HDI板激光鉆孔工藝解析

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，微組裝技術(shù)的進(jìn)步，使印制電路板的制造向著積層化、多功能化方向發(fā)展，使印制電路圖形導(dǎo)線細(xì)、微孔化窄間距化，加工中所采用的機(jī)械方式鉆孔工藝技術(shù)已不能滿足要求而迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型的微孔加工方式即激光鉆孔技術(shù)。?

一 激光成孔的原理?

激光是當(dāng)“射線”受到外來(lái)的刺激而增加能量下所激發(fā)的一種強(qiáng)力光束，其中紅外光和可見(jiàn)光具有熱能，紫外光另具有光學(xué)能。此種類型的光射到工件的表面時(shí)會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象即反射、吸收和穿透。??
? ? ? ?透過(guò)光學(xué)另件擊打在基材上激光光點(diǎn)，其組成有多種模式，與被照點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生三種反應(yīng)。??
? 　 激光鉆孔的主要作用就是能夠很快地除去所要加工的基板材料，它主要靠光熱燒蝕和光化學(xué)燒蝕或稱之謂切除。??

?　　(1)光熱燒蝕：指被加工的材料吸收高能量的激光，在極短的時(shí)間加熱到熔化并被蒸發(fā)掉的成孔原理。此種工藝方法在基板材料受到高能量的作用下，在所形成的孔壁上有燒黑的炭化殘?jiān)谆氨仨氝M(jìn)行清理。?

(2)光化學(xué)燒蝕：是指紫外線區(qū)所具有的高光子能量(超過(guò)2eV電子伏特)、激光波長(zhǎng)超過(guò)400納米的高能量光子起作用的結(jié)果。而這種高能量的光子能破壞有機(jī)材料的長(zhǎng)分子鏈，成為更小的微粒，而其能量大于原分子，極力從中逸出，在外力的掐吸情況之下，使基板材料被快速除去而形成微孔。因此種類型的工藝方法，不含有熱燒，也就不會(huì)產(chǎn)生炭化現(xiàn)象。所以，孔化前清理就非常簡(jiǎn)單。?
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??? 以上就是激光成孔的基本原理。目前最常用的有兩種激光鉆孔方式：印制電路板鉆孔用的激光器主要有RF激發(fā)的CO2氣體激光器和UV固態(tài)Nd：YAG激光器。?

(3)關(guān)于基板吸光度：激光成功率的高低與基板材料的吸光率有著直接的關(guān)系。印制電路板是由銅箔與玻璃布和樹(shù)脂組合而成，此三種材料的吸光度也因波長(zhǎng)不同有所不同但其中銅箔與玻璃布在紫外光0．3mμ以下區(qū)域的吸收率較高，但進(jìn)入可見(jiàn)光與IR后卻大幅度滑落。有機(jī)樹(shù)脂材料則在三段光譜中，都能維持相當(dāng)高的吸收率。這就是樹(shù)脂材料所具有的特性，是激光鉆孔工藝流行的基礎(chǔ)。?

二 CO2激光成孔的不同的工藝方法?

CO2激光成孔的鉆孔方法主要有直接成孔法和敷形掩膜成孔法兩種。所謂直接成孔工藝方法就是把激光光束經(jīng)設(shè)備主控系統(tǒng)將光束的直徑調(diào)制到與被加工印制電路板上的孔直徑相同，在沒(méi)有銅箔的絕緣介質(zhì)表面上直接進(jìn)行成孔加工。敷形掩膜工藝方法就是在印制板的表面涂覆一層專用的掩膜，采用常規(guī)的工藝方法經(jīng)曝光/顯影/蝕刻工藝去掉孔表面的銅箔面形成的敷形窗口。然后采用大于孔徑的激光束照射這些孔，切除暴露的介質(zhì)層樹(shù)脂?，F(xiàn)分別介紹如下：?

(1)開(kāi)銅窗法：??
??? 首先在內(nèi)層板上復(fù)壓一層RCC(涂樹(shù)脂銅箔)通過(guò)光化學(xué)方法制成窗口，然后進(jìn)行蝕刻露出樹(shù)脂，再采用激光燒除窗口內(nèi)基板材料即形成微盲孔：?

