PCB與基板的UV激光加工新工藝

???? 引 言 目前，UV激光鉆孔設(shè)備只占全球市場(chǎng)的15%，但該類(lèi)設(shè)備市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)要比新型的CO2激光鉆孔設(shè)備的需求高3倍。孔的直徑甚至小于50μｍ，1~2的多層導(dǎo)通孔和較小的通孔也是當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，UV激光為當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)提出了解決方案；除此之外，它還是一種用于精確地剝離阻焊膜以及生成精密的電路圖形的工具。本文概述了目前UV激光鉆孔和繪圖系統(tǒng)的特性和柔性。還給出了各種材料的不同類(lèi)型導(dǎo)通孔的質(zhì)量和產(chǎn)量結(jié)果以及在各種蝕刻阻膜上的繪圖結(jié)果。本文通過(guò)展望今后的發(fā)展，討論了UV激光的局限性。 本文還對(duì)UV激光工具和CO2激光工具進(jìn)行了比較，闡明了二者在哪些方面是可以競(jìng)爭(zhēng)的，在哪些方面是不可競(jìng)爭(zhēng)的，以及在哪些方面二者可以綜合應(yīng)用作為互補(bǔ)的工具。 UV與CO2的對(duì)比 UV激光工具不僅與CO2的波長(zhǎng)不同，而且各自在加工材料，如象PCB和基板，也是兩種不同的工具。光點(diǎn)尺寸小于10倍，較短的脈沖寬度和極高頻使得在一般的鉆孔應(yīng)用中不得不使用不同的操作方法，并且為不同的應(yīng)用開(kāi)辟了其它的窗口。 表1給出了目前激光系統(tǒng)中通常采用的兩種激光裝置的最主要技術(shù)特性的比較。 UV在極小的脈沖寬度內(nèi)具有高頻和極大的峰值功率。工作面上光點(diǎn)尺寸決定了能量密度。CO2能量密度達(dá)到50~70J/cm2，而UV激光由于光點(diǎn)尺寸小得多，所以能量密度可達(dá)50~200J/cm2。 由于UV光點(diǎn)尺寸比目標(biāo)孔直徑還要小，激光光束以一種所謂的套孔方式聚焦于孔的目標(biāo)直徑內(nèi)。圖1給出了套孔方式。 對(duì)于UV激光，鉆一個(gè)完整的孔所需的脈沖數(shù)在30到120之間，而CO2激光則只需2到10個(gè)脈沖。UV激光的頻率要比CO2的高5到15倍。在去除了頂部銅層后，可使用第二步，通過(guò)擴(kuò)大的光點(diǎn)清理孔中的灰色區(qū)域。 當(dāng)然還可使用UV激光進(jìn)行沖壓，不過(guò)光點(diǎn)的大小決定了能量密度，且不同材料的燒蝕極限值決定了所需的最小能量密度。這樣根據(jù)不同材料的燒蝕極限就可導(dǎo)出UV沖壓方式使用和最大光點(diǎn)尺寸。 由于UV激光所具有的能量，目前僅將沖壓方式用于孔直徑小于75im、燒蝕極限極低的軟材料如TCD，或用于小焊盤(pán)開(kāi)口的阻焊膜燒蝕。

??????通過(guò)套孔方式將必要的能量帶進(jìn)孔內(nèi)的時(shí)間在很大程度上取決于孔自身尺寸，孔直徑越小，UV激光工具就鉆的越快。CO2與UV激光之間的切換點(diǎn)為75到50im的孔直徑之間。 CO2激光的三種局限性： 第一：由于10im光波在孔邊緣的繞射，需要考慮最小的孔尺寸。第二：在銅上該波長(zhǎng)的反射。第三：厚度達(dá)波長(zhǎng)1/2的底層銅上的殘留物。波長(zhǎng)短得多的且在銅上有較高吸收率的UV激光就不存在上述三種局限性，因此，UV激光就成為一種理想的工具，它可用來(lái)在涂覆了任意一種銅材料的高檔PCB和基板即高密度互連技術(shù)（HDI）上鉆小孔。 HDI一 瞥 HDI的要求是：成孔直徑在75im~30im的范圍內(nèi)；線及其間距為2mil/mil~1 mil/1mil；焊盤(pán)在250im~200im；并且阻焊膜開(kāi)口的精度要達(dá)到15到10im。新設(shè)計(jì)不僅要求盲孔為1層~2層，而且要求多層導(dǎo)通孔和通孔。還要求孔的外形能夠?qū)崿F(xiàn)采用鍍覆的方法，并支持導(dǎo)通孔的填充。據(jù)預(yù)測(cè)，市場(chǎng)的發(fā)展要求在2到3年內(nèi)不只要降低倒芯片基板的價(jià)值，還要降低批量生產(chǎn)的價(jià)值。 UV激光的鉆孔方法 CO2激光只有兩種主要的運(yùn)行功能：在電場(chǎng)之間的工作臺(tái)步進(jìn)運(yùn)行功能和電場(chǎng)范圍內(nèi)孔之間的電運(yùn)行功能。峰值功率會(huì)降低，可在1到100ns之間選擇脈沖寬度，頻率范圍在1到4kHz之間。對(duì)于不同的材料，只有這三個(gè)參數(shù)和脈沖/孔的數(shù)量可用來(lái)描述鉆孔工具。

