圖1：皮秒激光系統(tǒng)加工玻璃基材上微流控圖形

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超短脈沖（USP）激光器加工玻璃速度快、精度高，無需任何化學腐蝕過程。USP激光器尤其適合加工玻璃基材上的金屬結構，以及加工玻璃基材本身，比如，微流道。

在電子領域，小型化導致對高度集成的微芯片的需求不斷增加，包括玻璃基板。玻璃基板制造商也因此提供了多種厚度、熱性能、超高電阻和優(yōu)化的涂層玻璃以應對挑戰(zhàn)。而且，不同玻璃在不同激光照射下的光學性能不同。LPKF ProtoLaser R4超短脈沖激光系統(tǒng)對于這些加工任務均能輕松處理。

1.玻璃表面薄膜金屬結構的加工

圖2：ProtoLaser R4加工玻璃，切割邊緣精準，且不會產(chǎn)生任何微裂隙。

玻璃材料表面先被金屬化，隨后進行加工，按照設計圖形，制作成天線、傳感器或導體結構 - 理想情況下，加工過程中完全不會損傷敏感的玻璃基板。傳統(tǒng)加工工藝復雜，仍需昂貴的涂層、曝光并需要通過濕法蝕刻進行化學腐蝕。圖形的制作需要多個連續(xù)工藝步驟，并需要購置包括曝光顯影以及化學藥液槽等設備。

ProtoLaser R4 超短脈沖激光系統(tǒng)通過調整脈沖能量、脈沖頻率和加工速度，可精確去除各種厚度的材料，并且不影響任何底層材料。按照設計圖形，激光對材料分步加工，每步都部分去除和進行圖案化，最終輕松可靠地創(chuàng)建所需的結構。

設置適當?shù)募庸�參�?shù)可確保冷燒蝕，且不會在激光軌道邊緣和玻璃上產(chǎn)生熱效應。甚至玻璃基材的光學性能也幾乎保持不變。

圖3：激光加工預鉆孔玻璃上的導電圖形。得益于靶標識別系統(tǒng)，激光可以在孔間形成不間斷的導電路徑。

激光加工的第一步，集成的攝像頭自動識別被加工材料上的靶標，根據(jù)定義的參考點或基于軟件的基準點。從參考位置開始，將基材放置到真空吸附工作臺，超短脈沖激光器以 10 μm 的定位精度去除金屬層。圖 3 顯示了預鉆孔玻璃上的金屬層上精準對位的電氣連接，該連接是通過對樣品的精準對準、位置檢測和精確激光燒蝕而創(chuàng)建的。圖 4 展示的是玻璃基材上的電容結構，線寬/間距僅為 15/25 μm。

圖4：50nm厚度的鈦粘合劑將300至400 nm的銅層覆在肖特AF32玻璃基板上，通過PLR4加工金屬層形成電容結構。

2.玻璃上厚金屬鍍層的多個操作步驟

對于玻璃上的厚金屬鍍層，需要根據(jù)精準的厚度進行多次操作。在層厚允許的情況下，高能量激光脈沖可以實現(xiàn)快速加工。隨著金屬層變薄，ProtoLaser R4 會降低激光能量以保護基材。兩個階段的加工方式確保了加工時長和加工質量，可與薄金屬鍍層相媲美，而且將對玻璃基板的影響降到最低（圖5和6）。

圖5：USP超快激光器加工玻璃上初始厚度160 um的金層剖面圖

圖6：玻璃上的全息表面天線

3.玻璃加工 - 切割、鉆孔、微流道

現(xiàn)在，使用激光刻蝕金屬層是許多實驗室的標準做法。得益于超短脈沖激光器，Protolaser R4 僅需一步，即可直接加工玻璃（圖 7）。切割和鉆孔已經(jīng)是常規(guī)應用，超短脈沖激光還可以進行定深加工。

圖7：激光加工玻璃的顯微鏡下畫面：左下角是未加工的玻璃表面，淺灰色條帶是切割表面的微觀側視圖。

在物理學中，通過微流體研究當微流道狹窄到只有幾個分子直徑時液體的力學特性。在化學中，通過微流體研究涉及皮升體積的化學反應，而在生物學中，通過微流體可分離出單個細胞，并對其進行生物體內(nèi)的化學實驗。其共同之處在于均是處理µL、nL或pL范圍內(nèi)的微量液體體積。微流控電路在亞毫米或亞微米范圍內(nèi)運行，使芯片實驗室應用成為可能，如可穿戴設備、自動葡萄糖監(jiān)測和快速血液或糞便檢測。

微流控中涉及的材料通常是PDMS, PMMA, COC, LTCC以及玻璃。雖然所有這些材料都可用于樣品制作，但玻璃比其他微流控材料有著更明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)工藝包括昂貴的濕法腐蝕，光刻和化學蝕刻，限制了它的使用。如今，超精細的微流體通道可以通過ProtoLaser R4超短脈沖激光加工，無需任何化學腐蝕工藝，一步成型。

通過研究BF33或Mepax玻璃的微流控設計工藝步驟，展示了從CAD設計到最終成品玻璃樣品的簡單過程。德國耶拿的肖特BF33是一種高性能硼硅酸鹽玻璃。這款玻璃在可見光、近紅外和紫外波長范圍內(nèi)有著高透明度。其視覺質量和光學清晰度加上其高耐化學性和抗沖擊性，使其成為包括微流控實驗室應用的理想選擇。

由于BF33玻璃在低紫外波長下的高光透射率，需要使用短脈沖激光器進行處理，在這種情況下，實驗使用了ProtoLaser R4皮秒激光器(波長515 nm)。設計圖形尺寸為46mmx10mm，通道寬度為150um(圖8)。圖9顯示了不同厚度的肖特BF33玻璃在紫外范圍內(nèi)的透射率，雖然該型號玻璃的透射率很高，但超快脈沖的能量可對其進行反復處理。

圖8：微流控的CAD 二維設計圖

圖9：不同厚度的肖特BF33高硼硅玻璃在紫外激光下的透射率

雖然對這種材料的鉆孔和切割均有確定的參數(shù)，但定深加工還沒有確認過。在復雜的實驗中，設置了40um定深加工的參數(shù)，本次整個樣品加工時間為31分鐘。

玻璃鉆孔和定深加工應用展示

隨后使用基恩士的激光顯微鏡進行測量，結果顯示深度為42 um。經(jīng)過超聲波清洗，加工過程中產(chǎn)生的污染完全被去除。加工區(qū)域的表面光滑度為 Ra = 0.6 um，這也證明了此加工系統(tǒng)對要求嚴苛的微流控應用的適用性（圖 10）。

通過進一步的測試，包括在肖特Mepax 0.3 mm玻璃上，也證實了該方法的適用性。當然，開窗的蓋板玻璃也可以使用激光進行加工，且不會損傷任何涂層。

圖10 ：超聲波清洗后的溝道圖片

4.多個應用  一步成型

從設計到完成樣品制作只需一個小時，這在傳統(tǒng)的玻璃加工中是完全不可能的。LPKF ProtoLaser R4不需要多個加工步驟，只需要CAD設計圖紙即可直接用激光加工圖形，大大加快了研發(fā)進程，減少了等待時間，無需任何化學蝕刻步驟，并且因為其超高的控制精度，在絕大多數(shù)情況下都超過傳統(tǒng)工藝的加工品質。

文章來源：LPKF樂普科

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