當(dāng)光束經(jīng)增強(qiáng)后通過(guò)光圈到達(dá)兩組電流計(jì)式的微動(dòng)反射掃描鏡，并經(jīng)一次垂直對(duì)正(Fθ? 透鏡)而達(dá)到可進(jìn)行激動(dòng)的臺(tái)面的管區(qū)，然后再逐一燒成微盲孔。
?在一英寸見(jiàn)方的小管區(qū)內(nèi)經(jīng)電子快束這定位后，對(duì)0.15mm的盲孔可連打三槍成孔。其中第一槍的脈沖寬度約為15μs，此時(shí)提供能量達(dá)到成孔的目的。后再槍則利用來(lái)清理孔壁孔底的殘?jiān)托拚住?

激光能量控制良好的0.15mm微盲孔的SEM橫斷面及45度的全圖，此種開(kāi)窗口的成孔工藝方法，當(dāng)?shù)讐|(靶標(biāo)盤(pán))不大時(shí)又需大排版或二階盲孔時(shí)，其對(duì)準(zhǔn)度就比較困難。?

(2)開(kāi)大窗口工藝方法：?

前一種工藝方法成孔的直徑與所開(kāi)的銅窗口相同，如果操作稍有不慎就會(huì)使所開(kāi)窗口的位置產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致成孔的盲孔位置走位致使與底墊中心失準(zhǔn)的問(wèn)題產(chǎn)生。該銅窗口的偏差產(chǎn)生的原因有可能是基板材料漲縮和圖像轉(zhuǎn)移所采用的底片變形有關(guān)。所以采取開(kāi)大銅窗口的工藝方法，就是將銅窗口直徑擴(kuò)大到比底墊還大經(jīng) 0.05mm左右(通常按照孔徑的大小來(lái)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)然后再進(jìn)行激光鉆孔，即可燒出位置精確對(duì)準(zhǔn)底墊的微盲孔。其主要特點(diǎn)是選擇自由度大，進(jìn)行激光鉆孔時(shí)可選擇另按內(nèi)層底墊的程式去成孔。這就有效的避免由于銅窗口直徑與成孔直徑相同時(shí)造成的偏位而使激光點(diǎn)無(wú)法對(duì)正窗口，使批量大的大拚板面上會(huì)出現(xiàn)許多不完整的半孔或殘孔的現(xiàn)象。?

(3)樹(shù)脂表面直接成孔工藝方法???

采用激光成孔有幾種類型的工藝方法進(jìn)行激光鉆孔：?

A．基板是采用在內(nèi)層板上層壓涂樹(shù)脂銅箔，然后將銅箔全部蝕刻去掉，就可采用CO2激光在裸露的樹(shù)脂表面直接成孔，再繼續(xù)按照鍍覆孔工藝方法進(jìn)行孔化處理。?

B．基板是采用FR-4半固化片和銅箔以代替涂樹(shù)脂銅箔的相類似制作工藝方法。?

C．涂布感光樹(shù)脂后續(xù)層壓銅箔的工藝方法制作。?

D．采用干膜作介質(zhì)層與銅箔的壓貼工藝方法制作。?

E.涂布其它類型的溫膜與銅箔覆壓的工藝方法來(lái)制作。?
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??? 4)采用超薄銅箔的直接燒蝕的工藝方法?

內(nèi)層芯板兩面壓貼涂樹(shù)脂銅箔后，可采用“半蝕方法”將銅箔厚度17m經(jīng)蝕刻后減薄到5微米，然后進(jìn)行黑氧化處理，就可采用CO2激光成孔。??
? 　其基本原理就是經(jīng)氧化處理成黑的表面會(huì)強(qiáng)烈吸光，就會(huì)在提高CO2激光的光束能量的前提下，就可以直接在超薄銅箔與樹(shù)脂表面成孔。但最困難的就是如何確保 “半蝕方法”能否獲得厚度均勻一致的銅層，所以制作起來(lái)要特別注視。當(dāng)然可采用背銅式可撕性材料(UTC)，銅箔相當(dāng)簿約5微米。??
??? 根據(jù)這種類型的板加工，目前在工藝上主要采取以下幾個(gè)方面：?
??? 這主要對(duì)材料供應(yīng)商提出嚴(yán)格的質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)，要確保介質(zhì)層的厚度的差異在510μm之間。因?yàn)橹挥写_保涂樹(shù)脂銅箔基材的介質(zhì)厚度的均勻性，在同樣的激光能量的作用下，才能確?？仔偷臏?zhǔn)確性和孔底部的干凈。同時(shí)還需要在后續(xù)工序中，采用最佳的除鉆污工藝條件，確保激光成孔后盲孔底部的干凈無(wú)殘留物。對(duì)盲孔化學(xué)鍍和電鍍層的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生良好的作用。??

