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激光鉆孔技術(shù)介紹

發(fā)布時間:2011-11-05 00:00:00 分類:企業(yè)新聞

  雷射成孔的商用機器,市場上大體可分為:紫外線的Nd:YAG雷射機(主要供應(yīng)者為美商ESI公司);紅外線的CO2雷射機(先為Lumonics,現(xiàn)有日立、三菱、住友等);以及兼具UV/IR之變頭機種(如Eecellon之2002型)等三類。前者對3mil以下的微孔很有利,但成孔速度卻較慢。次者對4~8mil的微盲孔制作方便,量產(chǎn)速度約為YAG機的十倍,后者是先用YAG頭燒掉全數(shù)孔位的銅皮,再用CO2頭燒掉基材而成孔。若就行動電話的機手機板而言,CO2雷射對欲燒制4~6mil的微盲孔為適合,癥均量產(chǎn)每分鐘單面可燒出6000孔左右。至於速度較的YAG雷射機,因UV光束之能量強且又集中故可直接打穿銅箔,在無需“開銅窗”(Conformal Mask)之下,能同時燒掉銅箔與基材而成孔,一般常用在各式“對裝載板”(Package Substrste)4mil以下的微孔,若用於手機板的4~6mil微孔似乎就不太經(jīng)濟了。以下即就雷射成孔做進一進步的介紹與討論。
 

  一、雷射成孔的原理

  雷射光是當(dāng):“射線”受到外來的刺激,而增大能量下所激發(fā)的一種強力光束,其中紅外光或可見光者擁有熱能,紫外光則另具有化學(xué)能。射到工作物表面時會發(fā)生反射(Refliction)吸收(Absorption)及穿透(Transmission)等三種現(xiàn)象,其中只有被吸收者才會發(fā)生作用。而其對板材所產(chǎn)生的作用又分為熱與光化兩種不同的反應(yīng),現(xiàn)分述於下:

  1、光熱燒蝕Photothermal Ablation

  是指某雷射光束在其紅外光與可見光中所夾幫的熱能,被板材吸收后出現(xiàn)熔融、氣化與氣漿等分解物,而將之去除成孔的原理,稱為“光熱燒蝕”。此燒蝕的副作用是在孔壁上的有被燒黑的炭化殘渣渣(甚至孔緣銅箔上也會出現(xiàn)一圈高熟造成的黑氧化銅屑),需經(jīng)后制程Desmear清除,才可完成牢固的盲孔銅壁。

  2、 光化裂蝕Photochemical Ablation

  是指紫外領(lǐng)域所具有的高光子能量(Photon Energy),可將長鍵狀高分子有機物的化學(xué)鍵(Chemical Bond)予以打斷,於是在眾多碎粒造成體積增大與外力抽吸之下,使板材被快速移除而成孔。本反應(yīng)是不含熟燒的“冷作”(Cold Process),故孔壁上不至產(chǎn)生炭化殘渣。

  3、 板材吸光度

  由上可知雷射成孔效率的高低,與板材的吸光率有直接關(guān)系。電路板板材中銅皮、玻織布與樹脂三者的吸收度,民因波長而有所不同。前二者在UV 0.3mu以下區(qū)域的吸收率頗高,但進入可見光與IR后即大幅滑落。至於有機樹脂則在三段光譜中,都能維持於相當(dāng)不錯的高吸收率。

  4 、脈沖能量

  實用的雷射成孔技術(shù),是利用斷續(xù)式(Q-switch)光束而進行的加工,讓每一段光敕 (以微秒us計量)以其式(Pulse)能量打擊板材,此等每個Pulse(可俗稱為一槍)所擁有的能量,又有多種模式(Mode),如單光束所成光點的GEMOO單束光點的能量較易聚焦集中故多用於鉆孔。多束光點不但還需均勻化且又不易集中成為小光點,一般常用於雷射直接成像技術(shù)(LDI)或密貼光罩(Contact Mask)等制程。

  5、精確定位系統(tǒng)

  a、小管區(qū)式定位

  以“日立微孔機械”公司(Hitachi via Machine,近由“日立精工”而改名)之RF/CO2鉆孔機為例,其定位法是采“電流計式反射鏡”(Galvanometer and Mirro)本身的X.Y.定位,加上機種臺之XY臺面(XY Table)定位等兩種系統(tǒng)合作而成。后者是將大板面劃分成許多小“管區(qū)”(大為50mm見方,一般為精確起見多采用30mm見方),工作中可XY移動臺面以交換管區(qū)。前者是在單一管區(qū)內(nèi),以兩具Galvanometer的XY微動,將光點打到板面上所欲對準(zhǔn)的靶位而成孔。當(dāng)管區(qū)內(nèi)的微孔全部鉆妥后,即快速移往下一個管區(qū)再繼續(xù)鉆孔。

