它短波长的紫外激光非接触式激光冷加工，具有光束质量高(M²＜1.2)、脉冲频率高(30kHz～120kHz)、脉宽窄(＜20ns)的特点。此外紫外激光出色的聚焦能力很容易实现小于10um的切割线宽，与传统的机械切割30um以上的切割线宽相比在精密切割方面具有明显的优势。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，旨在降低加工成本，简化加工工艺，提高加工效率和加工精度。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，包括紫外激光器、光学图像***和加工平台，特点是：所述紫外激光器的输出端设置有光闸，光闸的输出端连接有扩束镜，扩束镜的输出端布置有第一反射镜，第一反射镜衔接第二反射镜，第二反射镜的输出端连接有聚焦镜，聚焦镜正对于加工平台；紫外激光器发出的激光入射到光闸，激光经过光闸垂直入射到扩束镜，经过扩束镜后的激光依次入射到45度第一反射镜和第二反射镜，反射后的激光垂直入射到聚焦镜，透过聚焦镜的激光聚焦于加工平台上；

所述光学图像***包括第三反射镜、第四反射镜、第一CCD、第二CCD、第一照明光源、第二照明光源和第三CCD；第一照明光源出光的光轴与激光垂直入射到加工平台的光轴一致，第一照明光源射出的光依次透过第四反射镜、第三反射镜、第二反射镜和聚焦镜，照射在加工平台上工件的上表面；经加工平台上工件上表面反射的光线依次经过聚焦镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜后，分别入射到第一CCD和第二CCD，其中第一CCD对工件正面小幅面精确定位，第二CCD对大幅面的边缘识别；第二照明光源出光的光轴与激光垂直入射到加工平台的光轴一致，第二照明光源自下而上垂直入射到加工平台上工件的下表面，经工件下表面反射的光返回到第三CCD，第三CCD对工件下表面精确定位。

进一步地，上述的用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，其中，所述的加工平台包括大理石基台、X轴直线导轨、Y轴直线导轨、R轴旋转电机和透明石英台面，X轴直线导轨和Y轴直线导轨相对垂直安装于大理石基台上，R轴旋转电机安装于Y轴直线导轨上，在R轴旋转电机上安装透明石英台面。

再进一步地，上述的用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，其中，所述紫外激光器的输出波长为355nm。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明可实现紫外激光一次性切割铜基材，铜基材LED芯片吸附于加工平台上，激光加工时激光光轴保持不动而加工平台相对于光轴在X、Y两个轴向直线运动，通过改变激光器的频率、能量、玻璃平台的加工速度、焦距等各参数控制对铜基材的切割深度，一次性切穿铜基材，提高加工效率。在石英平台上安装一块玻璃平台，以免在切穿铜基材时损伤平台。该设备加工过程简洁，加工精度高，使用便捷，市场应用前景广阔。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的结构原理示意图；

图2：加工平台的结构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	紫外激光器	2	光闸	3	扩束镜
4	第一反射镜	5	第二反射镜	6	聚焦镜
						7	第三反射镜	8	第四反射镜	9	第一CCD
10	第二CCD	11	第一照明光源	12	第二照明光源
						13	第三CCD	14	加工平台	15	大理石基台

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						16	X轴直线导轨	17	Y轴直线导轨	18	R轴旋转电机
19	透明石英台面

