紫外雷射鑽孔技術分析

1、雷射在微孔加工的應用現狀

        隨著電子產品朝著攜帶型、小型化的方向發展，對電路板小型化提出了越來越高的需求。例如現代手機和數位相機的線路板每平方厘米安裝大約為1200條互連線。提高電路板小型化水平的關鍵在于越來越窄的線寬和不同層麵線路之間越來越小的微型過孔。對於微型過孔而言，為了有效地保證各層間的電氣串連以及外部器件的固定，在高速、高密度的PCB設計時，設計者總是希望過孔越小越好，這樣板上不僅可以留有更多的布線空間,而且過孔越小，越適合用於高速電路，這樣通過微型過孔不僅提供了表面安裝器件與下面訊號面板之間的高速串連，而且有效地減小了面積，印製線路板（PCB）逐步呈現出以高密度互連技術為主體的積層化、多功能化特徵。目前微細孔的費用通常占PCB制板費用的30%-40%。傳統的機械鑽孔最小的尺寸僅為100μm，這顯然已不能滿足要求，取而代之的是一種新型的雷射微型過孔加工方式。目前用CO2雷射器加工在工業上可獲得過孔直徑達到30-40μm的小孔或用UV雷射加工10μm 左右的小孔。目前雷射微線孔UV雷射鑽孔裝置只佔全球市場的15%，但該類裝置市場需求的增長要比新型的CO2雷射鑽孔裝置的需求高3倍。另外，由於目前電子產品要求的研發周期越來越短，為了滿足研發階段對電路板快速、單件的要求，設計者要求裝置兼具打孔、電路圖形雕刻和切割功能。目前，已經具備這些功能的國外雷射微線孔裝置相當昂貴。

      雷射獨一無二的特性使得它成為微處理的理想工具. 雷射是非接觸性零磨損工具, 能夠通過聚焦將非常大的能量密度傳遞到精確的加工位置進行鑽孔、切割和焊接。兩者間的相互作用的類型取決於待處理的材料的特徵和雷射的波長和能量。
     脈衝式CO2雷射器和紅外YAG 雷射器是在材料處理中較為常用的紅外雷射光源。但是, 許多塑料和一些大量用在柔性電路板基體材料中的特殊彙總物(如聚醯亞胺)不能通過紅外處理或"熱"處理過程進行精細加工。熱會使塑料變形, 在切割邊緣或者鑽孔邊緣上產生炭化形式的損傷, 而這可能會導致電路板結構性的削弱和寄生傳導性通路, 從而不得不增加後續處理工序以改善加工結果。因此, 紅外雷射器不適合於某些柔性電路的處理。除此之外, 即使在高能量密度下, CO2 雷射器的波長也不能被銅吸收, 這更加苛刻地限制了它的使用範圍。
     相比之下, 紫外雷射器的輸出波長在0.4微米以下, 這是適合於處理彙總物材料的主要優點。 與紅外加工不同, 紫外微處理過程從本質上來說不是"熱"處理過程。大多數材料吸收紫外光比紅外光更容易, 高能量的紫外光光子直接破壞許多非金屬材料表面的分子鍵, 這種"冷"加工出來的組件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化影響。
     由於紫外光在聚焦上的優點, 聚焦點可小到亞微米數量級, 從而對金屬和彙總物的微處理更具優越性, 可以進行小組件的加工; 即使在不高的脈衝能量水平下, 也能得到較高的能量密度, 有效地進行材料加工。

        雷射微線孔在工業界應用已經相當廣泛，主要的方式有兩種形式：

 1）是使用紅外雷射：將材料表面的物質加熱汽化（蒸發），以除去材料，這種方式通常稱為熱加工。主要採用CO2（波長10.6μm）或Nd:YAG雷射（波長1.064μm）。

2）是使用紫外雷射：直接將材料的分子鍵打斷，使分子脫離物體的加工方式，這種方式不會產生高的熱量，故稱為冷加工。主要採用UV-YAG雷射（355nm、266nm、213nm）或準分子雷射。

        使用紅外雷射的熱加工方式已經得到了廣泛的應用，但使用紫外雷射的冷加工方式正在得到廣泛的研究。由於紫外雷射的很多優異特性，世界上很多的公司正在或已經研製紫外雷射微線孔裝置。下表是兩種加工方式的比較，可以看到這兩種方式的能力是不同的。

     隨著對小型電子產品和微電子元器件需求的日益增長, 彙總物材料的精密處理日漸成為雷射在工業應用中發展最快的應用領域之一。紫外雷射是處理廣泛應用於微電子元器件工業中的塑料(如聚醯亞胺)和金屬(如銅)等材料的理想工具。固態雷射器的最新技術推動了新一代結構緊湊, 全固態的紫外雷射器的發展, 從而使之成為這個領域中更加經濟有效加工手段。

紅外雷射和紫外雷射鑽孔能力比較

 

 

	紅外雷射（CO2雷射）	紫外雷射（UV-YAG）
深徑比	0.4~0.9:1 用於盲孔	0.25~10:1 通孔、盲孔皆可
孔徑	150~350μm	10~150μm
加工速度	300孔/min	24000孔/min

        因紫外雷射可達到10μm直徑，1μm精度的鑽孔能力，紫外雷射在鑽孔上的應用隨著電子工業微細化的趨勢越來越受到重視。以目前的印刷電路板（PCB）而言，已經有一部分由UV-YA G鑽孔機取代。鑽孔速度快速而精確。另外很多微孔過濾板、醫學用的導管上的鑽孔等也必須利用紫外雷射才能達到要求。

