一種大面積厚GEM的製作工藝

《一種大面積厚GEM的製作工藝》是惠州市金百澤電路科技有限公司和中國科學院高能物理研究所於2014年11月29日申請的專利，該專利的申請號為2014107046453，公布號為CN104465266A，授權公布日為2015年3月25日，發明人是謝宇廣、吳軍權、呂軍光、陳春、武守坤、林映生、唐宏華。

《一種大面積厚GEM的製作工藝》公開了一種大面積厚GEM的製作工藝，包括阻焊層覆蓋、雷射開窗、絕緣環加工、通孔成型和阻焊層消褪處理等步驟，採用雷射鑽孔方式，雷射鑽孔開窗和雷射鑽孔通孔成型的雙重定位技術進行厚GEM的加工。該發明大面積厚GEM的製作工藝具有成本低、加工精度高和生產效率高等特點。

2018年12月20日，《一種大面積厚GEM的製作工藝》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種大面積厚GEM的製作工藝》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種大面積厚GEM的製作工藝
• 公布號：CN104465266A
• 授權日：2015年3月25日
• 申請號：2014107046453
• 申請日：2014年11月29日
• 申請人：惠州市金百澤電路科技有限公司、中國科學院高能物理研究所
• 地址：廣東省惠州市大亞灣區響水河龍山六路
• 發明人：謝宇廣、吳軍權、呂軍光、陳春、武守坤、林映生、唐宏華
• Int.Cl.：H01J9/00(2006.01)I、H01J47/00(2006.01)I
• 代理機構：深圳市千納專利代理有限公司
• 代理人：童海霓、劉彥
• 類別：發明專利

專利背景

厚型氣體電子倍增器（Thick Gaseous Electron Multiplier，THGEM，以下稱厚GEM）是在以色列的物理學家A.Breskin於2004年在傳統氣體電子倍增器基礎上提出的一種新型微結構氣體探測器。其特點是利用工業的PCB加工技術，在0.1～1.0毫米的PCB板上通過機械鑽孔形成密集均勻的微孔陣列，且PCB板上、下表面覆導電金屬層（銅）。由於微孔結構的存在，當在上、下兩平面電極附加一定電壓差時，就能夠在通孔內形成很強的電場。將探測器置於工作氣體後，電離電子進入通孔內，在強電場的作用下即發生氣體的雪崩倍增過程，從而實現信號的放大和物理過程的探測。厚GEM結構簡單、成本低、增益高、結實耐用，計數率高，在粒子物理和輻射成像等領域具有廣闊的套用前景。

中國國內外製作厚GEM有四種不同的工藝，都是通過機械鑽孔形成孔陣列，通過化學腐蝕形成絕緣環，只是在工藝順序和細節處理上有所差異。隨著厚GEM性能的不斷提高和技術的不斷成熟，推廣其實際套用成了主要的目標。然而，實際套用的前提是能夠製作較大的尺寸，如>=200*200毫米^2。大面積意味著鑽孔數目高達數十萬，甚至上百萬。採用機械鑽孔的加工方式每分鐘僅能完成數百個孔，要實現大面積厚GEM的製作不僅要求連續鑽孔時間極長（如>24小時），而且需要更換大量鑽頭以保證鑽孔質量，更換頻率約為2000孔/頭，如此在鑽孔過程中也將造成相當大的物耗成本。此外，當孔間距要求≤0.5毫米時，鑽孔的精度要求會顯著提高，而常規的工業化設備定位精度有限，無法滿足加工需求，需要採用精密的數控鑽床進行加工，這進一步形成了大面積製作效率低、成本高和實際套用批量生產需求之間的瓶頸。

因此，發展一種高效率、高精度和成本適宜的厚GEM製作技術成為推動其實際大規模套用的關鍵。

發明內容

專利目的

《一種大面積厚GEM的製作工藝》針對傳統的氣體電子倍增器在加工中存在的加工難度大的問題，提供一種大面積厚GEM的製作工藝，具有成本低廉、加工精度高和生產周期短的優點。

