PCB行業(yè)HDI產(chǎn)品的激光打孔技術(shù)和常見問題的解決

由于微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，使得印制電路板的制造朝著積層化、多功能化的方向發(fā)展，使得印刷電路圖形線形精細(xì)、微孔化間距縮小，因此在加工過程中所采用的機(jī)械方式已不能滿足要求，而快速發(fā)展起來的微孔加工方法即激光鉆孔技術(shù)就是其中之一。

激光打孔原理：

當(dāng)“光線”受到外界刺激時(shí)，激光會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)度很高的光束，這種光束在增加能量時(shí)會(huì)產(chǎn)生紅外線和可見光，而紫外光則具有光學(xué)能量。這類光射入工件表面后，會(huì)出現(xiàn)反射、吸收、穿透三種現(xiàn)象。

通過光的選擇擊打在基材上的激光光點(diǎn)，它的構(gòu)成有多種方式，與被照點(diǎn)的反應(yīng)可分為三種類型。

其主要作用是能迅速清除被加工基材，主要靠光熱燒蝕和光化學(xué)燒蝕或稱切除。

(1)光熱消融：是指經(jīng)過處理的材料吸收高能激光，在極短的時(shí)間內(nèi)加熱至熔融，然后蒸發(fā)成孔的原理。本發(fā)明的工藝方法在基材受到高能作用時(shí)，在所形成的孔壁上有燒黑的炭化殘?jiān)仨毲宄蟛拍苓M(jìn)行孔化。

(2)光化學(xué)燒蝕：是由于在紫外波段(2eV以上的電子伏特)產(chǎn)生高光子能量，而在400納米以上的激光波長下產(chǎn)生高能量的光子。這類高能光子會(huì)破壞有機(jī)材料的長分子鏈，變成較小的粒子，而高能光子則會(huì)比原來的分子大，并在外力作用下釋放出來，使基板材料迅速脫去形成微孔。所以不同的工藝方法，不含熱燒，也就不會(huì)產(chǎn)生炭化現(xiàn)象。因此，孔化之前清理非常簡(jiǎn)單。

上述是激光成孔技術(shù)的基本原理。現(xiàn)有的激光打孔方法中，以印刷電路板打孔為主的CO2氣體激光器和UV固態(tài)Nd:YAG激光打孔最為常見。

在基片吸收方面：激光成功率的高低直接關(guān)系到基片材料的吸收速率。印刷電路板是由銅箔與玻璃布和樹脂組合而成，這三種材料的吸光度也各不相同，其中銅箔與玻璃布在紫外光0.3mμ以下的地方吸光度較高，但在進(jìn)入可見光IR和紅外光譜后，吸光度下降幅度較大。而有機(jī)樹脂材料在三段譜上，均可保持較高的吸光度。樹脂材料所具有的這一特點(diǎn)，是目前激光器生產(chǎn)工藝中普遍采用的基礎(chǔ)。

CO2激光成孔技術(shù)有多種方法：

CO2激光成孔的鉆探方法主要有兩種：直接成孔法和包膜成孔法。采用直接成孔工藝，即將光束通過設(shè)備主控制系統(tǒng)調(diào)制到與被加工印制電路板相同的孔徑，直接在絕緣介質(zhì)表面成孔加工，無需用銅箔作絕緣介質(zhì)。包覆法是將印制板表面包覆一層特殊的掩膜，在此基礎(chǔ)上用常規(guī)的工藝方法經(jīng)曝光/顯影/蝕刻工藝去除包覆孔表面的銅箔表面所形成的包覆窗。再用大于孔徑的激光束照射這些孔，去除暴露介質(zhì)層的樹脂。以下是我們各自的介紹：