2、雷射微孔加工的市場及技術水平

        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4~8mil的微盲孔製作最方便，量產速度約為YAG機的十倍，後者是先用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4~6mil的微盲孔最為適合，症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4~6mil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（Absorption）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，被板材吸收後出現熔融、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），需經後製程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 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係。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以下地區的吸收率頗高，但進入可見光與IR後即大幅滑落。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     脈衝能量
　　實用的雷射成孔技術，是利用斷續式（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鑽孔。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（Contact Mask）等製程。
　　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/CO2鑽孔機為例，其定位法是采“電流計式反射鏡”（Galvanometer and Mirro）本身的X.Y.定位，加上機種台之XY檯面（XY Table）定位等兩種系統合作而成。後者是將大板面劃分成許多小“管區”（最大為50mm見方，一般為精確起見多採用30mm見方），工作中可XY移動檯面以交換管區。前者是在單一管區內，以兩具Galvanometer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鑽妥後，即快速移往下一個管區再繼續鑽孔。
　　所謂的Galvanometer是一種可精確微動±20°以下的鐵製品，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（2~4ms）折射而定位。但此種系統也有一些缺點，如：①所打在板面上的光束不一定都很垂直，多少會呈現一些斜角，因此還需再加一種“遠心透鏡”（Telecentric Lense）來改正斜光，使儘可能的垂直於孔位；②電流計式反射鏡系統所能涵蓋的地區不大，最多隻能管到50mm*50mm，故還須靠XY Table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；③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鑽孔或位失准等故障。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。別將檯面加裝線性馬達而只做Y移動，如此將可免除接壞錯誤。此法與傳統機械鑽孔機的鑽軸X左右移動，加上檯面Y前後動的定位方式相同。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雷射成孔的不同製程
　　2．1     開銅窗法Conformal Mask
　　是在內層Core板上先壓RCC然後開銅窗，再以雷射光燒除窗內的基材即可完成微盲孔。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），然後再各壓貼一張“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。後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。然後利用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“日立製作所”的專利，一般業者若要出貨到日本市場時，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視窗徑相同，故一旦視窗位置有所偏差時，即將帶領盲孔走位而對底墊造成失准（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，其大視窗可開到12mil。然後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。也就是在大視窗備有餘地下，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，若就製程本身而言此法反倒便宜。之後可用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，故其後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     其他尚有採用：① FR-4膠片與銅箔代替RCC的類似做法；②感光樹脂塗布後壓著犧牲性銅箔的做法；③幹膜介質層與犧牲性銅箔的壓貼法；④其他濕膜樹脂塗布與犧牲性銅箔法等，皆可全部蝕銅得到坑面後再直接燒孔。
　　2．4     超薄銅皮直接燒穿法
          內層核心板兩面壓貼背膠銅箔後，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，然後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”並不容易。於是已有銅箔業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，再撕掉厚支援用的“背銅層‘，即可得到具有超薄銅皮（UTC）的HDI半成品。隨即在續做黑化的銅面上完成雷射盲孔，並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，而且在細線製作方面，也因基銅之超薄而大幅提升其良率，當然這種背銅式可撕性的UTC，其價格一定不會便宜。

 3、紫外雷射制孔的技術要求

      一直以來, 準分子雷射器在紫外"冷加工" 應用領域中佔有主導地位, 但是, 準分子技術有許多固有的缺點: 所有的準分子雷射器都要使用有毒氣體, 而特殊氣體的更換, 儲存和調整過程非常麻煩. 同時, 它們的體積龐大, 價格昂貴, 操作和維修費用高; 不僅如此, 最大的問題在於準分子雷射器的輸出光束大而方, 空間品質較差, 這嚴重地限制了光束的聚焦性, 使得在微處理過程中一定要使用掩模板。準分子雷射器對一步鑽出相同形狀的孔和重複性的工作是不錯的 (如加工噴墨印表機磁鼓噴嘴上的孔), 但總的說來效率並不高, 只有1%的脈衝能量作用於加工表面, 而其它約99% 的光能量損失於模板。此外, 掩模法的靈活性有限, 如果圖形變化需要更換掩模板時, 整個加工過程必須停止。
     固體紫外雷射器的應用一直以來受限於輸出功率不夠大, 不能夠滿足加工需要。隨著更可靠的半導體泵浦固體技術, 以及更為可靠的三倍頻機理的發展, 情況已有所改變。新的三倍頻半導體泵浦固體雷射器成為準分子雷射器的競爭者, 能量密度水平相當, 但重複頻率更高, 光束品質更好。
     Coherent 公司生產的AVIA 355-1500 型半導體泵浦固體雷射器, 輸出波長355nm, 平均功率1.5W, 最高重頻可達100kHz, 光束品質好, 非常適合於微處理應用場合。好的光束品質, 從而優秀的聚焦能力使您可擺脫掩模板進行加工, 通過電腦控制的掃描振鏡系統將光束傳導到工作台上的任何位置), 使用CAD/CAM 軟體通過直接刻寫的方法執行鑽孔、刻線或者切割; 當圖樣變化時, 無須更換硬體。鑽孔實驗表明, 比聚焦點大的任意尺寸和形狀的鑽孔和切割都可以通過反覆雕琢的方式進行。
     高重複頻率是現代DPSS 雷射器的又一突出優點。準分子雷射器的重複頻率一般在幾百赫茲. 而AVIA 的重頻可達100kHz。高的重複頻率在低密度孔分布應用中以及布線或切割加工中可大大提高生產量。例如, 在2密爾(50微米)厚的KaptonTM 聚醯亞胺材料上鑽30微米直徑的孔大約需要200個脈衝, 能量密度為0.2J/cm2。AVIA 工作在50kHz 重頻時1秒鐘可以打大約250個孔, 而工作在200Hz重複頻率下的準分子雷射器打出一個相同參數的孔需要整整1秒