技術方案

《一種大面積厚GEM的製作工藝》包括以下步驟：

第一步、阻焊層覆蓋，對基板進行雙面綠油印製，在基板的雙面覆蓋阻焊層；

第二步、雷射開窗，根據大面積厚GEM的分布要求，在第一步所得的覆蓋有阻焊層的基板上採用雷射對孔環位進行阻焊開窗，形成通孔的雷射窗位

第三步、絕緣環加工，把第二步所得雷射開窗處理後的基板先採用等離子清洗工藝去除雷射開窗後殘餘銅面的保護膜，然後側蝕方式精確蝕刻絕緣環，完成雷射窗位的二次蝕刻規整限位。得到雷射窗位的絕緣環；

第四步、通孔成型，調節雷射發生器雷射照射方向對準經過第三步二次蝕刻規整限位處理的絕緣環的圓心對齊定位，從基板的雙面同時進行雷射鑽孔通孔成型，在基板上均勻形成與絕緣環高同心度高的雷射通孔；

第五步、阻焊層消褪處理，把經過第四步通孔成型處理的基板進行阻焊層消褪處理，去除基板通孔成型後殘餘的阻焊層。

在第二步中的雷射開窗和第四步中採用雷射通孔成型，充分發揮雷射發生器的對位精度高的特點，可以使制板的重複定位精準度達±5微米，最終得到與絕緣環高同心度雷射通孔，第三步採用等離子清洗和側蝕方式，有效保證了絕緣環內部的規整程度，有效保證雷射照射絕緣環圓心的同心效果。第四步通孔成型採用通孔採用雷射雙面加工，可得到高真圓度通孔孔型，且孔徑尺寸偏差可以有效降低。

進一步地，第三步所述等離子清洗工藝使用的清洗介質為四氟化碳和氧氣的混合氣，所述混合氣的體積配比四氟化碳：氧氣為5:2，有效清除阻焊層覆蓋後在基板銅面殘留的氧化層，確保絕緣環的側蝕的蝕刻效果。

進一步地，第一步所述的阻焊層覆蓋包括阻焊前處理、阻焊印刷和阻焊固化步驟，有效保證了阻焊層的結合效果。

進一步地，第一步阻焊層覆蓋所用的基板是以銅箔為原材料通過開料、棕化和疊板壓合步驟加工形成的。為了保證後續阻焊層覆蓋的效果，在進行疊板壓合時要注意銅箔反壓毛面向外以降低銅牙放電對阻焊層結合效果的破壞，必要時還需要在壓合後進行砂帶磨板削除表面銅牙。

進一步地，完成第五步阻焊層消褪處理的基板還包括後處理工序，所述後處理工序包括噴砂、外層線路製造、圖電金和耐高壓測試，最終獲得成品。

優選地，所述雷射通孔的孔徑為0.05毫米～1.0毫米，相對於機械鑽孔，其孔徑更小，可滿足更高的加工要求。

優選地，所述雷射通孔的孔距為0.15毫米～10.0毫米，相對於機械鑽孔，其孔距更小，可滿足更高的加工要求。

優選地，第二步所述雷射開窗和第四步所述通孔成型的雷射定位的精度≤40微米，相對於機械鑽孔，其精度更高，可滿足更高的加工要求。

有益效果

第一、成本低，通過採用雷射鑽孔代替傳統的機械鑽孔方式，顯著降低鑽孔鑽偏的缺陷，可以有效提高成品率，進行規模化生產，有效節約材料成本和減少加工損耗成本；

第二、加工精度高，採用雷射鑽孔方式進行雷射開窗和通孔成型，既可以保證有效利用雷射鑽孔精度的優點，又實現雙重對位保證絕緣環與雷射通孔的同心度，同時雷射雙面通孔加工也可以有效保證通孔的高真圓度和減少孔徑尺寸偏差，進一步提高加工的精度；