具体实施方式

如图1所示，用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，包括紫外激光器1、光学图像***和加工平台14，紫外激光器1的输出波长为355nm，紫外激光器1的输出端设置有光闸2，光闸2的输出端连接有扩束镜3，扩束镜3的输出端布置有第一反射镜4，第一反射镜4衔接第二反射镜5，第二反射镜5的输出端连接有聚焦镜6，聚焦镜6正对于加工平台14；紫外激光器1发出的激光入射到光闸2，激光经过光闸2垂直入射到扩束镜3，经过扩束镜3后的激光依次入射到45度第一反射镜4和第二反射镜5，反射后的激光垂直入射到聚焦镜6，透过聚焦镜6的激光聚焦于加工平台14上。光学图像***包括第三反射镜7、第四反射镜8、第一CCD 9、第二CCD 10、第一照明光源11、第二照明光源12和第三CCD 13；第一照明光源11出光的光轴与激光垂直入射到加工平台14的光轴一致，第一照明光源11射出的光依次透过第四反射镜8、第三反射镜7、第二反射镜5和聚焦镜6，照射在加工平台14上工件的上表面；经加工平台14上工件上表面反射的光线依次经过聚焦镜6、第二反射镜5、第三反射镜7、第四反射镜8后，分别入射到第一CCD 9和第二CCD 10，其中第一CCD9对工件正面小幅面精确定位，第二CCD10对大幅面的边缘识别；第二照明光源12出光的光轴与激光垂直入射到加工平台14的光轴一致，第二照明光源12自下而上垂直入射到加工平台14上工件的下表面(由于加工平台14的载物平面为透明的石英材质，照明光源能够透过)，经工件下表面反射的光返回到第三CCD13，第三CCD13具有小幅面大倍率的特性，用于工件下表面的精确定位。

其中，光闸2控制激光的通断，当不需要激光切割时光闸2阻挡入射激光防止激光的溢出。扩束镜3具有8～15倍的倍率调节功能，由高斯光学原理可知对于具有扩束功能的光学聚焦***扩束镜的扩束倍率与聚焦光斑的光腰直径成反比，因此可调倍率的扩束镜3能有效的控制***聚焦光斑的能量分布。扩束镜3输出的激光先入射到45°第一反射镜4，再入射到45°第二反射镜5，第一反射镜4对紫外355nm激光进行45°全反，第二反射镜5对紫外355nm激光进行45°全反、并对照明光45°增透；经第二反射镜5转角后的激光垂直入射到聚焦镜6，聚焦镜6安装于具有垂直升降功能的一维直线电机上，通过控制聚焦镜6与加工平面14之间的距离灵活的调整加工平面聚焦光斑的能量分布。第四反射镜8在45°对照明光反射透射比为1∶1，第三反射镜7在45°对照明光反射透射比为1∶2，第二反射镜5在45°对355nm波长的光全反而照明光全透。第一CCD9具有小视场大倍率的特性，用于工件正面小幅面精确定位，第二CCD10具有小视场大倍率的特性，用于工件正面小幅面精确定位。

如图2所示，加工平台14包括大理石基台15、X轴直线导轨16、Y轴直线导轨17、R轴旋转电机18和透明石英台面19，X轴直线导轨16和Y轴直线导轨17相对垂直安装于大理石基台15上，R轴旋转电机18安装于Y轴直线导轨17上，在R轴旋转电机18上安装透明石英台面19。其中，大理石基台15具有很好的抗振性能，有效的提高加工平台的稳定性；X轴直线导轨16和Y轴直线导轨17都带有高分辨率的光栅尺作为反馈控制，其定位精度可达微米量级；石英台面19的表面加工有毛细通孔实现真空吸附，并且第二照明光源12可以透过石英台面19实现对工件下表面取像定位的功能。石英平台19表面有真空吸附的孔，在石英平台19上再加上一层厚1.6mm的玻璃平台，玻璃平台的外径比石英平台19略大点，在玻璃平台上钻与石英平台相对应的通孔，以便能在玻璃平台上吸附铜基材LED芯片。

