本發(fā)明涉及玻璃表面處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在玻璃表面產(chǎn)生規(guī)則紋理結(jié)構(gòu)的方法，特別涉及通過(guò)準(zhǔn)分子激光進(jìn)行表面處理使玻璃表面粗糙化以提高玻璃基板與鍍層連接強(qiáng)度的加工方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的印刷線路板已經(jīng)不能滿足電子元器件中集成電路板的高密度要求。印刷線路板按照材質(zhì)可以分為有機(jī)材質(zhì)和無(wú)機(jī)材質(zhì)。有機(jī)材質(zhì)主要包括酚醛樹(shù)脂，纖維增強(qiáng)材料(fr4)，環(huán)氧樹(shù)脂和聚酰亞胺等。有機(jī)材料基板對(duì)于溫度和濕度的改變具有尺寸不穩(wěn)定性的特點(diǎn)。無(wú)機(jī)材質(zhì)主要包括鋁、陶瓷等。這些無(wú)機(jī)材料基板的缺點(diǎn)主要包括較高的成本和較差的熱膨脹系數(shù)。較差的熱膨脹系數(shù)會(huì)造成溫度改變后材料內(nèi)部剪切應(yīng)力的產(chǎn)生，從而引起材料的失效。由于較低的成本，高的熱穩(wěn)定性和與硅相似的熱膨脹系數(shù)，玻璃已經(jīng)成為取代傳統(tǒng)印刷線路板的最有前景的材料。此外，由于玻璃的透明性還可以簡(jiǎn)化封裝過(guò)程且易于檢查線路板上元器件的排布；同時(shí)，玻璃還是一種環(huán)境友好型材料。上述的這些優(yōu)點(diǎn)使得玻璃取代傳統(tǒng)的印刷電路板成為可能，并作為一種非常有前途的基板替代材料受到了廣泛關(guān)注和研究。

由于銅具有較低的電阻率，較高的導(dǎo)熱系數(shù)，良好的機(jī)械性能和高的抗電遷移能力而被廣泛用作沉積在電路板基板的導(dǎo)電線路材料。玻璃基板由于其具有非導(dǎo)電性，傳統(tǒng)的電鍍方式并不適合。另外，玻璃基板和銅導(dǎo)電線路在機(jī)械、物理和化學(xué)性能的不兼容使得很難在光滑的玻璃表面上鍍上銅膜。如果基板與鍍層之間沒(méi)有足夠的粘附性，即使鍍膜后，鍍層也非常容易脫落下來(lái)。因此，提高鍍層與基板之間的粘附性是玻璃鍍膜技術(shù)得以發(fā)展的關(guān)鍵因素。電鍍和化學(xué)鍍是將金屬沉積在印刷電路板的兩種方法，這兩種方法所解決的關(guān)鍵問(wèn)題都是如何使基體表面易于接受金屬的沉積。與傳統(tǒng)的電鍍相比，化學(xué)鍍是利用化學(xué)反應(yīng)沉積金屬，因此對(duì)于基體是否具有導(dǎo)電性不作要求。因此，已有的研究主要集中在用化學(xué)的方法先在玻璃基板上沉積一層自組裝單分子層，再在上面鍍上銅膜，但是用這種方法形成的銅膜與玻璃基板的微連接強(qiáng)度不高，在一些生產(chǎn)實(shí)際中并不能達(dá)到應(yīng)用要求。因此，可以利用表面處理技術(shù)先使玻璃基板粗糙化后再鍍上銅膜的方法來(lái)提高銅膜與玻璃基板微連接的機(jī)械強(qiáng)度。

玻璃表面粗糙化包括在玻璃表面形成任意粗糙度表面和形成具有微觀結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則表面。形成任意粗糙度表面的方法主要包括噴砂法，氫氟酸蝕刻法，等離子濺射法等。與用化學(xué)的方法在光滑表面鍍銅膜相比，在粗糙的表面的玻璃上鍍銅膜可以顯著提高微連接的機(jī)械強(qiáng)度。但是，這種任意粗糙度的表面難以控制處理效果，重復(fù)性差。近年來(lái)，已有研究表明在具有微觀陣列結(jié)構(gòu)單元的粗糙表面上鍍銅膜可以獲得更高的微連接的機(jī)械強(qiáng)度。因此，如何形成具有微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)表面并產(chǎn)生均勻可控的加工效果成為提高玻璃鍍銅質(zhì)量的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種在玻璃表面產(chǎn)生規(guī)則紋理結(jié)構(gòu)的方法，提高玻璃基板與銅膜之間的界面連接強(qiáng)度，利用激光對(duì)玻璃表面進(jìn)行粗糙化，產(chǎn)生規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)，并且采用掩模系統(tǒng)改善激光加工過(guò)程中光束發(fā)散導(dǎo)致加工效果不均勻的問(wèn)題，顯著提高銅膜與玻璃基板的連接質(zhì)量。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種在玻璃表面產(chǎn)生規(guī)則紋理結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