（1）開銅窗法：

先將RCC(涂上樹脂的銅箔層)復(fù)壓于內(nèi)層板上，用光化方法制作窗口，然后用蝕刻露出樹脂，再用激光燒除窗口內(nèi)基材材料形成微盲孔：

經(jīng)過增強(qiáng)后，光束通過光圈到達(dá)兩組電流計(jì)式的微動(dòng)反射掃描鏡，經(jīng)過一次垂直對(duì)準(zhǔn)(F-θ透鏡)，到達(dá)可以進(jìn)行激振臺(tái)表面的管區(qū)，然后逐個(gè)燒成微盲孔。

利用電子快束進(jìn)行此定位后，在1平方英寸的小區(qū)域內(nèi)，對(duì)0.15毫米的盲孔可以打三個(gè)成孔。在這種情況下，第一波的脈沖寬度大約是15微秒，提供能量達(dá)到成孔的目的。該槍還被用來清除孔壁底部的殘?jiān)托拚锥础?/p>

在0.15毫米的微盲孔中，采用激光能量控制SEM截面和45度全圖，此種開窗成孔方法，當(dāng)?shù)讐|(靶標(biāo)圓盤)不大時(shí)，則采用大排版或二階盲孔，這種方法較難實(shí)現(xiàn)。

（2）打開大窗程序方法：

前者成孔的直徑與所開銅窗的直徑相同，若稍作加壓，就會(huì)使所開窗口的位置產(chǎn)生偏差，造成成孔的盲孔位置走位，造成與底墊中心不一致的問題。這種銅窗偏移的原因，很可能與基材的升縮和影像傳遞所采用的底片變形有關(guān)。因此采用工藝方法打開銅窗，即將銅窗直徑增大到0.05mm左右，比底墊還大(通常根據(jù)孔徑大小確定)，當(dāng)孔徑為0.15mm時(shí)，底墊直徑應(yīng)在0.25mm左右，其大窗口直徑為0.30mm)，然后進(jìn)行激光照射，即可燒出微盲孔，位置準(zhǔn)確，可用于制作精確的銅窗底墊。它的主要特點(diǎn)是選擇自由度大，進(jìn)行激光照射時(shí)可選擇另按內(nèi)層底墊的程序打孔。這種方法有效地避免了由于銅窗直徑與孔徑相同所引起的偏置，從而使激光點(diǎn)不能對(duì)準(zhǔn)正窗口，從而導(dǎo)致大量的大尺寸拼板表面有很多半孔或殘孔。

（3）樹脂表面的直接成孔技術(shù)：

有幾種類型的工藝方法可用于激光成孔進(jìn)行激光器：

基板是用樹脂銅箔在內(nèi)層板上壓涂，然后將銅箔全部蝕刻除去，便可用CO2激光直接在樹脂表面打孔，再繼續(xù)按鍍覆工藝進(jìn)行打孔。

用FR-4半固化片材及銅箔代替涂樹脂銅箔的工藝方法，與用銅箔制作相類似。

涂覆感光樹脂及后續(xù)層壓銅箔的工藝方法。

采用干膜作為介質(zhì)層，與銅箔一起進(jìn)行壓貼工藝制備。

制作其他類型的溫膜和銅箔覆壓的工藝方法所用。

（4）超薄銅箔直接燒蝕的工藝方法：

在用樹脂銅箔兩面壓覆內(nèi)層芯板后，可以用“半腐蝕法”將銅箔厚度17m經(jīng)腐蝕減薄至5微米，再經(jīng)過黑氧化處理，即可獲得CO2激光成孔。

該方法的基本原理是：經(jīng)過氧化處理的黑色表面對(duì)CO2激光具有較強(qiáng)的吸光性，在增加激光束能的前提下，可以直接在超薄銅箔和樹脂表面上穿孔。但是最難的是如何保證“半蝕法”能得到厚度一致的銅層，所以制作時(shí)要特別注意看。背銅式可撕性材料(UTC)當(dāng)然可以使用，銅箔相當(dāng)于薄達(dá)5微米。

