Laser drilling technology and solutions to common problems of HDI products in the PCB industry

由于微电子技术的迅猛发展，以及大规模集成电路的广泛应用，使得印制电路板的制造朝着积层化、多功能化的方向发展，使得印刷电路图形线形精细、微孔化间距缩小，因此在加工过程中所采用的机械方式已不能满足要求，而快速发展起来的微孔加工方法即激光钻孔技术就是其中之一。

激光打孔原理：

当“光线”受到外界刺激时，激光会产生一种强度很高的光束，这种光束在增加能量时会产生红外线和可见光，而紫外光则具有光学能量。这类光射入工件表面后，会出现反射、吸收、穿透三种现象。

通过光的选择击打在基材上的激光光点，它的构成有多种方式，与被照点的反应可分为三种类型。

其主要作用是能迅速清除被加工基材，主要靠光热烧蚀和光化学烧蚀或称切除。

(1)光热消融：是指经过处理的材料吸收高能激光，在极短的时间内加热至熔融，然后蒸发成孔的原理。本发明的工艺方法在基材受到高能作用时，在所形成的孔壁上有烧黑的炭化残渣，必须清除后才能进行孔化。

(2)光化学烧蚀：是由于在紫外波段(2eV以上的电子伏特)产生高光子能量，而在400纳米以上的激光波长下产生高能量的光子。这类高能光子会破坏有机材料的长分子链，变成较小的粒子，而高能光子则会比原来的分子大，并在外力作用下释放出来，使基板材料迅速脱去形成微孔。所以不同的工艺方法，不含热烧，也就不会产生炭化现象。因此，孔化之前清理非常简单。

上述是激光成孔技术的基本原理。现有的激光打孔方法中，以印刷电路板打孔为主的CO2气体激光器和UV固态Nd:YAG激光打孔最为常见。

在基片吸收方面：激光成功率的高低直接关系到基片材料的吸收速率。印刷电路板是由铜箔与玻璃布和树脂组合而成，这三种材料的吸光度也各不相同，其中铜箔与玻璃布在紫外光0.3mμ以下的地方吸光度较高，但在进入可见光IR和红外光谱后，吸光度下降幅度较大。而有机树脂材料在三段谱上，均可保持较高的吸光度。树脂材料所具有的这一特点，是目前激光器生产工艺中普遍采用的基础。

CO2激光成孔技术有多种方法：

CO2激光成孔的钻探方法主要有两种：直接成孔法和包膜成孔法。采用直接成孔工艺，即将光束通过设备主控制系统调制到与被加工印制电路板相同的孔径，直接在绝缘介质表面成孔加工，无需用铜箔作绝缘介质。包覆法是将印制板表面包覆一层特殊的掩膜，在此基础上用常规的工艺方法经曝光/显影/蚀刻工艺去除包覆孔表面的铜箔表面所形成的包覆窗。再用大于孔径的激光束照射这些孔，去除暴露介质层的树脂。以下是我们各自的介绍：

（1）开铜窗法：

先将RCC(涂上树脂的铜箔层)复压于内层板上，用光化方法制作窗口，然后用蚀刻露出树脂，再用激光烧除窗口内基材材料形成微盲孔：

经过增强后，光束通过光圈到达两组电流计式的微动反射扫描镜，经过一次垂直对准(F-θ透镜)，到达可以进行激振台表面的管区，然后逐个烧成微盲孔。

利用电子快束进行此定位后，在1平方英寸的小区域内，对0.15毫米的盲孔可以打三个成孔。在这种情况下，第一波的脉冲宽度大约是15微秒，提供能量达到成孔的目的。该枪还被用来清除孔壁底部的残渣和修正孔洞。

