Single-Step Processing of Plated GaN Substrates

LPKF Laser & Electronics AG，www.lpkf.com

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氮化镓薄膜电路即在厚且脆的氮化镓陶瓷基材溅射了一层很薄的金属层，针对这种材料的加工是一个非常有吸引力的挑战。LPKF ProtoLaser R4系统(图1)可以快速、清洁地处理这两种材料，尽管这两种材料的规格和性能反差很大，但是ProtoLaser R4的加工仍然能够做到精准、自适应和自调整。

新材料开发和加工技术一直推动着科技创新的进程，当前的趋势是电力电子、雷达用射频/微波器件、电子战、5G和卫星通信等越来越多的领域开始采用氮化镓芯片，而硅芯片将会逐渐被取代。

通常以氮化镓陶瓷作为基底材料，将其表面溅射薄金属层（通常是微米厚的金）后使用，这种材料的加工包括陶瓷基板切割和表面金属层蚀刻这两个步骤。而使用LPKF Protolaser R4激光加工这种材料，能将两个独立的步骤合并为一个，并且整个激光加工过程无需接触材料、无需化学药液。ProtoLaser R4采用了超短脉冲激光源，能够达到甚至超过传统化学工艺的精度。ProtoLaser R4配备特殊的工作台设计，加工后无需清洗材料，可为小批量生产或单个样品制作节省大量时间。

加工步骤

激光加工的第一步是，在材料上将设计图形的外边框切割出来，表面金属层作为防护层可避免激光加工的热效应而导致的陶瓷裂纹。传统的陶瓷切割工艺要求切割边缘质量可靠，激光加工工艺不仅能够很轻松的实现，并且切割边缘质量更高。

效率是激光切割的主要优势，优化和精确控制材料表面的激光能量，可实现最快的加工速度以及对材料最低的热效应，对材料完成“冷消融”，而这种加工模式只能通过超短脉冲激光来完成，所以采用ProtoLaser R4进行加工，完全可以实现高效率。

图2对比传统机械切割和激光切割的陶瓷边缘质量，使用激光加工方式基本不存在边缘裂纹和缺口。传统切割加工是没有锥度的，而激光切割会形成一个V形沟道，顶部和底部的尺寸有非常微小的差异，但这种V形沟道不会影响材料的任何功能。激光切割0.25毫米厚的陶瓷，经过优化加工参数后，上下误差可减小到约0.1毫米。例如，如果孔的顶部直径为10.0mm，那么底部直径为10.1mm。

切割完成后，材料被固定在ProtoLaser R4的真空工作台上，可直接进行第二步加工，降低激光输出功率加工薄金属层，高脉冲能量用于切割陶瓷，低脉冲能量用于刻蚀金属层。在低能量下，激光光斑能量呈高斯分布，Protolaser R4可将激光束调整为15微米的光斑，被刻蚀的金属层可形成15微米的均匀间隙（图3）。加工形成的线条均匀度取决于金属层的厚度。

无论是使用化学蚀刻技术还是激光加工工艺，要实现精细结构取决于材料的特性、器件设计以及加工参数，关键的部分包括设计曲线和直线，以及尽量减少基底损害、加工碎屑等，使用Protolaser R4可完全实现加工无碎屑、基底无损伤。

图4 展示了制作好的的试验性样品，小尺寸的样品对传统切割技术来说是非常大的挑战，但是激光加工可轻松完成，用户还可以在设计中添加圆角，实现不规则轮廓的加工。

总结

综上所述，LPKF ProtoLaser R4提供了切割和刻蚀氮化镓陶瓷图形的完美解决方案，两个步骤合并一步即可完成。快速、清洁、精确、无化学处理的超短脉冲激光加工工艺可针对用户更改频繁的设计打样需求，快速可靠地解决客户问题。当然，这只是ProtoLaser R4的应用之一，其应用还包括切割、钻孔和针对射频/微波材料、聚四氟乙烯、双面柔性PCB层压板和玻璃上的薄金属层进行图形直写。

图1：LPKF ProtoLaser R4

图2：机械切割(a)和激光切割(b)的GaN陶瓷边缘

图3：激光蚀刻后均匀的金属线条

图4：LPKF ProtoLaser R4加工的氮化镓样品的弧形边缘