三　Nd：YAG激光鉆孔工藝方法?

Nd： YAG是釹和釔鋁柘榴石。兩種固態(tài)晶體共同激發(fā)出的UV激光。最近多采用的二極管脈沖激勵(lì)的激光束，它可以制成有效的激光密封系統(tǒng)，不需要水冷。這種激光三次諧波波長(zhǎng)為355納米(nm)、四次諧波波長(zhǎng)為266納米(nm)，波長(zhǎng)是由光學(xué)晶體調(diào)制的。?

這種類型的激光鉆孔的最大特點(diǎn)是屬于紫外光(UV)譜區(qū)，而覆銅箔層壓板所組成的銅箔與玻璃纖維在紫外光區(qū)域內(nèi)吸光度很強(qiáng)，加上此類激光的光點(diǎn)小能量大，故能強(qiáng)力的穿透銅箔與玻璃布而直接成孔。由于上種類型的激光熱量較小，不會(huì)象CO2激光鉆孔后生成炭渣，對(duì)孔壁后續(xù)工序提供了很好的處理表面。?

Nd：YAG激光技術(shù)在很多種材料上進(jìn)行徽盲孔與通孔的加工。其中在聚酰亞胺覆銅箔層壓板上鉆導(dǎo)通孔，最小孔徑是25微米。從制作成本分析，最經(jīng)濟(jì)的所采用的直徑是25125微米。鉆孔速度為10000孔/分?？刹捎弥苯蛹す鉀_孔工藝方法，孔徑最大50微米。其成型的孔內(nèi)表干凈無(wú)碳化，很容易進(jìn)行電鍍。同樣也可在聚四氟乙烯覆銅箔層壓板鉆導(dǎo)通孔，最小孔徑為25微米，最經(jīng)濟(jì)的所采用的直徑為25125微米。鉆孔速度為4500孔／分。不需預(yù)蝕刻出窗口。所成孔很干凈，不需要附加特別的處理工藝要求。還有其它材料成型孔加工等。具體加工中可采用以下幾種工藝方法：

(1)根據(jù)兩類激光鉆孔的速度采取兩種并用的工藝方法??
? 　基本作業(yè)方法就是先用YAG把孔位上表面的銅箔燒蝕，然后再采用速度比YAG鉆孔快的CO2激光直接燒蝕樹(shù)脂后成孔。?

四 實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題?

激光鉆孔過(guò)程中，產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題比較多，不準(zhǔn)備全面講述，只將最易出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題提出供同行參考。??
??? (1)開(kāi)銅窗法的CO2激光鉆孔位置與底靶標(biāo)位置之間失準(zhǔn)?

在激光鉆孔中，光束定位系統(tǒng)對(duì)于孔徑成型的準(zhǔn)確性極關(guān)重要。盡管采用光束定位系統(tǒng)的精確定位，但由于其它因素的影響往往會(huì)產(chǎn)生孔形變形的缺焰。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題，其原因分析如下：?

1．制作內(nèi)層芯板焊盤(pán)與導(dǎo)線圖形的底片，與涂樹(shù)脂銅箔(RCC)增層后開(kāi)窗口用的底片，由于兩者都會(huì)因?yàn)闈穸扰c溫度的影響尺寸增大與縮小的潛在因素。??
??? 2．芯板制作導(dǎo)線焊盤(pán)圖形時(shí)基材本身的尺寸的漲縮，以及高溫壓貼涂樹(shù)脂銅箔(RCC)增層后，內(nèi)外層基板材料又出現(xiàn)尺寸的漲縮因素存在所至。??
??? 3．蝕刻所開(kāi)銅窗口尺寸大小與位置也都會(huì)產(chǎn)生誤差。??
??? 4．激光機(jī)本身的光點(diǎn)與臺(tái)面位移之間的所造成的誤差。??
??? 5．二階盲孔對(duì)準(zhǔn)度難度就更大，更易引起位置誤差。??
??? 根據(jù)上述原因分析，根據(jù)生產(chǎn)所掌握的有關(guān)技術(shù)資料與實(shí)際運(yùn)作過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)，主要采取的工藝對(duì)策有以下幾個(gè)方面：??
? ??1．采取縮小排版尺寸，多數(shù)廠家制作多層板排版采取450×600或525×600(mm)。但對(duì)于加工導(dǎo)線寬度為0．10mm與盲孔孔徑為0．15mm的手機(jī)板，最好采用排版尺寸為350×450(mm)上限。?

