文章来源：维科网激光整理
低损伤激光微加工技术能够加工出更精细的几何形状，适用于玻璃和石英等材料，并避免出现微裂纹、锥度、崩裂或热影响损伤等不可避免的权衡取舍。
透明基板常被用于电子和光电子应用，因为材料本身具有光学、机械、电学、化学或热学功能。玻璃或石英元件可以透光、提供光学通路、作为绝缘载体、在热循环过程中保持稳定，或在流体或半导体工艺环境中提供清洁且耐化学腐蚀的表面。
透明材料作为基板的优势已广为人知。但半导体和消费电子行业目前提供的市场机遇，正将相关的制造技术推向聚光灯下。从商业角度来看，确保基板材料可靠地发挥其功能作用从未如此重要。因此，需要重新评估加工质量标准。
首要考虑因素是，能否在保持最初选择该材料时所考虑的性能前提下，可靠地制造出孔、槽、腔、通道、开口或阵列。
在光子学和光学组件中，加工特征附近的损伤可能成为散射点、应力集中点、涂层缺陷、键合限制或对准误差。
在微机电系统（MEMS）和微流控器件中，边缘质量和亚表面完整性会影响密封性、抗爆裂强度、流动特性、光学检测以及长期可靠性。对于玻璃中介层和玻璃通孔（TGV），直径控制、锥度、间距和位置精度会影响金属化、布线密度和下游集成。
随着特征尺寸接近数十微米，阵列密度不断增加，即使是微小的偏差也会成为系统级的限制因素。几微米的锥度、崩边、位置误差或热改性材料都可能决定设计是否可制造。
在光子学和光学元件领域，光子学应用通常需要在靠近有源光学区域的位置组合使用各种结构，例如孔径、光纤对准孔、槽、基准标记、透明封装元件、谐振腔、光路间隙和/或安装结构。无论系统（或应用）需要哪些机械结构，它们的加入都不能影响基板的光学功能。
此外，在光子学应用中，微加工质量的影响远不止机械配合。例如，边缘崩边或微裂纹会产生散射中心；对准结构的位置误差会导致耦合损耗或装配偏差；光路附近的粗糙或热改性材料会影响传输或镀膜性能；而薄或易碎基板的损伤也会降低成品率。
因此，用于在玻璃或石英上加工这些机械特征的工艺必须保证并维持机械完整性以及局部透明度。工程师的任务是将特征定位得更靠近光路，指定更小的间距，并将多种功能集成到单个透明基板上。因此，能够使工程师摆脱对机械工具的依赖并最大限度减少激光引起热损伤的工艺，将带来最大的效益。
微机电系统（MEMS）、微流控和医疗器械通常采用玻璃或石英材料，因为这些材料具有尺寸稳定性、耐化学腐蚀性、光学可及性以及与键合和封装工艺的兼容性。在这些应用中，加工质量往往决定了基板能否承受整个器件的生命周期。
对于微流控器件，端口、通道、腔体、储液池和盲孔等结构会影响流体控制、样品处理、光学检测和密封。芯片、粗糙边缘、颗粒碎片和/或裂纹会造成捕获点、扰乱流体流动、干扰键合或引入检测误差。同时，对于MEMS和医疗器械，玻璃或石英可以用作盖、晶圆、载体、封装、传感器通道或流体接口。加工后看似可以接受的缺陷，在键合、压力加载、灭菌、热循环或反复操作过程中可能会成为失效点。
因此，当加工结构位于机械或光学活性区域内，而不是位于非关键间隙区域时，低损伤微加工的价值最为显著。就这些应用而言，需要一种能够在保持周围基板完整性的前提下，加工出微小通道、孔洞、腔体、槽口和复杂几何形状的工艺。
玻璃和石英在半导体和先进封装应用中的重要性日益凸显。在这些应用中，微加工质量直接影响下游工艺的良率。同样，尺寸稳定性、热性能、电绝缘性、洁净度和精细特征加工能力至关重要。
TGV和玻璃中介层的加工需要严格控制孔径、间距、锥度和位置精度。锥度或粗糙度会使金属化复杂化；位置误差会限制阵列密度或对准精度；而崩裂和微裂纹会在搬运、键合或热循环过程中降低良率。
石英半导体气体分布板提出了一个不同但相关的要求，就是一致的特征几何形状，孔径、位置和重复性会影响气流分布和工艺均匀性。
在加工这些零件的过程中，低损伤加工的价值在于制造微小特征并保持整个图案的一致性。无论选择何种工艺，微加工的成本很少仅限于加工操作本身。废品、检验不合格、后处理、重新设计、延迟认证和良率损失都可能成为精密透明零件经济效益的主要影响因素。
低损伤激光微加工能够减少裂纹、缺口、锥度和热影响区，从而提高成品率，避免零件在检验或装配过程中出现故障。它还能减少设计上的妥协，使工程师无需依赖机械刀具即可指定精细槽、不规则孔、盲腔、高密度阵列和小尺寸高纵横比特征。