針對(duì)這一類型的板材加工，目前在工藝上主要采取如下方法：

此項(xiàng)主要向物料供應(yīng)商提出嚴(yán)格的品質(zhì)及技術(shù)指標(biāo)，以確保介電層厚度在510微米之間。由于只有在相同的激光能量下，才能保證涂樹脂銅箔基材的介質(zhì)厚度的均勻性，才能保證孔型的準(zhǔn)確性和孔底的清潔度。在下一步的加工過程中，應(yīng)選擇最佳的除鉆污工藝條件，以保證激光成孔后盲孔底部清潔無殘留。對(duì)于盲孔的化學(xué)鍍和電鍍都能起到很好的效果。

YAG激光器激光器制程法：

YAG是釹和釔鋁柘榴石。紫外激光是由兩種晶體共同激發(fā)而成。二極管脈沖激發(fā)的激光束，可制成無水冷卻的高效激光密封系統(tǒng)。該激光器中的三次諧波長355nm，四次諧波長266nm，這是一種由光學(xué)晶體制成的激光器。

這類激光器的最大特征是屬于紫外光(UV)帶區(qū)，由覆銅箔層壓板構(gòu)成的銅箔和玻璃纖維在紫外光帶內(nèi)有很強(qiáng)的吸光性，再加上這類激光的光點(diǎn)小能量大，所以能強(qiáng)力穿透銅箔和玻璃布，使其直接穿孔。另外一種激光熱源較小，不像CO2激光器后產(chǎn)生炭渣，為孔壁后續(xù)工序提供了良好的表面處理。

YAG激光技術(shù)可在多種材料上加工徽盲孔和通孔。所述聚酰亞胺覆銅箔層壓板導(dǎo)通孔最小直徑為25微米。通過成本分析，最經(jīng)濟(jì)的使用直徑為25125微米。高速可達(dá)10000孔/秒。直接激光沖孔可以達(dá)到50微米的最大孔徑。成形后的孔內(nèi)表干凈無碳化，易于進(jìn)行加壓。在PTFE覆銅箔層壓板上也可以同樣鉆導(dǎo)通孔，最小孔徑為25微米，最經(jīng)濟(jì)的使用直徑為25125微米。高速可達(dá)4500孔/秒。無需預(yù)先腐蝕出窗。加工出的孔非常干凈，不需要額外的加工工藝要求。也有其他材料的模孔加工等。在具體加工中，可以采用下列工藝方法：

根據(jù)兩種類型激光器的速度采用兩種并行的工藝方法。

工作的基本方法是先用YAG燒蝕孔位上表面的銅箔，然后用CO2激光比YAG的速度快，直接燒蝕樹脂成孔。

生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題。

激光器生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的質(zhì)量問題較多，不準(zhǔn)備全面闡述，只提出最容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題，供同行參考。

開銅窗法測(cè)定CO2激光器的位置和底靶位置之間的失準(zhǔn)。

光束定位系統(tǒng)是光束成形精度極關(guān)鍵的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。雖然利用束流定位系統(tǒng)進(jìn)行精確定位，但由于其他因素的影響，常會(huì)出現(xiàn)空洞變形的缺焰現(xiàn)象。對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題的原因分析如下：

（1）制作內(nèi)層型芯板焊接板底片，其底片用在涂樹脂銅箔(RCC)加層之后的開窗上，因?yàn)檫@兩種底片都會(huì)因?yàn)闈穸群蜏囟鹊挠绊懚兇笞冃　?/p>

（2）在芯板制作導(dǎo)線焊盤圖形時(shí)，基材本身尺寸的漲縮率，以及在高溫壓貼涂樹脂銅箔(RCC)后，內(nèi)外層板材料尺寸又出現(xiàn)漲縮率因素。

（3）蝕刻銅窗的尺寸和位置也會(huì)引起誤差。

（4）同位素機(jī)本身光點(diǎn)與臺(tái)面位移之間產(chǎn)生的誤差。

（5）二階盲孔難度較大，更容易產(chǎn)生定位誤差。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中掌握的相關(guān)技術(shù)資料和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，主要采取了以下工藝對(duì)策：