步驟1、選取合適的cmg玻璃基板作為被加工試樣并進(jìn)行表面清潔，將被加工試樣放置在工作臺(tái)上，調(diào)整工作臺(tái)使激光束對(duì)準(zhǔn)加工位置；

步驟2、根據(jù)焦點(diǎn)位置調(diào)整玻璃基板到焦平面的距離；

步驟3、采用圓形、正方形、三角形掩模依次進(jìn)行單方向凹槽加工，固定激光與掩模不動(dòng)，在加工過(guò)程中，通過(guò)工作臺(tái)的橫向進(jìn)給，玻璃試件表面產(chǎn)生的加工效果類似將單點(diǎn)加工沿橫向拖拽產(chǎn)生凹槽結(jié)構(gòu)；其中，改變各掩模形狀和加工方向可以產(chǎn)生不同微觀陣列結(jié)構(gòu)的規(guī)則表面，根據(jù)其三維表面形貌選擇出有利于提高玻璃與銅膜粘附強(qiáng)度的加工工藝。

作為優(yōu)選，所述cmg玻璃基板的平面尺寸為40mmx40mm，厚度為100μm。

作為優(yōu)選，所述cmg玻璃基板在焦平面以下2mm位置處。

作為優(yōu)選，步驟3采用兩個(gè)方向的加工，具體為：首先，cmg玻璃基板被安裝在數(shù)控工作臺(tái)上沿著加工方向形成第一個(gè)加工凹槽，步進(jìn)式地重復(fù)此過(guò)程形成第二個(gè)凹槽，并與第一個(gè)凹槽有部分重疊區(qū)域。依此類推沿著相同加工方向形成若干個(gè)相互平平行的凹槽；然后，控制工作臺(tái)y向進(jìn)給將要待加工的cmg玻璃基板沿著與先前加工方向成90°正交的方向運(yùn)行相同的程序繼續(xù)重復(fù)周期性的凹槽加工。

作為優(yōu)選，步驟3也可以采用三個(gè)方向加工；具體為：首先,cmg玻璃基板安裝在工作臺(tái)上以一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的恒定速度沿著一個(gè)方向并保持預(yù)設(shè)距間距移動(dòng),形成第一個(gè)凹槽，平行于第一個(gè)加工一批同方向的凹槽，根據(jù)設(shè)定的基板與掩模尺寸確定每批平行凹槽的個(gè)數(shù)；其次,將玻璃試樣旋轉(zhuǎn)60°后加工出第二批同方向的凹槽；最后,在相同的參數(shù)設(shè)置下繼續(xù)將加工樣品旋轉(zhuǎn)60°，加工出第三個(gè)方向上的凹槽。

作為優(yōu)選，依次探究重復(fù)頻率、能量密度、單位面積上的脈沖個(gè)數(shù)對(duì)蝕刻深度、加工質(zhì)量的影響，固定脈沖持續(xù)時(shí)間為20ns,綜合考慮加工質(zhì)量和加工時(shí)間來(lái)設(shè)置加工參數(shù)值，確定最優(yōu)加工參數(shù)為：能量密度2.2或2.4j/cm²，激光器輸出脈沖能量220或250mj，單位面積上的脈沖個(gè)數(shù)5-20，節(jié)距30-200μm。

玻璃由于其自身的特性，作為新興的印刷電路板在取代傳統(tǒng)印刷電路板方面有著重要的前景和不可替代的作用。傳統(tǒng)的方法多是通過(guò)化學(xué)的方法改善銅導(dǎo)線與玻璃基板的微連接強(qiáng)度，但是化學(xué)的方法所鍍的銅膜與玻璃基板的微連接強(qiáng)度往往較低。本發(fā)明采用物理的方法提供玻璃基板表面的粗糙化，攻克在玻璃基體上鍍上銅導(dǎo)線后的微連接強(qiáng)度不高的問(wèn)題。