随着设计从原型走向量产，生产效率至关重要。因此，显而易见，最佳工艺能够在最大限度减少损伤的同时，可靠地保持微米级公差。其优势不仅限于表面性能，这种工艺能够更直接地实现从工程可行性到量产发布的过渡。对于产品团队而言，这意味着更少的重新设计周期，以及在光学清晰度、机械强度和特征密度之间更少的权衡。
以往，机械钻孔、研磨、超声波加工、磨料加工和传统激光加工在硬质材料（包括玻璃和石英）的制造中都发挥着重要作用。然而，当透明基板需要小尺寸、深孔、紧密排列或不规则几何形状时，它们的局限性就更加明显了。
机械加工和磨削加工方法可能会引入崩边、亚表面损伤、刀具磨损变化和几何约束。通孔结构可能会出现锥度或形状变化，具体取决于材料厚度、几何形状、刀具状态和工艺参数。当结构靠近光路、键合面或密集阵列时，这些影响将更难以容忍。
传统的激光加工方法克服了一些机械加工的限制，但容易引入另一套工艺敏感性。在透明材料中，加工结果很大程度上取决于波长、脉冲持续时间、能量密度、聚焦策略、扫描路径、重复频率、碎屑控制和基材特性。控制不佳的加工可能会留下热影响区、重铸材料、微裂纹、背面损伤、锥度、应力场或碎屑。即使是超短脉冲方法也需要仔细的工艺优化；透明材料激光微加工并非单一类别，其损伤结果并非可预测。
最近关于用于玻璃通孔的超短脉冲激光钻孔的研究就说明了这一挑战。在一项针对用于电子封装的SCHOTT Borofloat 33玻璃的TGV钻孔研究中，研究人员评估了激光钻孔后的孔径、锥角和裂纹形成情况。研究表明，飞秒激光加工可以产生较小的锥角，但在某些条件下会观察到微裂纹和背面烧蚀。该研究还表明，工艺优化可以减少裂纹和锥角，凸显了玻璃微加工质量对激光参数和扫描策略的敏感性。
因此，精心设计的工艺流程至关重要。高效的透明材料微加工工艺必须控制特征尺寸、侧壁质量、入口和出口边缘条件、锥度、碎屑、裂纹萌生、位置重复性以及加工区域附近的材料完整性。
半导体、电子、工业和生命科学等关键行业不断增长的应用需求，使得能够对透明基板进行微米级特征加工，且不会像脆性材料加工或热激光加工那样造成材料损伤的单一工艺显得尤为重要。理想情况下，该工艺必须适用于多种要求同时满足的场合，包括透明材料、小特征尺寸、较大的深度或厚度、严格的位置控制、最小或无锥度以及特征附近允许的低损伤。
相关技术研究进一步证实了工艺设计对透明激光微加工损伤结果具有显著影响这一普遍原则。精心控制的飞秒激光和混合激光加工方法已被证明能够提高硬质透明材料的特征质量，在适当的工艺条件下，可获得无裂纹、锥度可控的结构。更重要的是，透明材料激光微加工并非单一的工艺类别，其结果并非单一可预测。相反，加工结果取决于能量的传递方式、材料的去除方式以及对热量、应力和碎屑的控制。这种区别在加工透明基板时尤为重要，因为受影响的材料通常会成为功能器件的一部分。
在光学元件中，受损或热改性区域会散射光线、降低透射率或干扰涂层。在微机电系统 (MEMS) 和医疗器械中，裂纹和应力场会降低键合、灭菌、压力加载或热循环过程中的机械可靠性。在微流控系统中，局部表面变化（例如粗糙度、碎屑或崩裂）会影响密封性、润湿性、流动行为以及污染风险。
因此，激光微加工工艺能够实现近乎零深度的损伤，从而减少在那些因表面下损伤而需要额外制造步骤的应用中的担忧。该工艺为工程师提供了一条实现更高集成度的切实可行的途径，无需将基板损伤视为不可避免的设计规则。
低损伤、透明材料微加工工艺不仅可以替代单一的制造步骤，还能扩展工程师可指定的特征范围。当崩边、锥度、微裂纹或热影响材料成为主要限制因素时，设计人员可以避免某些几何形状，增加间距，扩大特征尺寸，增加后处理步骤，或将功能拆分到多个部件上。
如果这些损伤模式得到减少，则可以重新审视一些设计假设：
可以在更厚的玻璃或石英中放置更小的孔或端口；
可以指定具有更严格间距和位置控制的密集阵列；
可以设计通孔特征而无需补偿锥度；
可以将光学或流体特征放置在更靠近功能区域的位置；
可以考虑不规则形状、槽、盲腔和内部间隙，而无需考虑机械工具的限制；
可以减少对亚表面损伤的后处理容差；
透明基板可以在单个组件中承载更多的机械、光学、流体或封装功能。
对于某些部件，最佳制造方案可能结合多种工艺。关键问题不在于哪种工艺是普遍最佳的，而在于哪种工艺组合能够最好地满足设计的光学、机械、流体和封装要求，同时最大限度地降低制造风险。
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