高密度PCB激光鉆孔介紹

目前在全球迅速擴(kuò)張的高性能手持設(shè)備（如智能手機(jī)和平板電腦）在行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。在這些設(shè)備內(nèi)部，是通過(guò)高密度互連(High-Density Interconnection, HDI)技術(shù)制成的多層印刷(Printed Circuit Board, PCB)，這些上的電傳導(dǎo)是由層間導(dǎo)孔的電連接來(lái)控制的。目前CO 2 激光鉆孔機(jī)廣泛應(yīng)用于加工層間導(dǎo)孔。 PCB材料是一種復(fù)合材料，包括：形成電路的銅箔，確保電氣絕緣的樹脂，以及增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的玻璃纖維。直徑為100μm或更小的高質(zhì)量導(dǎo)孔，可使復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)高密度互連。隨著在復(fù)合、高質(zhì)量鉆孔加工的發(fā)展，CO 2 激光鉆孔在HDI板制造工藝中變得日益重要，可獲得極好的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效率。 1991年，IBM公司引入感光成孔技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于HDI的生產(chǎn)，這種技術(shù)可使板上各層之間通過(guò)大量導(dǎo)孔連接。雖然感光成孔工藝在生產(chǎn)效率方面突出，但是大多數(shù)導(dǎo)孔是在輻照工藝中加工完成，的材料僅限于光敏樹脂。而且，以往用玻璃纖維來(lái)加強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，在感光成孔工藝中卻不適用；另外，在控制化學(xué)過(guò)程中也存在困難。正是因?yàn)檫@些局限性，感光成孔工藝最終沒有得以廣泛應(yīng)用。 當(dāng)時(shí)激光鉆孔被視為是一種可替代的技術(shù)。最初，準(zhǔn)分子激光器和TEA CO 2 激光器被用于加工導(dǎo)孔。然而，準(zhǔn)分子激光器在可靠性和維護(hù)成本上面臨挑戰(zhàn)，而TEA CO 2 激光器也面臨著生產(chǎn)效率的問題，因?yàn)樗罡叩闹貜?fù)頻率只有500赫茲。 為解決激光鉆孔應(yīng)用中的問題，三菱電機(jī)公司在1996年獨(dú)立開發(fā)了一種CO 2 激光器，可以產(chǎn)生峰值功率超過(guò)10千瓦、微秒級(jí)短脈寬的脈沖，而且其高重復(fù)頻率達(dá)kHz級(jí)。在這個(gè)CO 2 激光器內(nèi)部，基于MOSFET的高壓、高速開關(guān)逆變電源和介電放電電極能夠產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定、無(wú)聲放電(Silent Discharge, SD)，它們被集成在諧振器的三軸交叉氣流裝置中。圖1所示，高峰/短脈沖CO 2 激光器能夠發(fā)射1μs到100μs的脈寬范圍——其他普通的氣流型CO 2 激光器則不能以這樣的脈沖模式運(yùn)行。這種無(wú)與倫比的性能有助于控制PCB各復(fù)合材料上的熱影響，實(shí)現(xiàn)以高生產(chǎn)率加工理想的、高質(zhì)量導(dǎo)孔。圖2所示的CO 2 激光鉆孔設(shè)備裝置了CO 2 激光器，并與高速高精度振鏡掃描系統(tǒng)以及f-θ透鏡結(jié)合起來(lái)。這種激光鉆孔系統(tǒng)中，激光光束被分束器分成兩個(gè)相同的光束，傳輸?shù)窖b有掃描振鏡和f-θ透鏡的兩個(gè)加工頭，通過(guò)同時(shí)加工兩個(gè)PCB板以提高生產(chǎn)率。圖3是銅直接鉆孔的范例，它顯示了常見的高密度板制造工藝。這種盲孔工藝通過(guò)激光穿透銅箔表面，在樹脂層上鉆孔，然后在內(nèi)層銅的表面上停住。在銅直接鉆孔過(guò)程中，要保證高能激光脈沖快速“射擊”在同一加工點(diǎn)，因?yàn)殂~是一種高導(dǎo)熱材料。CO 2 激光器以其特有的高峰值功率激光脈沖，能夠在銅箔表面的加工性能較好，而且優(yōu)質(zhì)的盲孔通常有著光滑的孔壁表面，在激光鉆孔之后再進(jìn)行電鍍工藝，也不會(huì)破壞孔的結(jié)構(gòu)完整性。除了HDI板的加工應(yīng)用，CO 2 激光器的盲孔加工技術(shù)還應(yīng)用于內(nèi)置硅集成電路芯片的半導(dǎo)體封裝工藝中。半導(dǎo)體封裝有兩種類型的層：一個(gè)核心層，以確保的剛性，另一個(gè)是積層，以形成電氣接口與硅集成電路芯片的超細(xì)電路。由于硅集成電路芯片的高度集成，半導(dǎo)體封裝必須結(jié)合高密度互連電路。在這一領(lǐng)域，該技術(shù)要求在積層上加工微米級(jí)的盲孔，直徑小于50μm；以及在核心層加工直徑100μm的小通孔。圖4顯示了采用CO 2 激光器加工的盲孔和小通孔。至于微米級(jí)盲孔，曾經(jīng)由紫外激光器加工直徑40μm級(jí)的盲孔，現(xiàn)已由CO 2 激光鉆孔設(shè)備實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備安裝了高性能f-θ透鏡，使光學(xué)畸變減至最小。此外，這一最新的激光鉆孔設(shè)備能夠用四束分束的激光同時(shí)加工四個(gè)孔，達(dá)到每秒4500個(gè)孔的高速加工。這種CO 2 激光器微孔加工方式比紫外激光器具有更好的經(jīng)濟(jì)效率，證明了它有利于降低高端半導(dǎo)體封裝的生產(chǎn)成本。 采用激光加工通孔的方法不同于盲孔加工工藝，該方法已應(yīng)用于頂端和底部均為銅層的上。該方法是采用激光鉆孔，先從板材的一側(cè)加工到中間層，然后從板材另一側(cè)的同一位置再做鉆孔加工，從而得到一個(gè)通孔。典型的激光鉆孔振鏡位置精度小于±10μm，使得雙面的鉆孔之間，直徑小于100μm的通孔沒有移位。由于激光加工通孔可以解決常規(guī)機(jī)械鉆孔所帶來(lái)的問題，即鉆頭成本、生產(chǎn)率和孔的定位精度，而激光加工通孔的技術(shù)正迅速普及。 CO2激光鉆孔不僅應(yīng)用在加工之中，也廣泛用于制造多層陶瓷電容器（Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC），這種電容器大量用于手持設(shè)備。對(duì)于MLCC，燒結(jié)之前的陶瓷板被稱為“綠片”，是一個(gè)激光加工的目標(biāo)材料。高峰值/短脈沖CO 2 激光器很適合在綠片上高速加工出高質(zhì)量、極微小的孔洞。作為不可或缺的生產(chǎn)工具，有數(shù)百臺(tái)三菱電機(jī)CO 2 激光鉆孔設(shè)備在MLCC制造領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)行。 隨著半導(dǎo)體封裝制造業(yè)內(nèi)整體上強(qiáng)化成本驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)，CO 2 激光鉆孔對(duì)半導(dǎo)體封裝行業(yè)頗具吸引力。盡管CO 2 激光器并非尖端的新型激光器，但它在工業(yè)應(yīng)用方面，的確是一種優(yōu)秀、可靠、經(jīng)濟(jì)的激光器。CO 2 激光鉆孔有望在未來(lái)發(fā)展成為一個(gè)有用的加工方式，應(yīng)用于PCB制造業(yè)。