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摘要：现阶段，在对薄膜电阻膜层利用激光直写时，杂质污染问题容易出现，同时薄膜层的粗糙度与厚度很难降低。为解决上述问题，对激光直写微电路性能进行改善，进行相关试验，对激光光斑能量分布及薄膜线宽关系进行分析，获取比光斑直径小的线宽导电薄膜。从试验结果来看，降低离焦量或增加扫描速度，会降低导线宽度与光斑重叠率。同时，功率过高可能导致烧蚀损坏薄膜，而功率过低，又难以熔化靶材。
关键词：脉冲光纤激光；激光直写；金属薄膜；微电路
激光直写布线是在基底利用激光束扫描，将导电材料置于绝缘基板生成导电薄膜。该方法具有价格低廉、简单方便、柔性程度高、生产时间短等优势，在绝缘基板表面可快捷方便的形成复杂微电阻，在多样化生产中非常适用。近些年，在改进膜性能及激光直写导线技术方面，进行了大量的研究，但在柔性布线方面还存在一些难题，为使绝缘基底与导电靶材的相容性与吸附性得到改善，往往在电膜直写时，还需要加入粘结剂等辅料，而辅料的加入导致薄膜污染问题的出现，并且激光直写时对薄膜的厚度及表面粗糙度难以控制。基于上述问题的存在，近年来研究也不断深入，随着光纤激光器的高柔性化程度、良好的光束质量及小型化的发展，本文通过在试验金属粉末中不加入敷料，进行直写薄膜研究，利用Zn/Al混合，制作出导线性能良好、表面质量较高的薄膜导线，效果较为理想。
1、金属薄膜电阻的特性
现代材料中，薄膜材料属于重要分支。薄膜的厚度与其力学、磁学、化学、光学等物理性质有直接的关系，所以针对金属薄膜电阻率与薄膜的厚度关系也是研究的重点，主要是由于金属薄膜属于微管二维结构理论及宏观电阻量的交点。相关研究显示，基片沉积量、蒸发量对薄膜的厚度有直接影响，与蒸发功率、材料、蒸发源、蒸发时间及基片情形、位置尺寸等一系列状态有关。对于金属薄膜电阻来说，其物理机制因具有连续与不连续薄膜的特点，所以表面的粗糙程度与电阻率有直接关系。此外，薄膜形成后及薄膜生长的过程中电阻率都会发生改变。在薄膜材料测量方法方面干涉法、光强透过法及四探针法等已经得到广泛应用。金属薄膜电阻在实际应用中具有高热传导瓷心、高稳定金属皮膜、高绝缘性、高耐溶剂性、焊锡性良好等特性，但与碳膜电阻相比，金属薄膜电阻的成本较好，因此在高稳定性及精密性要求高的电阻器中应用广泛。
2、实验方法
为解决加入敷料带来的污染问题，在玻璃基板表面直接均匀摊铺金属粉末，通过激光光束直接作用于粉末靶材。在粉末与基板的接触面上聚焦激光束，熔化的粉末在玻璃基底形成导线。采用Zn/Al混合金属粉末作为靶材，Zn：Al=0.05：0.95，纯度分别为99.9%和99.79%，平均粒径分别为6?m与74?m。基板为普通玻璃，厚度1.02mm。实验用脉冲光纤激光器（美国IPG公司），光斑直径50?m，中心波长1064nm，脉冲频率20-80kHz；利用光学显微镜连接CCD视频对微观形貌进行图像摄取，利用扫描电子显微镜与三维表面形貌仪（美国Veeco公司）观察，对样品导线性能采用霍尔测试系统测试。
3、结果与讨论
3.1光斑能量分布的影响
上式为能量密度定义式，表示光斑的平均能量密度与功率，为扫描速度，为光斑有效作用尺寸，此外，焦点位置的能量分布对光斑各点能量密度也有影响。试验中，按高斯分布的光纤激光能量，将靶材分为内、中、外三个区域，越向内，能量密度越高，对形成的薄膜足以产生气化破坏作用，因此该区域薄膜难以保留；中圈区域能够形成薄膜，并且不会受到破坏，所以，在玻璃基底上可以形成一个环形的薄膜区域；外圈部分比中圈部分激光能量密度略低，少量靶材可附着于基板。由于激光能量分布的不均匀小，获得的薄膜线宽比激光焦点的直径更小。现阶段，最小线宽在34.55?m，与中圈圆直径基本一致。