具有微觀結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則表面對(duì)于改善薄膜與對(duì)應(yīng)基板的微連接強(qiáng)度具有重要作用，已有的文獻(xiàn)僅限于關(guān)于加工金屬、合金或者陶瓷等材料表面來(lái)改善微連接強(qiáng)度的報(bào)道，鮮有對(duì)于在玻璃表面加工出微觀結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則表面來(lái)改善微連接強(qiáng)度的研究。本發(fā)明成功地在玻璃基板表面上采用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行表面粗糙化的方法加工出具有微觀陣列結(jié)構(gòu)的規(guī)則表面，并設(shè)計(jì)了改變各掩模形狀和加工方向產(chǎn)生不同特征的表面形貌。

附圖說(shuō)明

圖1采用圓形掩模兩個(gè)方向加工原理圖；

圖2a-圖2c為準(zhǔn)分子激光加工形成的結(jié)構(gòu)表面；

圖2a圓形掩模，圖2b正方形掩模，圖2c等邊三角形掩模；

圖3a為三個(gè)方向加工示意圖；

圖3b為圖3a方法加工所產(chǎn)生的表面形貌圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種在玻璃表面產(chǎn)生規(guī)則紋理結(jié)構(gòu)方法，以提高玻璃基板與銅膜之間的界面連接強(qiáng)度，利用準(zhǔn)分子激光對(duì)玻璃表面進(jìn)行粗糙化，產(chǎn)生規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)，并且采用掩模系統(tǒng)改善激光加工過(guò)程中光束發(fā)散導(dǎo)致加工效果不均勻的問(wèn)題，可以顯著提高銅膜與玻璃基板的連接質(zhì)量。

激光加工可以在玻璃基板表面上加工出納米級(jí)的尺寸，激光器種類的選擇與材料對(duì)波長(zhǎng)的吸收率密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)采用的cmg玻璃是一種摻雜二氧化鈰的硼硅酸鹽玻璃，對(duì)于波長(zhǎng)小于320nm的光有很強(qiáng)的吸收作用，且大多數(shù)玻璃對(duì)于波長(zhǎng)193nm到波長(zhǎng)308nm的光的吸收率大于80％，因而選擇波長(zhǎng)為248nm的氟化氪(krf)準(zhǔn)分子激光來(lái)加工玻璃基板的表面來(lái)獲取最大的加工效率。準(zhǔn)分子激光光源為紫外光脈沖，具有較強(qiáng)的脈沖能量和光子能量，加工質(zhì)量高且對(duì)被加工區(qū)域周圍影響較小，材料不會(huì)出現(xiàn)燒損、殘?jiān)兔痰痊F(xiàn)象。此外，準(zhǔn)分子激光脈沖寬度較窄，在對(duì)材料加工過(guò)程中沒(méi)有足夠的時(shí)間向周圍大量擴(kuò)散熱量，因此熱影響區(qū)很小乃至于不存在，這樣可以保證加工的精度和質(zhì)量。

激光加工可以產(chǎn)生規(guī)則紋理結(jié)構(gòu)的表面，并且重復(fù)性好，加工效果可實(shí)現(xiàn)人工控制。但是激光的發(fā)散度和不均勻性相當(dāng)大，光束相干性較差，所以加工效果不均勻。

采用掩模系統(tǒng)，使光束均勻化，產(chǎn)生最佳加工效果。掩模限制了投射到玻璃表面的激光光束的能量密度。采用的掩?？讖皆酱?，就會(huì)使更多的能量得以通過(guò)掩模傳遞到被加工的玻璃表面。

通過(guò)改變掩模形狀，可以再玻璃表面產(chǎn)生不同的三維形貌。掩模有三個(gè)基本的孔徑形狀：圓形、正方形、等邊三角形，對(duì)應(yīng)的掩?？讖匠叽鐬椋褐睆交蜻呴L(zhǎng)1mm。單點(diǎn)加工時(shí)無(wú)需移動(dòng)工件即可直接在玻璃表面產(chǎn)生相應(yīng)形狀的燒傷斑點(diǎn)。掩模形狀通過(guò)投射到工件表面的投影體現(xiàn)，由此決定了加工區(qū)域的特征。投射到工件表面的光束由投影透鏡的縮小比1/10決定，比如圓形掩模直徑為1mm+/-0.2mm,在玻璃表面產(chǎn)生的加工特征直徑為0.1mm+/-0.02mm。圖2a-圖2c為準(zhǔn)分子激光加工形成的結(jié)構(gòu)表面；其中，圖2a圓形掩模，圖2b正方形掩模，圖2c等邊三角形掩模。

