亚微米厚度材料上的精细结构制作

LPKF ProtoLaser R4可实现最小线宽5μm，最小间距10 μm的加工能力。

激光加工应用广泛，从工业上的厚钢板加工到医学界眼科医生的应用，而当我们将应用领域缩小到绝缘基板上的电气连接并通过激光蚀刻导电层时，可能是加工70μm厚的铜箔，或者加工亚微米厚度的材料。

01 皮秒激光加工的优势

LPKF ProtoLaser R4皮秒激光擅长精细加工基材上的薄金属层。在加工FR4材料上35 μm (1 oz.)的铜层时，其加工效率上可能不如其他ProtoLaser激光系统。然而其真正的优势是通过冷光源加工，没有热效应产生，这对加工薄层材料至关重要。

皮秒激光的两个关键优势：由于非线性效应，每种材料仅吸收特定波长的激光，并且由于短脉冲，在热量扩散到周围材料之前目标材料已经被去除。脉冲频率与加工速度的结合，决定了对目标材料是冷消融或是热消融。

LPKF ProtoLaser激光直写系列设备配备了扫描振镜，这意味着在特定的区域内，激光束可以通过振镜快速偏转。根据脉冲频率和相应的扫描速度，脉冲之间可刚好相连或者无任何重叠。激光设备将根据激光脉冲和材料特定的损伤阈值能量去除部分材料。通过激光参数的调整，找到合适的功率产生多个绝缘沟道从而去除表面基材，而不损伤高吸收率的基底。

02 TUM创新材料制造方法研究μ电极生物传感器

慕尼黑工业大学（TUM）的神经电子学研发团队的一个研究课题是通过创新材料和制造方法研究μ电极生物传感器。因此，短脉冲激光的微细加工效果特别值得期待。TUM提供了两种材料用于进行激光加工测试：70μm聚酰亚胺膜上沉积100nm金层以及1mm厚的玻璃基板上沉积100nm铂层，并确认好了测试样品的设计图形。此外，绝缘焊盘上的标记用于显示定位精度。

测试样品的总尺寸为1.9 x 0.85 mm，四个角上包含了四个标记，每个标记都有四个40 x 40 μm的正方形焊盘，每个间距为20 μm。而其他方形焊盘均为 50 x 50 μm。绝缘焊盘用于钻孔测试。其余五组不同线宽和间距的线进行成对测试。一共有五组，每组有6对。

图1：测试样品，TUM的设计图形

从左往右观察，如果线路宽度第一组为5 μm，第二组为10 μm，每组增加5um以此类推最后一组即为25 μm。而线路和相邻焊盘之间的间距从5增加到10，以此类推最后为25μm。这样精心设计的样品展示了激光加工可以实现的最小线宽和间距以及重新定位的能力。

03 测试一：70μm聚酰亚胺膜上沉积100nm的金层

非常薄的金层对激光的烧蚀会非常敏感。通过极低的激光功率和高脉冲频率，实现了13 μm宽的沟道。激光刀具路径计算设置为15μm的光斑尺寸; 因此，5μm和10μm的绝缘沟道则无法计算（如图2）。轨迹相对15微米刀具存在光斑偏差，所以实际上最小线宽为8μm，最小间距为13μm（如图3）。因为聚酰亚胺对皮秒脉冲有着高吸收率，所以对基底的穿透为12 - 13μm。

图 2：激光刀具路径，绿色线条是围绕着线路和焊盘周围的绝缘线，黄色线条剥除大面积金属层。仅当线间距至少为15 μm 时，才会形成绿色绝缘线。

在 CircuitPro软件中设置将光斑直径降至13 μm，可以实现最小线宽，但是我们没有进行这样的测试。绝缘焊盘上的点是定位测试的一部分。此样品加工时长为43秒。

图3：聚酰亚胺上的金层，最小线宽8μm，最小间距13μm

04 测试二：1mm厚的玻璃基板上沉积100nm铂层

皮秒激光器的优势之一是加工玻璃。短脉冲的超高能量会触发非线性效应 - 产生加工玻璃所需的更高谐波（更高的频率，更短的波长）。当设置的激光参数低于损伤阈值时，激光将以其基本波长穿过玻璃，而没有明显的吸收。

加工1mm厚的玻璃基板上的100nm铂层的样品，基于材料的基本物理属性，LPKF ProtoLaser R4皮秒激光器灵活、精度高， LPKF CircuitPro PL 软件使用范围广，多种材料都可轻松应对。

通过调整各种参数初步测试线路，在材料上得到了9um绝缘沟道。因此，在 CircuitPro PL 软件中设置了新的加工参数，生成的绝缘沟道如图 4 所示。

图 4：激光刀具路径，绿线为焊盘和线路之间计算得到的10um加工轨迹。

图5中的样品加工展示了最小线宽为5 μm，间距为10 μm的微结构。绝缘焊盘上的点是定位重复性测试的标记。样品加工时长为43秒。标记点的单独处理需要4s。

图5：玻璃基板上镀铂层，激光可加工的最小线宽为 5μm，最小间距为 9 μm

05 测试结论

LPKF ProtoLaser R4 适用于加工亚微米厚度材料，高精度加工线宽/间距可至5 μm/10 μm且将基材损坏控制到最小甚至没有。该过程取决于被加工材料的阈值能量，并且可以根据测试情况不同而调整参数。LPKF CircuitPro PL软件灵活，工程师能够根据初步测试定义激光加工参数，并按照新的加工参数重新按照需求完成加工过程。

LPKF ProtoLaser R4：超短脉冲激光应用于研发

很多创新性研发都是基于新的材料，那么精密柔性的加工工具就是至关重要的。

LPKF ProtoLaser R4的优势是将热效应的影响降到最低，适用于敏感材料的微细加工。皮秒“冷光源”超短脉冲激光既可加工标准的FR4基材，也可用于敏感的射频或者柔性基材，还可切割硬质或者烧结的基材比如AL2O3, GaN或者硼硅玻璃。精密激光系统开启了实验室微细加工系统加工新材料的更多可能性。

ProtoLaser R4 即插即用的实验室系统，一级激光等级。激光系统集成了摄像头靶标识别系统，配备了简单易用的LPKF CircuitPro软件，可预设好加工参数。您只需专注于您的解决方案，LPKF ProtoLaser R4激光加工系统随需可用，所想即所得。

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