2.加大激光直徑：目的就是增加對(duì)銅窗口被罩住的范圍。其具體的做法采取“光束直徑＝孔直徑+90~100μm。能量密度不足時(shí)可多打一兩槍加以解決。?

3．采取開(kāi)大銅窗口工藝方法：這時(shí)只是銅窗口尺寸變大而孔徑卻未改動(dòng)，因此激光成孔的直徑已不再完全由窗口位置來(lái)決定，使得孔位可直接根據(jù)芯板的上的底墊靶標(biāo)位置去燒孔。?

4．由光化學(xué)成像與蝕刻開(kāi)窗口改成YAG激光開(kāi)窗法：就是采用YAG激光光點(diǎn)按芯板的基準(zhǔn)孔首先開(kāi)窗口，然后再用CO2激光就其窗位去燒出孔來(lái)，解決成像所造成的誤差。?
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??? 5．積層兩次再制作二階微盲孔法：當(dāng)芯板兩面各積層一層涂樹(shù)脂銅箔(RCC)后，若還需再積層一次RCC與制作出二階盲孔(即積二)者，其“積二”的盲孔的對(duì)位，就必須按照瞄準(zhǔn)“積一”去成孔。而無(wú)法再利用芯板的原始靶標(biāo)。也就是當(dāng)“積一”成孔與成墊時(shí)，其板邊也會(huì)制作出靶標(biāo)。所以，“積二”的RCC壓貼上后，即可通過(guò)X射線機(jī)對(duì)“積一”上的靶標(biāo)而另鉆出“積二”的四個(gè)機(jī)械基準(zhǔn)孔，然后再成孔成線，采取此法可使“積二”盡量對(duì)準(zhǔn)“積一”。?

2．孔型不正確?

根據(jù)多次生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累，主要因?yàn)樗捎玫幕某尚退嬖诘馁|(zhì)量問(wèn)題，其主要質(zhì)量問(wèn)題是涂樹(shù)脂銅箔經(jīng)壓貼后介質(zhì)層的厚度難免有差異，在相同鉆孔的能量下，對(duì)介質(zhì)層較薄的部分的底墊不但要承受較多的能量，也會(huì)反射較多的能量，因而將孔壁打成向外擴(kuò)張的壺形。這將對(duì)積層多層板層間的電氣互連品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。?

由于孔型不正確，對(duì)積層多層印制電路板的高密度互連結(jié)構(gòu)的可靠性會(huì)帶來(lái)一系列的技術(shù)問(wèn)題。

所以，必須采用工藝措施加以控制和解決。主要采用以下幾種工藝方法：?

(1)嚴(yán)格控制涂樹(shù)脂銅箔壓貼時(shí)介質(zhì)層厚度差異在510μm之間。?

(2)改變激光的能量密度與脈沖數(shù)(槍數(shù))，可通過(guò)試驗(yàn)方法找出批量生產(chǎn)的工藝條件。?

(3)孔底膠渣與孔壁的破渣的清除不良。?

這類質(zhì)量問(wèn)題最容易發(fā)生，這是由于稍為控制不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生此種關(guān)型的問(wèn)題。特別是對(duì)于處理大拚版上多孔類型的積層板，不可能百分之百保證無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。這是因?yàn)樗庸さ拇笈虐迳系奈⒚た讛?shù)量太多(平均約6~9萬(wàn)個(gè)孔)，介質(zhì)層厚度不同，采取同一能量的激光鉆孔時(shí)，底墊上所殘留下的膠渣的厚薄也就不相同。經(jīng)除鉆污處理就不可能確保全部殘留物徹底干凈，再加上檢查手段比較差，一旦有缺陷時(shí)，常會(huì)造成后續(xù)鍍銅層與底墊與孔壁的結(jié)合力。