3.2离焦量影响
出射光处经过聚焦透镜的腰半径与束腰离透镜距离间的关系如下式所示：
如图1所示，结合上式，光斑直径在激光束束腰处最小，且该处的能量密度最大，扫描速度与频率相同时，光斑重叠率受离焦量的改变而变化。导线在焦点位置直写时，与光斑相切，导线整体呈链状延伸；离焦量在调整为2nm、4nm与5nm时，光斑间不相切，一定程度上有搭接情况，作用于粉末上的光斑尺寸随着离焦量的增大而增大，搭接的程度也越高，导线线宽增大。在离焦时，靶材受激光光束在轴向不同位置产生作用，因为焦点与光束轴向不同位置存在一段距离，且能量分布不同于焦点，平均能量密度随光斑尺寸的增大而降低。所以离焦时，为了达到靶材熔化的能量阈值，要将激光输出功率提高。
3.3扫描速度的影响
对于激光脉冲式扫描而言，属于连续扫描，随着扫描速度与扫描频率的变化，光斑中心间的距离也相应变化，在热传导作用下，临近的光斑间热量处于累加的状态。以不同扫描速度为例，所生成的薄膜导线，在500mm/s扫描速度下，光斑间重叠率非常高，因此造成大量热量积累，形成的薄膜表面受到严重破坏，薄膜的导电性能也受烧焦现象的影响出现不良情况。在1000mm/s扫描速度下，光斑之间刚好处于相切的状态，如果扫描速度进一步增大，则光斑间的距离会逐渐拉开，光斑彼此间的热影响程度降低。从导线宽度与扫描速度之间的关系来看（图2），导线生成过程受光斑的能量累积影响比较大，扫描速度越低，能量累积程度较高，并且向扫描的两侧扩散，周边的金属粉末在热能影响下出现熔化，在基板上附着形成宽导线；随着扫描速度的增加，热能积累减少，导线的宽度也逐渐降低。但即便是在光斑之间刚好处于相切时，导线宽度也只比中圈直径35?m略大，主要是因为热传导造成扫描线前作用区域对护作用区域存在预热作用。在1200mm/s扫描速度以上时，可以忽略预热作用，所以导线的宽度也基本保持在35?m左右。
3.4显微分析
对了对锌膜与掺铝锌膜的特點进行对比说明，采用的工艺参数均相同，其中v=1000mm/s，f=20kHz，P=4W，d=0.02nm，进行直写锌膜与直写Zn/Al混合薄膜试验，宏观角度上来看，二者的区别不明显。但通过扫描电子显微镜放大2万倍再观察发现，在颗粒度上，混合薄膜与锌膜区别比较明显。激光直写锌膜表面颗粒的尺寸范围处于10-150nm之间，而混合薄膜颗粒尺寸处于50-500nm之间。从结果来看，对于Zn和Al在基板的相容性与吸附性方面，Zn明显优于Al，所以，继续用纯铝粉试验发现导线的连续性变差。由此可见激光直写混合膜时，Zn可看做是Al的粘结剂，在熔化Al后，其能与Zn在玻璃基板上充分接触，形成薄膜。从显微镜中可观察到，锌膜颗粒比较均匀，而混合膜则颗粒大小不一，形成多晶混合物导电膜。
4、结论
采用脉冲光纤激光在不加辅助材料条件下，在玻璃基板上对金属薄膜层进行直写试验，试验取得较好的效果。对导线宽度较小及薄膜粗糙度较高的情况，通过优化参数后得到解决，薄膜的厚度可控制在亚微米级。薄膜在光斑径向上的分布受激光光斑能量分布的影响而不均匀，通过对扫描速度、离焦量的改变，在粉末靶材熔化阈值范围内可对光斑重叠率大小进行调节，实现对薄膜线宽的改变。试验结果显示，与Zn/Al混合膜相比，Zn粉与玻璃基底的相容性与吸附性更好，锌膜颗粒分布更均匀。
参考文献
[1]石永山.国外光纤激光器研究进展[J].光电技术应用，2013，06（17）：1-5+12.
[2]粟荣涛，王小林，周朴，等.高功率脉冲光纤激光光束合成的最新研究进展[J].激光与光电子学进展，2011，10（13）：32-40.
[3]徐国建，李响，杭争翔，等.高强钢的光纤激光焊接性能[J].沈阳工业大学学报，2014，05（25）：492-497.