規(guī)則的紋理結(jié)構(gòu)特征，提高連接強(qiáng)度的關(guān)鍵就在于掩模及加工路徑的選擇和設(shè)計(jì)。

固定激光與掩模不動(dòng)(掩模固定在掩模支架上)，在加工過(guò)程中，通過(guò)工作臺(tái)的橫向進(jìn)給，玻璃試件表面產(chǎn)生類似將單點(diǎn)加工沿橫向拖拽產(chǎn)生凹槽的效果。

準(zhǔn)分子激光主要依靠掩膜投影和拖動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)在玻璃表面加工出微觀結(jié)構(gòu)單元，通常由兩個(gè)步驟加工而成。首先，玻璃工件被安裝在計(jì)算機(jī)數(shù)控工作臺(tái)上沿著加工方向形成第一個(gè)加工凹槽，步進(jìn)式地重復(fù)此過(guò)程形成第二個(gè)凹槽，并與第一個(gè)凹槽有部分重疊區(qū)域。依此類推沿著相同加工方向形成若干個(gè)凹槽；然后，控制工作臺(tái)y向進(jìn)給將要加工的玻璃工件沿著與先前加工方向成90°正交的方向運(yùn)行相同的程序繼續(xù)重復(fù)周期性的凹槽加工。

材料燒蝕是表面上聚集的光束能量的函數(shù)。投射的激光能量可以通過(guò)掩模孔徑尺寸來(lái)控制。圓形和正方形掩?？梢援a(chǎn)生相似的燒蝕深度。與圓形掩模相比，使用正方形掩模加工后，凹槽的底部產(chǎn)生了更清晰銳利的邊緣和梯度深度而不是單純的凹坑排布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中間。這是因?yàn)槭褂梅叫窝谀?huì)有更多的材料燒蝕發(fā)生在凹槽邊緣，并且這樣形成的微觀結(jié)構(gòu)更有利于鍍銅的滯留，從而提高粘附性。等邊三角形掩模在拖拽過(guò)程中會(huì)在玻璃表面產(chǎn)生斜坡結(jié)構(gòu)，沿著加工軌跡，掩?？讖降牡撞窟吘壷丿B部分遠(yuǎn)大于頂部，即更多的表面材料燒蝕會(huì)發(fā)生在重疊面積大的底部。對(duì)于三角形掩模，其尺寸和方向均會(huì)產(chǎn)生很大影響。采用相同的激光加工參數(shù)時(shí)，等腰鈍角三角形掩模產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)比等腰直角三角形掩模產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)更深。這種微觀斜坡結(jié)構(gòu)有助于提高玻璃基板和鍍銅的接觸面積，從而改善銅/玻璃的粘附性能。

一系列具有不同復(fù)雜形貌的微觀結(jié)構(gòu)表面的玻璃試樣就可以通過(guò)改變掩膜的幾何形狀和尺寸以及激光的操作參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程。例如：典型的網(wǎng)格狀微結(jié)構(gòu)單元的表面可以通過(guò)使用正方形或者圓形的掩膜得到。典型的金字塔狀微結(jié)構(gòu)單元表面可以通過(guò)使用三角形的掩膜得到。凹槽是復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的基本元素。這些經(jīng)過(guò)加工的凹槽提供了通過(guò)拖拽過(guò)程加工平行、垂直或有角度的凹槽的可能性，進(jìn)一步在玻璃表面制造各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。同時(shí)，平行、垂直或傾角也反映出同方向、垂直方向、多個(gè)不同加工方向?qū)ΣＡП砻嫘蚊矌?lái)的影響。

表面形貌由大尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和微觀粗糙度分量組成。大尺度結(jié)構(gòu)是由掩模幾何尺寸的投影和相鄰凹槽的節(jié)距決定。較小的掩模尺寸和較小的節(jié)距能夠產(chǎn)生更好的加工效果，產(chǎn)生更有力的粘附強(qiáng)度。微觀粗糙度受到激光加工參數(shù)如能量密度、單位面積上的脈沖個(gè)數(shù)和重復(fù)頻率等的影響。通過(guò)改變激光加工參數(shù)可以得到不同的蝕刻深度及三維表面粗糙度特征，改變掩模形狀可在玻璃表面形成不同的紋理圖案，并產(chǎn)生大小可控的粘附力，改善了玻璃上鍍銅的粘附性，從而提高了玻璃鍍膜的質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)最好的粘附效果，系統(tǒng)研究每個(gè)加工參數(shù)的影響，然后對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)改變激光加工的能量密度、單位面積射出的脈沖數(shù)、重復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)加工效果的控制，有助于最大限度地利用激光能量，減少加工時(shí)間。此外，刻蝕深度取決于激光的能量密度和單位面積上的脈沖個(gè)數(shù)，因而可以通過(guò)提高能量密度、單位面積上的脈沖個(gè)數(shù)和激光脈沖重復(fù)頻率來(lái)提高加工的均勻性。

