1、激光鉆孔技術介紹2007-1-25 17:47:23 源自：中國PCB制造 作者: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(主要供應者為美商ESI公司)；紅外線的 CO2雷射機(最先為 Lumonics，現有日立、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 48mil的微盲孔制作最方便，量產速度約為 YAG機的十倍，后者是先 用YAG頭燒掉全數孔位的銅皮，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46mil的微盲孔最為適

2、合，癥均量產每分鐘單面可燒出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 46mil 微孔似乎就不太經濟了。 以下即就雷射成孔做進一進步的介紹與討論。1雷射成孔的原理雷射光是當：“射線”受到外來的刺激，而增大能量下所激發的一種強力光束，其中紅外光或可見光者擁有熱能，紫外光則另具有化學能。射到工作物表面時會發生反射(Refliction )吸收( Absorptio

3、n )及穿透( Transmission )等三種現象，其中只有被吸收者才會發生作用。而其對板材所產生的作用又分為熱與光化兩種不同的反應，現分述於下：1 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一圈高熟造成的黑氧化銅屑），需經后制程Desmear 清除，才可完成牢固的盲孔銅壁。1 2光化裂蝕 Photochemical Ablation是指紫外領域所具有的高光子能量（ Photon

4、Energy ），可將長鍵狀高分子有機物的化學 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。本反應是不含熟燒的“冷作”（ Cold Process ），故孔壁上不至產生炭化殘 渣。1 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，都能維持於相當不錯的高吸 收率。1 4脈沖能量實用的雷射成孔技術，是利用斷續式（ Q-switch

5、 ）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GEMO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（LDI）或密貼光罩（Con tact Mask ）等制程。1 5精確定位系統1.5.1 小管區式定位以“日立微孔機械”公司( Hitachi via Machine ，最近由“日立精工”而改名)之RF/C02鉆孔機為例，其定位法是采"電流計式反射鏡” ( Galva nomet

6、er and Mirro )本身的X.Y.定位，加上機種臺之 XY臺面(XY Table )定位等兩種系統合作而成。后者是將大板面劃 分成許多小“管區”(最大為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。前者是在單一管區內，以兩具 Galva nometer的XY微動，將光點打到板 面上所欲對準的靶位而成孔。當管區內的微孔全部鉆妥后，即快速移往下一個管區再繼續鉆 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動反射，而將雷射光束加以快速(24ms

7、)折射而定位。但此種系統也有一些缺點，如：所打在板面上的光束不一定都很垂直，多少會呈現一些 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；電流計式反射鏡系統所能涵蓋的區域不大，最多只能管到50mm*50mm故還須靠XYTable來移換管區。其管區越小當然定位就越精準，但相對的也就犧牲了量產的時間；大板 面上管區的交接無法達到完全的天衣無縫，免不了會出現間隙或重疊等“接壞錯誤”(Abutment Errors )，對高密度布孔的板子可能會發生漏鉆孔或位失準等故障。此時可加裝 自動校正系統以改善管區的更換，或按布孔的密度而機動自行調

8、整管區的大小與外形。1.5.2 全板面定位除了上述的“ Galvo XY”與“小管區移換”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。另U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。2.二氧化碳CO2雷射成孔的不同制程21開銅窗法 Conformal Mask是在內層Core板上先壓RCC然后開銅窗，再以雷射光燒除窗內的基材即可完

9、成微盲孔。詳情是先做 FR-4 的內層核心板，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( Res in Coated Copper Foil )中之銅箔為 0.5 OZ膠層厚約 80100um (34mil )。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 )的介質層厚度較易控制，但成本卻較貴。然后利 用CO2雷射光，根據蝕銅底片的座標程式去燒掉窗內的要樹脂，即可挖空到底墊而成微盲孔。此法原為“日立制作所”的專利，一般業者若要出貨到日本市場

10、時，可能要小心法律問題。2 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，即將帶領盲孔走位而對底 墊造成失準( Misregistration )的問題。此等銅窗的偏差可能來自板材漲縮與影像轉移之底 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 應在 10miL 左右，其大窗口可開到 12mil 。然后將內層板底墊的座標資料交給雷射使用，即可 燒出位置精確對準底墊的微盲孔。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層

11、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。2 3樹脂表面直接成孔法本法又可細分為幾種不同的途徑，現簡述如下：2.3.1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，故其后續成墊成線之銅層抗撕強 度( Peel Strength )，應該比感光成孔( 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。本法優點雖可避開影像轉移的成本與工程問

12、題，但卻必須在高錳酸鉀“除膠渣”方面解決 更多的難題，最大的危機仍是在焊墊附著可靠度的不足。2.3.2 其他尚有采用：FR -4膠片與銅箔代替 RCC勺類似做法；感光樹脂涂布后壓著犧牲性銅箔的做法；干膜介質層與犧牲性銅箔的壓貼法；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。2 4超薄銅皮直接燒穿法內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。於是已有銅箔業者在此可觀的商機 下，