（1）為了縮小版面，大多數(shù)廠家都采用450×600或525×600(mm)的多層板制作版面。但是，對(duì)于加工導(dǎo)線寬度為0.10mm，盲孔直徑為0.15mm的手機(jī)板，最好采用350×450(mm)的印刷尺寸上限。

（2）增大激光直徑：其目的是擴(kuò)大覆蓋銅窗的范圍，使其更大。它的具體做法是“束徑=孔徑+90~100μm”。當(dāng)能量密度不足時(shí)，可以用一到兩槍來解決。

（3）采用銅窗口開大工藝：此時(shí)只是銅窗尺寸變大，而孔徑卻沒有改變，所以激光成孔的直徑不再完全由窗口的位置決定，使孔位可以直接根據(jù)芯板上的靶板位置來確定。

（4）將光化學(xué)成像和蝕刻開窗方法改為YAG激光開窗方法：即利用YAG激光光點(diǎn)在芯板上先打開一個(gè)窗口，然后用CO2激光對(duì)其窗位進(jìn)行切削，以解決成像產(chǎn)生的誤差。

（5）積層二次再加工二階微盲方法：當(dāng)芯板兩面各積層一層樹脂銅箔后，還要積層一次再加工RCC與二階微盲加工時(shí)，其“積二”所對(duì)應(yīng)的盲孔的“積二”，也就是“積一”所對(duì)應(yīng)的孔，必須按照瞄準(zhǔn)點(diǎn)“積一”來加工。并且不能再使用芯板的原目標(biāo)。即當(dāng)“積一”成孔成墊時(shí)，其板的側(cè)面也會(huì)被制成靶。因此，“積二”的RCC壓貼上之后，就可以通過X射線機(jī)對(duì)準(zhǔn)“積一”上的靶標(biāo)，在“積二”的四個(gè)機(jī)械基準(zhǔn)孔上鉆出“積二”，然后再成孔成線，采用這種方法，就可以使“積二”盡可能“積一”。

孔型錯(cuò)誤：

通過多次生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，主要是由于采用基材成型時(shí)存在的質(zhì)量問題，其主要質(zhì)量問題是涂樹脂銅箔的介質(zhì)層厚度必然會(huì)有差異，在相同的壓力下，對(duì)介質(zhì)層薄部的底板不但能承受更多的能量，還能反射更多的能量，從而將孔壁打成向外擴(kuò)張的壺形。對(duì)積層-多層板層間電氣互連質(zhì)量影響較大。

積層式多層印制電路板由于孔型錯(cuò)誤，其高密度互連結(jié)構(gòu)的可靠性會(huì)引起一系列技術(shù)問題。

因此，必須采取工藝措施來控制和解決。本文主要采用以下工藝方法：

（1）嚴(yán)格控制涂覆樹脂銅箔時(shí)的介質(zhì)層厚度差值為510μm。

（2）改變激光的能量密度和脈沖數(shù)(槍數(shù))，可以從實(shí)驗(yàn)上確定批量生產(chǎn)的工藝條件。

（3）孔底膠渣和孔壁的碎屑清理不好。

這種類型的質(zhì)量問題最容易出現(xiàn)，這是由于這種類型的問題被稍加控制就會(huì)產(chǎn)生。尤其在處理大拼版上的多孔型積層板時(shí)，不可能100%保證沒有質(zhì)量問題。其原因在于，在所加工大排板上存在著大量的微盲孔(平均約6~9萬個(gè)小孔)，而在介質(zhì)層厚度不同，采用相同能量的激光鉆孔，底墊上殘留的膠渣厚薄也不同。在有缺陷的情況下，如果不進(jìn)行鉆污處理，就不能保證完全清潔，再加上檢查手段較差，常會(huì)導(dǎo)致后續(xù)鍍銅層與底墊和孔壁之間產(chǎn)生結(jié)合力。