在0.15毫米的微盲孔中，采用激光能量控制SEM截面和45度全图，此种开窗成孔方法，当底垫(靶标圆盘)不大时，则采用大排版或二阶盲孔，这种方法较难实现。

（2）打开大窗程序方法：

前者成孔的直径与所开铜窗的直径相同，若稍作加压，就会使所开窗口的位置产生偏差，造成成孔的盲孔位置走位，造成与底垫中心不一致的问题。这种铜窗偏移的原因，很可能与基材的升缩和影像传递所采用的底片变形有关。因此采用工艺方法打开铜窗，即将铜窗直径增大到0.05mm左右，比底垫还大(通常根据孔径大小确定)，当孔径为0.15mm时，底垫直径应在0.25mm左右，其大窗口直径为0.30mm)，然后进行激光照射，即可烧出微盲孔，位置准确，可用于制作精确的铜窗底垫。它的主要特点是选择自由度大，进行激光照射时可选择另按内层底垫的程序打孔。这种方法有效地避免了由于铜窗直径与孔径相同所引起的偏置，从而使激光点不能对准正窗口，从而导致大量的大尺寸拼板表面有很多半孔或残孔。

（3）树脂表面的直接成孔技术：

有几种类型的工艺方法可用于激光成孔进行激光器：

基板是用树脂铜箔在内层板上压涂，然后将铜箔全部蚀刻除去，便可用CO2激光直接在树脂表面打孔，再继续按镀覆工艺进行打孔。

用FR-4半固化片材及铜箔代替涂树脂铜箔的工艺方法，与用铜箔制作相类似。

涂覆感光树脂及后续层压铜箔的工艺方法。

采用干膜作为介质层，与铜箔一起进行压贴工艺制备。

制作其他类型的温膜和铜箔覆压的工艺方法所用。

（4）超薄铜箔直接烧蚀的工艺方法：

在用树脂铜箔两面压覆内层芯板后，可以用“半腐蚀法”将铜箔厚度17m经腐蚀减薄至5微米，再经过黑氧化处理，即可获得CO2激光成孔。

该方法的基本原理是：经过氧化处理的黑色表面对CO2激光具有较强的吸光性，在增加激光束能的前提下，可以直接在超薄铜箔和树脂表面上穿孔。但是最难的是如何保证“半蚀法”能得到厚度一致的铜层，所以制作时要特别注意看。背铜式可撕性材料(UTC)当然可以使用，铜箔相当于薄达5微米。

针对这一类型的板材加工，目前在工艺上主要采取如下方法：

此项主要向物料供应商提出严格的品质及技术指标，以确保介电层厚度在510微米之间。由于只有在相同的激光能量下，才能保证涂树脂铜箔基材的介质厚度的均匀性，才能保证孔型的准确性和孔底的清洁度。在下一步的加工过程中，应选择最佳的除钻污工艺条件，以保证激光成孔后盲孔底部清洁无残留。对于盲孔的化学镀和电镀都能起到很好的效果。

YAG激光器激光器制程法：

YAG是钕和钇铝柘榴石。紫外激光是由两种晶体共同激发而成。二极管脉冲激发的激光束，可制成无水冷却的高效激光密封系统。该激光器中的三次谐波长355nm，四次谐波长266nm，这是一种由光学晶体制成的激光器。

这类激光器的最大特征是属于紫外光(UV)带区，由覆铜箔层压板构成的铜箔和玻璃纤维在紫外光带内有很强的吸光性，再加上这类激光的光点小能量大，所以能强力穿透铜箔和玻璃布，使其直接穿孔。另外一种激光热源较小，不像CO2激光器后产生炭渣，为孔壁后续工序提供了良好的表面处理。

YAG激光技术可在多种材料上加工徽盲孔和通孔。所述聚酰亚胺覆铜箔层压板导通孔最小直径为25微米。通过成本分析，最经济的使用直径为25125微米。高速可达10000孔/秒。直接激光冲孔可以达到50微米的最大孔径。成形后的孔内表干净无碳化，易于进行加压。在PTFE覆铜箔层压板上也可以同样钻导通孔，最小孔径为25微米，最经济的使用直径为25125微米。高速可达4500孔/秒。无需预先腐蚀出窗。加工出的孔非常干净，不需要额外的加工工艺要求。也有其他材料的模孔加工等。在具体加工中，可以采用下列工艺方法：