[4]唐武，邓龙江，徐可为.金属薄膜电阻率与表面粗糙度、残余应力的关系[J].稀有金属材料与工程，2015，04（19）：617-620.
[5]吴平，邱宏，黄筱玲，等.金属薄膜制备及物性测量系列实验[J].大学物理，2013，05（08）：39-41.
关键词：脉冲光纤激光；激光直写；金属薄膜；微电路
激光直写布线是在基底利用激光束扫描，将导电材料置于绝缘基板生成导电薄膜。该方法具有价格低廉、简单方便、柔性程度高、生产时间短等优势，在绝缘基板表面可快捷方便的形成复杂微电阻，在多样化生产中非常适用。近些年，在改进膜性能及激光直写导线技术方面，进行了大量的研究，但在柔性布线方面还存在一些难题，为使绝缘基底与导电靶材的相容性与吸附性得到改善，往往在电膜直写时，还需要加入粘结剂等辅料，而辅料的加入导致薄膜污染问题的出现，并且激光直写时对薄膜的厚度及表面粗糙度难以控制。基于上述问题的存在，近年来研究也不断深入，随着光纤激光器的高柔性化程度、良好的光束质量及小型化的发展，本文通过在试验金属粉末中不加入敷料，进行直写薄膜研究，利用Zn/Al混合，制作出导线性能良好、表面质量较高的薄膜导线，效果较为理想。
1、金属薄膜电阻的特性
现代材料中，薄膜材料属于重要分支。薄膜的厚度与其力学、磁学、化学、光学等物理性质有直接的关系，所以针对金属薄膜电阻率与薄膜的厚度关系也是研究的重点，主要是由于金属薄膜属于微管二维结构理论及宏观电阻量的交点。相关研究显示，基片沉积量、蒸发量对薄膜的厚度有直接影响，与蒸发功率、材料、蒸发源、蒸发时间及基片情形、位置尺寸等一系列状态有关。对于金属薄膜电阻来说，其物理机制因具有连续与不连续薄膜的特点，所以表面的粗糙程度与电阻率有直接关系。此外，薄膜形成后及薄膜生长的过程中电阻率都会发生改变。在薄膜材料测量方法方面干涉法、光强透过法及四探针法等已经得到广泛应用。金属薄膜电阻在实际应用中具有高热传导瓷心、高稳定金属皮膜、高绝缘性、高耐溶剂性、焊锡性良好等特性，但与碳膜电阻相比，金属薄膜电阻的成本较好，因此在高稳定性及精密性要求高的电阻器中应用广泛。
2、实验方法
为解决加入敷料带来的污染问题，在玻璃基板表面直接均匀摊铺金属粉末，通过激光光束直接作用于粉末靶材。在粉末与基板的接触面上聚焦激光束，熔化的粉末在玻璃基底形成导线。采用Zn/Al混合金属粉末作为靶材，Zn：Al=0.05：0.95，纯度分别为99.9%和99.79%，平均粒径分别为6?m与74?m。基板为普通玻璃，厚度1.02mm。实验用脉冲光纤激光器（美国IPG公司），光斑直径50?m，中心波长1064nm，脉冲频率20-80kHz；利用光学显微镜连接CCD视频对微观形貌进行图像摄取，利用扫描电子显微镜与三维表面形貌仪（美国Veeco公司）观察，对样品导线性能采用霍尔测试系统测试。
3、结果与讨论
3.1光斑能量分布的影响
上式为能量密度定义式，表示光斑的平均能量密度与功率，为扫描速度，为光斑有效作用尺寸，此外，焦点位置的能量分布对光斑各点能量密度也有影响。试验中，按高斯分布的光纤激光能量，将靶材分为内、中、外三个区域，越向内，能量密度越高，对形成的薄膜足以产生气化破坏作用，因此该区域薄膜难以保留；中圈区域能够形成薄膜，并且不会受到破坏，所以，在玻璃基底上可以形成一个环形的薄膜区域；外圈部分比中圈部分激光能量密度略低，少量靶材可附着于基板。由于激光能量分布的不均匀小，获得的薄膜线宽比激光焦点的直径更小。现阶段，最小线宽在34.55?m，与中圈圆直径基本一致。
3.2离焦量影响
出射光处经过聚焦透镜的腰半径与束腰离透镜距离间的关系如下式所示：