第三、生產效率高，通過雷射鑽孔方式代替傳統的機械鑽孔，加工速度快，可達到10000孔/秒，生產效率顯著提高，大大縮短生產周期；

第四、操作方便，雷射鑽孔方式自動化程度高，絕緣環加工採用的等離子清洗和側蝕方式可以規模化進行，直接提高操作的便捷性；

第五、一致性好。通過在雷射開窗和通孔成型之間加入絕緣環加工工序，有效避免雷射開窗鑽孔殘留氧化膜對通孔成型的影響，保證保證絕緣環與雷射通孔的同心度，減少孔徑尺寸偏差，提升加工的一致性。

附圖說明

附圖1為《一種大面積厚GEM的製作工藝》大面積厚GEM的製作工藝的工藝流程圖；

附圖2為雷射打孔與機械鑽孔厚GEM的增益曲線對比圖；

附圖3為雷射打孔與機械鑽孔厚GEM的增益穩定性對比圖；

附圖4為雷射打孔與機械鑽孔厚GEM的能量分辨對比圖。

技術領域

《一種大面積厚GEM的製作工藝》涉及氣體電子倍增器技術領域，具體是指一種大面積厚GEM的製作工藝。

權利要求

1.《一種大面積厚GEM的製作工藝》特徵在於包括以下步驟：第一步、阻焊層覆蓋，對基板進行雙面綠油印製，在基板的雙面覆蓋阻焊層；第二步、雷射開窗，根據大面積厚GEM的分布要求，在第一步所得的覆蓋有阻焊層的基板上採用雷射對孔環位進行阻焊開窗，形成通孔的雷射窗位第三步、絕緣環加工，把第二步所得雷射開窗處理後的基板先採用等離子清洗工藝去除雷射開窗後殘餘銅面的保護膜，然後側蝕方式精確蝕刻絕緣環，完成雷射窗位的二次蝕刻規整限位，得到雷射窗位的絕緣環；第四步、通孔成型，調節雷射發生器雷射照射方向對準經過第三步二次蝕刻規整限位處理的絕緣環的圓心對齊定位，從基板的雙面同時進行雷射鑽孔通孔成型，在基板上均勻形成與絕緣環高同心度的雷射通孔；第五步、阻焊層消褪處理，把經過第四步通孔成型處理的基板進行阻焊層消褪處理，去除基板通孔成型後殘餘的阻焊層。

2.根據權利要求1所述的大面積厚GEM的製作工藝，其特徵在於：第三步所述等離子清洗工藝使用的清洗介質為四氟化碳和氧氣的混合氣，所述混合氣的體積配比四氟化碳：氧氣為5:2。

3.根據權利要求1或2所述的大面積厚GEM的製作工藝，其特徵在於：第一步所述的阻焊層覆蓋包括阻焊前處理、阻焊印刷和阻焊固化步驟。

4.根據權利要求3所述的大面積厚GEM的製作工藝，其特徵在於：第一步阻焊層覆蓋所用的基板是通過開料、棕化和疊板壓合步驟加工形成的。

5.根據權利要求4所述的大面積厚GEM的製作工藝，其特徵在於：完成第五步阻焊層消褪處理的基板還包括後處理工序，所述後處理工序包括噴砂、外層線路製造、圖電金和耐高壓測試。

6.根據權利要求5所述的大面積厚GEM的製作工藝，其特徵在於：所述雷射通孔的孔徑為0.05毫米～1.0毫米。

7.根據權利要求6所述的大面積厚GEM的製作工藝，其特徵在於：所述雷射通孔的孔距為0.15毫米～10.0毫米。

8.根據權利要求7所述的大面積厚GEM的製作工藝，其特徵在於：第二步所述雷射開窗和第四步所述通孔成型的雷射定位的精度≤40微米。

實施方式

如圖1所示，《一種大面積厚GEM的製作工藝》在進行大面積厚GEM加工前，以銅箔為原材料通過開料、棕化和疊板壓合步驟加工形成基板。根據基板表面的銅牙狀況進行砂帶磨板進一步消除表面銅牙，然後按照如下工序進行加工：。