具体应用时，玻璃平台先贴在石英平台19上，两者孔对应一致，调试好第一CCD 9、第二CCD 10、第三CCD13影像与激光光路同轴，将铜基材的LED芯片的正面贴在白膜上，白膜吸附在玻璃平台上，芯片的背面向上，用背切正裂，用1mm厚的陶瓷片压在芯片上，陶瓷片中间有空的图形，其图形与晶圆的外观图形一致，陶瓷片压上时其中间图形的内边与晶圆的外边相切，切割铜基材的加工参数，紫外激光器所用参数为频率50KHZ，激光到平台能量为2.5W左右，平台X和Y向的切割速度都是10mm/sec，如果铜基材LED芯片上的单个晶粒1*1mm，切割整片晶圆所用时间为7分钟左右。用第三CCD13观测晶圆正面的划道，定位好加工的位置，以提高精度，为保证能一次性切穿90um的芯片，用第三CCD13观测切割过程，是否在第三CCD13中能看到激光透过了芯片，通过改变平台的切割速度或改变激光器的频率来调试切割的深度。因铜基材的粘性比较好，如果激光没切到晶圆的边界，切割好后的芯片还是会粘起来，在切割设置过程中，切割晶圆的边界的设置要比晶圆的边界略向外0.1mm左右，使每一道激光穿过晶圆的外边界都能切到陶瓷片上。

综上所述，本发明设计独特、结构新颖，光束质量高、脉冲频率高、脉宽窄、聚焦能力强，在加工平台上加一层玻璃平台，2英寸铜基材LED芯片，铜基材芯片的厚度为90um，铜基材LED芯片吸附于加工玻璃平台上，激光器发出的紫外激光进入激光传输***后垂直入射到加工平台上，激光切割前通过光学图像***对待加工的铜基材LED芯片进行定位以及切割轨迹的规划，激光加工时激光光轴保持不动而加工平台相对于光轴在X、Y两个轴向直线运动。采用紫外激光对铜基材晶圆进行切割与普通的机械加工方式相比，降低了加工成本，简化了加工工艺，显著提高加工效率和加工精度。

需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，包括紫外激光器(1)、光学图像***和加工平台(14)，其特征在于：所述紫外激光器(1)的输出端设置有光闸(2)，光闸(2)的输出端连接有扩束镜(3)，扩束镜(3)的输出端布置有第一反射镜(4)，第一反射镜(4)衔接第二反射镜(5)，第二反射镜(5)的输出端连接有聚焦镜(6)，聚焦镜(6)正对于加工平台(14)；紫外激光器(1)发出的激光入射到光闸(2)，激光经过光闸(2)垂直入射到扩束镜(3)，经过扩束镜(3)后的激光依次入射到45度第一反射镜(4)和第二反射镜(5)，反射后的激光垂直入射到聚焦镜(6)，透过聚焦镜(6)的激光聚焦于加工平台(14)上；

所述光学图像***包括第三反射镜(7)、第四反射镜(8)、第一CCD(9)、第二CCD(10)、第一照明光源(11)、第二照明光源(12)和第三CCD(13)；第一照明光源(11)出光的光轴与激光垂直入射到加工平台(14)的光轴一致，第一照明光源(11)射出的光依次透过第四反射镜(8)、第三反射镜(7)、第二反射镜(5)和聚焦镜(6)，照射在加工平台(14)上工件的上表面；经加工平台(14)上工件上表面反射的光线依次经过聚焦镜(6)、第二反射镜(5)、第三反射镜(7)、第四反射镜(8)后，分别入射到第一CCD(9)和第二CCD(10)；第二照明光源(12)出光的光轴与激光垂直入射到加工平台(14)的光轴一致，第二照明光源(12)自下而上垂直入射到加工平台(14)上工件的下表面，经工件下表面反射的光返回到第三CCD(13)。

2.根据权利要求1所述的用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，其特征在于：所述的加工平台(14)包括大理石基台(15)、X轴直线导轨(16)、Y轴直线导轨(17)、R轴旋转电机(18)和透明石英台面(19)，X轴直线导轨(16)和Y轴直线导轨(17)相对垂直安装于大理石基台(15)上，R轴旋转电机(18)安装于Y轴直线导轨(17)上，在R轴旋转电机(18)上安装透明石英台面(19)。

3.根据权利要求1所述的用于切割大功率LED芯片用铜基板的紫外激光设备，其特征在于：所述紫外激光器(1)的输出波长为355nm。

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