???? 首先，UV激光多了一種運(yùn)行功能即第三種功能--成型孔徑內(nèi)的電微聚焦。這種套孔充許根據(jù)孔徑對(duì)內(nèi)部和外部形狀（同心圓=形狀）進(jìn)行調(diào)整。形狀的重復(fù)適應(yīng)于材料厚度，聚集內(nèi)外光點(diǎn)的大小確定了能量密度以適應(yīng)材料的燒蝕極限。由激光頻率和電循環(huán)速度形成的脈沖順序重疊確定了各形狀的能量。 就UV激光特性而言，激光頻率、脈沖寬度和平均最大功率相互之間關(guān)系相當(dāng)密切。黃色區(qū)域表明有直接的關(guān)系，紅色區(qū)域則有相反的關(guān)系。 要在一序列不同的材料上鉆孔，UV激光可提供所謂順序步驟，例如達(dá)8個(gè)不同的獨(dú)立鉆孔工序。 在整個(gè)孔的鉆孔過(guò)程中，可根據(jù)聯(lián)機(jī)的各工序調(diào)整 表2中所有的工具參數(shù)。圖2所示是順序工序鉆孔的原理。 由于環(huán)氧樹(shù)脂的燒蝕極限比銅（黃色）的低，清潔工序（綠色）就不能探入底層銅。光束柔和地照射，均衡了材料的厚度和一致性的公差。 通過(guò)UV開(kāi)發(fā)HDI的導(dǎo)通孔工藝 A工藝 B工藝 C工藝 A工藝：4步工藝工序，混合了潤(rùn)濕和激光工序，掩膜公差在50到70im之間，一般最小的孔尺寸為100到125im. B工藝：2步激光工序，1步潤(rùn)濕工序，由于CO2在掩膜上的繞射，小孔的直徑約為60im。對(duì)經(jīng)過(guò)特殊處理的銅材料CO2可提供的銅開(kāi)口厚度的極限為7im。這種工藝仍需去除鉆污。 C工藝：1步激光工序，UV激光對(duì)內(nèi)層和外層銅的鉆孔無(wú)限制，UV還多了一個(gè)清潔工序，從而使去除鉆污工序降到了最低限度，甚至可取代去鉆污工序。 UV激光具有將一個(gè)完整孔的工藝步驟減至1種單獨(dú)的激光工序的能力，特別是取消了對(duì)去鉆污的需求，甚至完全可以不用這一工序，尤其是對(duì)于脈沖圖形電鍍。不需要使用侵蝕性去鉆污工序，例如對(duì)CO2激光而言，孔的形狀的粗糙度、芯吸和桶形畸變得到了改善。 UV激光的其它應(yīng)用和質(zhì)量結(jié)果

　　●盲孔　

?? 　●雙層導(dǎo)通孔　

?? 　●通孔 采用了柔性新的激光系統(tǒng)除了能夠?qū)嵤┏Ｓ镁劢拐丈洳僮骺變?nèi)，還可進(jìn)行復(fù)雜的繪圖操作，可用它切割出細(xì)線圖形或用于埋入掩膜后的阻焊膜去除。幾乎可以對(duì)任何形狀的加工區(qū)域進(jìn)行加工處理。 到目前為止，當(dāng)阻焊膜上的缺陷僅是一些小毛病、無(wú)關(guān)緊要時(shí)，僅把激光燒蝕阻焊膜用于修復(fù)一些被損壞的焊盤(pán)，這樣就不會(huì)使整個(gè)面板廢掉，但是HDI技術(shù)要求開(kāi)口尺寸和定位更精確一些，下圖所示是在壓力蒸汽測(cè)試和熱循環(huán)后所形成的圓形和方形的阻焊膜開(kāi)口及橫截面。速度每秒可達(dá)100多個(gè)焊盤(pán)，對(duì)于BGA和FC，每個(gè)IC上128個(gè)焊盤(pán)的成本約0.5美分。

??????在繪制細(xì)線時(shí)，通過(guò)激光軌刻劃出圖形，如下圖所示，激光軌的速度可達(dá)1000mm/s。激光燒蝕1im厚的錫后，寬度在15~25im之間。在繪制了錫圖形后，對(duì)圖形進(jìn)行蝕刻，并保持激光的軌跡寬度的間距和蝕刻的副作用。對(duì)于厚度為12im的銅可以得到低于2mil/2mil的圖形。 下圖所示是2mil/2mil 結(jié)構(gòu)的IC和MCM圖形的扇出。直接繪制細(xì)線圖形的應(yīng)用受到了繪圖速度的限制，如下圖所示的扇出只需不到1秒，而在40×40mm的面積內(nèi)一個(gè)完整圖形的扇出就需要10到15秒。

??????結(jié) 論 UV激光系統(tǒng)為現(xiàn)有的CO2鉆孔工具提供了一個(gè)補(bǔ)充解決方案。對(duì)于鉆孔而言，短波長(zhǎng)和小光點(diǎn)具有更大的柔性和更高的復(fù)雜性。UV激光的目標(biāo)更多是為滿足HDI的需求。與CO2性能相比，尤其是對(duì)于大孔，UV在產(chǎn)量上仍存在著差距，但是隨著高功率和高頻率的UV激光的發(fā)展，這種差別將越來(lái)越小。用UV激光生成導(dǎo)通孔的加工工序數(shù)將減少到一個(gè)單獨(dú)的激光工序，并且所需的去鉆污工序降到了最低限度。 UV系統(tǒng)除了主要的鉆孔用途外，還可用來(lái)直接繪圖和精密的燒蝕阻焊膜。這就為UV激光提供了附加值。 對(duì)產(chǎn)量，改善UV激光系統(tǒng)仍有足夠的空間。較小的脈沖寬度，高頻、較高的功率和高速伺服運(yùn)行都將增加生產(chǎn)率，而且在不久的將來(lái)，作為一個(gè)完善的工具，市場(chǎng)將會(huì)越來(lái)越廣泛地接受UV激光系統(tǒng)。