第一步、阻焊層覆蓋，對基板進行雙面綠油印製，在基板的雙面覆蓋阻焊層，此步包括阻焊前處理、阻焊印刷和阻焊固化等工序；

第二步、雷射開窗，根據大面積厚GEM的分布要求，在第一步所得的覆蓋有阻焊層的基板上採用雷射對孔環位進行阻焊開窗，形成通孔的雷射窗位，在加工過程中控制雷射定位的精度≤40微米；

第三步、絕緣環加工，把第二步所得雷射開窗處理後的基板先採用等離子清洗工藝去除雷射開窗後殘餘銅面的保護膜，然後側蝕方式精確蝕刻絕緣環，完成雷射窗位的二次蝕刻規整限位。得到雷射窗位的絕緣環，此步中所述等離子清洗工藝使用的清洗介質為四氟化碳和氧氣的混合氣，所述混合氣的體積配比四氟化碳：氧氣為5:2；

第四步、通孔成型，調節雷射發生器雷射照射方向對準經過第三步二次蝕刻規整限位處理的絕緣環的圓心對齊定位，從基板的雙面同時進行雷射鑽孔通孔成型，在基板上均勻形成與絕緣環高同心度高的雷射通孔。在加工過程中控制雷射定位的精度≤40微米，雷射通孔的孔徑為0.05毫米～1.0毫米，雷射通孔的孔距為0.15毫米～10.0毫米；

第五步、阻焊層消褪處理，把經過第四步通孔成型處理的基板進行阻焊層消褪處理，去除基板通孔成型後殘餘的阻焊層

完成第五步阻焊層消褪處理的基板進入後處理工序，所述後處理工序包括噴砂、外層線路製造、圖電金和耐高壓測試等步驟。

為了進一步說明《一種大面積厚GEM的製作工藝》所述一種大面積厚型電子倍增器的效果，我們同時對該法雷射製版製備的大面積厚GEM和採用傳統機械鑽孔方式的厚GEM進行工藝效果對比，對接結果如表1所示：

表1工藝效果對比表

項目	雷射鑽孔厚型氣體電子倍增器	機械鑽孔厚型氣體電子倍增器
孔徑	100微米	150微米
孔間距	300微米	400微米
厚度	100微米	100微米
Rim	20微米	70微米
本徵解析度	87微米	116微米

從表1可以看到，採用厚度相同的基板進行加工，採用雷射鑽孔方式的厚GEM可加工的孔徑、孔間距和rim更小，本徵解析度更高，說明採用雷射鑽孔方式的厚GEM較機械鑽孔方式製備的厚型氣體電子倍增管精度更高。

同時，為了進一步從增益效果上說明採用《一種大面積厚GEM的製作工藝》製備方法製備的厚GEM的性能，分別對雷射鑽孔方式和機械鑽孔方式製備的厚GEM進行增益、增益穩定性和能量分辨測試，具體如圖2、圖3、圖4所示。在附圖2中，上側為雷射制板增益效果曲線，下側為機械制板增益效果曲線；在附圖3中，上側為雷射制板增益穩定性曲線，下側為機械制板增益穩定性曲線；在附圖4中，上側為雷射制板能量分辨圖譜，下側為機械制板能量分辨圖譜。圖2、圖3和圖4的結果表明，採用雷射打孔方式製作厚GEM可以得到與機械鑽孔方式厚GEM的相同性能，甚至更好，而其可達到的本徵解析度更小，且能在更低的電壓下獲得較大增益，能量分辨也有更大的的提升空間。

榮譽表彰

2018年12月20日，《一種大面積厚GEM的製作工藝》獲得第二十屆中國專利優秀獎。