  所謂的Galvanometer是一種可精確微動±20°以下的鐵制品,磁鐵或線圈式所組合的直流馬達,再裝配上鏡面即可做小角度的轉(zhuǎn)動反射,而將雷射光束加以快速(2~4ms)折射而定位。但此種系統(tǒng)也有一些缺點,如:①所打在板面上的光束不一定都很垂直,多少會呈現(xiàn)一些斜角,因此還需再加一種“遠心透鏡”(Telecentric Lense)來改正斜光,使盡可能的垂直於孔位;②電流計式反射鏡系統(tǒng)所能涵蓋的區(qū)域不大,多只能管到50mm*50mm,故還須靠XY Table來移換管區(qū)。其管區(qū)越小當(dāng)然定位就越精準(zhǔn),但相對的也就犧牲了量產(chǎn)的時間;③大板面上管區(qū)的交接無法達到完全的天衣無縫,免不了會出現(xiàn)間隙或重疊等“接壞錯誤”(Abutment Errors),對高密度布孔的板子可能會發(fā)生漏鉆孔或位失準(zhǔn)等故障。此時可加裝自動校正系統(tǒng)以改善管區(qū)的更換,或按布孔的密度而機動自行調(diào)整管區(qū)的大小與外形。

  b、全板面定位

  除了上述的“Galvo XY”與“小管區(qū)移換”式的定位外,還可將Galvo XY之鏡面另裝在一組“線性馬達(Liner Motor)上,令其中做全板面的X向移動。別將臺面加裝線性馬達而只做Y移動,如此將可免除接壞錯誤。此法與傳統(tǒng)機械鉆孔機的鉆軸X左右移動,加上臺面Y前后動的定位方式相同。此法可用於UV/YAG光束能較強者之定位,對線外線CO2光束能較弱者,則因其路徑太長能量不易集中而反倒不宜。

  二、二氧化碳CO2雷射成孔的不同制程

  
1、 開銅窗法Conformal Mask

  是在內(nèi)層Core板上先壓RCC然后開銅窗,再以雷射光燒除窗內(nèi)的基材即可完成微盲孔。詳情是先做FR-4的內(nèi)層核心板,使其兩面具有已黑化的線路與底墊(Target Pad),然后再各壓貼一張“背膠銅箔”(RCC)。此種RCC(Resin Coated Copper Foil)中之銅箔為0.5 OZ,膠層厚約80~100um(3~4mil)。可全做成B-stage,也可分別做成B-stage與C-stage等兩層。后者於壓貼時其底墊上(Garget Pad)的介質(zhì)層厚度較易控制,但成本卻較貴。然后利用CO2雷射光,根據(jù)蝕銅底片的座標(biāo)程式去燒掉窗內(nèi)的要樹脂,即可挖空到底墊而成微盲孔。此法原為“日立制作所”的專利,一般業(yè)者若要出貨到日本市場時,可能要小心法律問題。

  2、開大銅窗法Large Conformal mask

  上述之成孔孔徑與銅窗口徑相同,故一旦窗口位置有所偏差時,即將帶領(lǐng)盲孔走位而對底墊造成失準(zhǔn)(Misregistration)的問題。此等銅窗的偏差可能來自板材漲縮與影像轉(zhuǎn)移之底片問題,大板面上不太容易徹底解決。

  所謂“開大窗法”是將口徑擴大到比底墊還大約2mil左右。一般若孔徑為6mil時,底墊應(yīng)在10miL左右,其大窗口可開到12mil。然后將內(nèi)層板底墊的座標(biāo)資料交給雷射使用,即可燒出位置精確對準(zhǔn)底墊的微盲孔。也就是在大窗口備有余地下,讓孔位獲得較多的彈性空間。於是雷射光是得以另按內(nèi)層底墊的程式去成孔,而不必完全追隨窗位去燒制明知已走位的孔。

  3、樹脂表面直接成孔法

  本法又可細分為幾種不同的途徑,現(xiàn)簡述如下:

  a、按前述RCC+Core的做法進行,但卻不開銅窗而將全部銅箔咬光,若就制程本身而言此法反倒便宜。之后可用CO2雷射在裸露的樹脂表面直接燒孔,再做PTH與化銅電銅以完孔與成線。由於樹脂上已有銅箔積而所踩出的眾多微坑,故其后續(xù)成墊成線之銅層抗撕強度(Peel Strength),應(yīng)該比感光成孔(Photo Via)板類靠高錳酸鉀對樹脂的粗化要好得很多。但此種犧牲銅皮而粗麻樹脂表面的做法,仍不知真正銅箔來得更為抓地牢靠.

  本法優(yōu)點雖可避開影像轉(zhuǎn)移的成本與工程問題,但卻必須在高錳酸鉀“除膠渣”方面解決更多的難題,大的危機仍是在焊墊附著可靠度的不足。

  b 、其他尚有采用:① FR-4膠片與銅箔代替RCC的類似做法;②感光樹脂涂布后壓著犧牲性銅箔的做法;③干膜介質(zhì)層與犧牲性銅箔的壓貼法;④其他濕膜樹脂涂布與犧牲性銅箔法等,皆可全部蝕銅得到坑面后再直接燒孔。

  c 、超薄銅皮直接燒穿法

  內(nèi)層核心板兩面壓貼背膠銅箔后,可采“半蝕法”(Half Etching)將其原來0.5OZ(17um)的銅皮咬薄到只剩5um左右,然后再去做黑氧化層與直接成孔。

  因在黑面強烈吸光與超薄銅層,以及提高CO2雷射的光束能量下,將可如YAG雷射般直接穿銅與基材而成孔,不過要做到良好的“半蝕”并不容易。於是已有銅箔業(yè)者在此可觀的商機下,提供特殊的“背銅式超薄銅皮”(如日本三井之可撕性UTC)。其做法是將UTC棱面壓貼在核心板外的兩面膠層上,再撕掉厚支持用的“背銅層‘,即可得到具有超薄銅皮(UTC)的HDI半成品。隨即在續(xù)做黑化的銅面上完成雷射盲孔,并還可洗耳恭聽掉黑化層進行PTH化銅與電銅。此法不但可直接完成微孔,而且在細線制作方面,也因基銅之超薄而大幅提升其良率,當(dāng)然這種背銅式可撕性的UTC,其價格一定不會便宜。

 

來源:激光鉆孔技術(shù)介紹

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