一種在玻璃表面產(chǎn)生規(guī)則紋理結(jié)構(gòu)以提高玻璃基板與銅膜之間的界面連接強(qiáng)度的加工方法，

具體包括以下步驟：

選取合適的試樣并進(jìn)行表面清潔，所述的cmg玻璃基板的平面尺寸為40mmx40mm,厚度為100μm。將被加工試樣放置在工作臺(tái)上，調(diào)整工作臺(tái)使激光束對(duì)準(zhǔn)加工位置。

在加工前，必須根據(jù)試樣的厚度對(duì)準(zhǔn)分子激光焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，以保證激光加工質(zhì)量。在激光燒蝕過(guò)程中，工作臺(tái)可以在x和y方向移動(dòng)、z方向上旋轉(zhuǎn)。調(diào)整工作臺(tái)使試件在操作過(guò)程中始終保持與激光束垂直。

根據(jù)焦點(diǎn)位置調(diào)整玻璃基板到焦平面的距離，經(jīng)過(guò)對(duì)比聚焦和散焦情況下的加工效果。根據(jù)表面粗糙度三維參數(shù)值大小，確定試樣在焦平面以下2mm位置處更容易加工出粗糙表面且顯著提高鍍膜連接強(qiáng)度。

采用圓形、正方形、三角形掩模依次進(jìn)行單方向凹槽加工。固定激光與掩模不動(dòng)(掩模固定在掩模支架上)，在加工過(guò)程中，通過(guò)工作臺(tái)的橫向進(jìn)給，玻璃試件表面產(chǎn)生類似將單點(diǎn)加工沿橫向拖拽產(chǎn)生凹槽的效果。

依次探究重復(fù)頻率、能量密度、單位面積上的脈沖個(gè)數(shù)對(duì)蝕刻深度、加工質(zhì)量的影響。固定脈沖持續(xù)時(shí)間為20ns,綜合考慮加工質(zhì)量和加工時(shí)間來(lái)設(shè)置加工參數(shù)值，確定最優(yōu)加工參數(shù)為：能量密度2.2或2.4j/cm²，激光器輸出脈沖能量220或250mj，單位面積上的脈沖個(gè)數(shù)5-20，節(jié)距30-200μm.

兩個(gè)方向的加工通常由兩個(gè)步驟組成。首先，cmg玻璃基板被安裝在計(jì)算機(jī)數(shù)控工作臺(tái)上沿著加工方向形成第一個(gè)加工凹槽，步進(jìn)式地重復(fù)此過(guò)程形成第二個(gè)凹槽，并與第一個(gè)凹槽有部分重疊區(qū)域。依此類推沿著相同加工方向形成若干個(gè)凹槽；然后，控制工作臺(tái)y向進(jìn)給將要加工的cmg玻璃基板沿著與先前加工方向成90°正交的方向運(yùn)行相同的程序繼續(xù)重復(fù)周期性的凹槽加工。圖1為采用圓形掩模兩個(gè)方向加工原理圖。

三個(gè)方向加工同理分為三個(gè)步驟。首先,cmg玻璃基板安裝在工作臺(tái)上以一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的恒定速度沿著一個(gè)方向并保持一定距間距(30μm至700μm)移動(dòng),形成第一個(gè)凹槽。平行于第一個(gè)加工一批同方向的凹槽，根據(jù)設(shè)定的基板與掩模尺寸確定每批平行凹槽的個(gè)數(shù)。其次,將玻璃試樣旋轉(zhuǎn)60°后加工出第二批同方向的凹槽。第三,在相同的參數(shù)設(shè)置下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)加工樣品60°，加工出第三個(gè)方向上的凹槽。如圖3a、3b所示，三個(gè)方向加工示意圖以及產(chǎn)生的表面形貌。