如图1所示，结合上式，光斑直径在激光束束腰处最小，且该处的能量密度最大，扫描速度与频率相同时，光斑重叠率受离焦量的改变而变化。导线在焦点位置直写时，与光斑相切，导线整体呈链状延伸；离焦量在调整为2nm、4nm与5nm时，光斑间不相切，一定程度上有搭接情况，作用于粉末上的光斑尺寸随着离焦量的增大而增大，搭接的程度也越高，导线线宽增大。在离焦时，靶材受激光光束在轴向不同位置产生作用，因为焦点与光束轴向不同位置存在一段距离，且能量分布不同于焦点，平均能量密度随光斑尺寸的增大而降低。所以离焦时，为了达到靶材熔化的能量阈值，要将激光输出功率提高。
3.3扫描速度的影响
对于激光脉冲式扫描而言，属于连续扫描，随着扫描速度与扫描频率的变化，光斑中心间的距离也相应变化，在热传导作用下，临近的光斑间热量处于累加的状态。以不同扫描速度为例，所生成的薄膜导线，在500mm/s扫描速度下，光斑间重叠率非常高，因此造成大量热量积累，形成的薄膜表面受到严重破坏，薄膜的导电性能也受烧焦现象的影响出现不良情况。在1000mm/s扫描速度下，光斑之间刚好处于相切的状态，如果扫描速度进一步增大，则光斑间的距离会逐渐拉开，光斑彼此间的热影响程度降低。从导线宽度与扫描速度之间的关系来看（图2），导线生成过程受光斑的能量累积影响比较大，扫描速度越低，能量累积程度较高，并且向扫描的两侧扩散，周边的金属粉末在热能影响下出现熔化，在基板上附着形成宽导线；随着扫描速度的增加，热能积累减少，导线的宽度也逐渐降低。但即便是在光斑之间刚好处于相切时，导线宽度也只比中圈直径35?m略大，主要是因为热传导造成扫描线前作用区域对护作用区域存在预热作用。在1200mm/s扫描速度以上时，可以忽略预热作用，所以导线的宽度也基本保持在35?m左右。
3.4显微分析
对了对锌膜与掺铝锌膜的特點进行对比说明，采用的工艺参数均相同，其中v=1000mm/s，f=20kHz，P=4W，d=0.02nm，进行直写锌膜与直写Zn/Al混合薄膜试验，宏观角度上来看，二者的区别不明显。但通过扫描电子显微镜放大2万倍再观察发现，在颗粒度上，混合薄膜与锌膜区别比较明显。激光直写锌膜表面颗粒的尺寸范围处于10-150nm之间，而混合薄膜颗粒尺寸处于50-500nm之间。从结果来看，对于Zn和Al在基板的相容性与吸附性方面，Zn明显优于Al，所以，继续用纯铝粉试验发现导线的连续性变差。由此可见激光直写混合膜时，Zn可看做是Al的粘结剂，在熔化Al后，其能与Zn在玻璃基板上充分接触，形成薄膜。从显微镜中可观察到，锌膜颗粒比较均匀，而混合膜则颗粒大小不一，形成多晶混合物导电膜。
4、结论
采用脉冲光纤激光在不加辅助材料条件下，在玻璃基板上对金属薄膜层进行直写试验，试验取得较好的效果。对导线宽度较小及薄膜粗糙度较高的情况，通过优化参数后得到解决，薄膜的厚度可控制在亚微米级。薄膜在光斑径向上的分布受激光光斑能量分布的影响而不均匀，通过对扫描速度、离焦量的改变，在粉末靶材熔化阈值范围内可对光斑重叠率大小进行调节，实现对薄膜线宽的改变。试验结果显示，与Zn/Al混合膜相比，Zn粉与玻璃基底的相容性与吸附性更好，锌膜颗粒分布更均匀。
参考文献
[1]石永山.国外光纤激光器研究进展[J].光电技术应用，2013，06（17）：1-5+12.
[2]粟荣涛，王小林，周朴，等.高功率脉冲光纤激光光束合成的最新研究进展[J].激光与光电子学进展，2011，10（13）：32-40.
[3]徐国建，李响，杭争翔，等.高强钢的光纤激光焊接性能[J].沈阳工业大学学报，2014，05（25）：492-497.
[4]唐武，邓龙江，徐可为.金属薄膜电阻率与表面粗糙度、残余应力的关系[J].稀有金属材料与工程，2015，04（19）：617-620.
[5]吴平，邱宏，黄筱玲，等.金属薄膜制备及物性测量系列实验[J].大学物理，2013，05（08）：39-41.