根据两种类型激光器的速度采用两种并行的工艺方法。

工作的基本方法是先用YAG烧蚀孔位上表面的铜箔，然后用CO2激光比YAG的速度快，直接烧蚀树脂成孔。

生产过程中出现的质量问题。

激光器生产过程中，产生的质量问题较多，不准备全面阐述，只提出最容易出现的质量问题，供同行参考。

开铜窗法测定CO2激光器的位置和底靶位置之间的失准。

光束定位系统是光束成形精度极关键的一项关键技术。虽然利用束流定位系统进行精确定位，但由于其他因素的影响，常会出现空洞变形的缺焰现象。对生产中出现的质量问题的原因分析如下：

（1）制作内层型芯板焊接板底片，其底片用在涂树脂铜箔(RCC)加层之后的开窗上，因为这两种底片都会因为湿度和温度的影响而变大变小。

（2）在芯板制作导线焊盘图形时，基材本身尺寸的涨缩率，以及在高温压贴涂树脂铜箔(RCC)后，内外层板材料尺寸又出现涨缩率因素。

（3）蚀刻铜窗的尺寸和位置也会引起误差。

（4）同位素机本身光点与台面位移之间产生的误差。

（5）二阶盲孔难度较大，更容易产生定位误差。

在此基础上，结合生产实践中掌握的相关技术资料和实际操作经验，主要采取了以下工艺对策：

（1）为了缩小版面，大多数厂家都采用450×600或525×600(mm)的多层板制作版面。但是，对于加工导线宽度为0.10mm，盲孔直径为0.15mm的手机板，最好采用350×450(mm)的印刷尺寸上限。

（2）增大激光直径：其目的是扩大覆盖铜窗的范围，使其更大。它的具体做法是“束径=孔径+90~100μm”。当能量密度不足时，可以用一到两枪来解决。

（3）采用铜窗口开大工艺：此时只是铜窗尺寸变大，而孔径却没有改变，所以激光成孔的直径不再完全由窗口的位置决定，使孔位可以直接根据芯板上的靶板位置来确定。

（4）将光化学成像和蚀刻开窗方法改为YAG激光开窗方法：即利用YAG激光光点在芯板上先打开一个窗口，然后用CO2激光对其窗位进行切削，以解决成像产生的误差。

（5）积层二次再加工二阶微盲方法：当芯板两面各积层一层树脂铜箔后，还要积层一次再加工RCC与二阶微盲加工时，其“积二”所对应的盲孔的“积二”，也就是“积一”所对应的孔，必须按照瞄准点“积一”来加工。并且不能再使用芯板的原目标。即当“积一”成孔成垫时，其板的侧面也会被制成靶。因此，“积二”的RCC压贴上之后，就可以通过X射线机对准“积一”上的靶标，在“积二”的四个机械基准孔上钻出“积二”，然后再成孔成线，采用这种方法，就可以使“积二”尽可能“积一”。

孔型错误：

通过多次生产经验的积累，主要是由于采用基材成型时存在的质量问题，其主要质量问题是涂树脂铜箔的介质层厚度必然会有差异，在相同的压力下，对介质层薄部的底板不但能承受更多的能量，还能反射更多的能量，从而将孔壁打成向外扩张的壶形。对积层-多层板层间电气互连质量影响较大。

积层式多层印制电路板由于孔型错误，其高密度互连结构的可靠性会引起一系列技术问题。

因此，必须采取工艺措施来控制和解决。本文主要采用以下工艺方法：

（1）严格控制涂覆树脂铜箔时的介质层厚度差值为510μm。

（2）改变激光的能量密度和脉冲数(枪数)，可以从实验上确定批量生产的工艺条件。

（3）孔底胶渣和孔壁的碎屑清理不好。

这种类型的质量问题最容易出现，这是由于这种类型的问题被稍加控制就会产生。尤其在处理大拼版上的多孔型积层板时，不可能100%保证没有质量问题。其原因在于，在所加工大排板上存在着大量的微盲孔(平均约6~9万个小孔)，而在介质层厚度不同，采用相同能量的激光钻孔，底垫上残留的胶渣厚薄也不同。在有缺陷的情况下，如果不进行钻污处理，就不能保证完全清洁，再加上检查手段较差，常会导致后续镀铜层与底垫和孔壁之间产生结合力。