激光直接打孔技術(shù)定位方法的探討

曲 鍵 崔連旺 鄭 威（大連太平洋電子有限公司，大連 116600）

激光直接打孔技術(shù)定位方法的探討

曲 鍵 崔連旺 鄭 威
（大連太平洋電子有限公司，大連 116600）

隨著HDI印制板設(shè)計(jì)精度的日益提升及成本降低的需求，激光直接打孔技術(shù)得到日益廣泛的應(yīng)用。本文針對激光直接打孔技術(shù)定位方法進(jìn)行探討，通過對比傳統(tǒng)的掃靶孔定位和直接燒靶定位的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種新的定位方法-開窗燒靶定位，并對該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，得到了較好的效果。

激光直接打孔；掃靶孔定位；直接燒靶定位；開窗燒靶定位

1 前言

高密度互連（HDI）是生產(chǎn)印制板的一種技術(shù)，使用微盲埋孔技術(shù)的一種線路分布密度比較高的電路板。電子設(shè)計(jì)在不斷提高整機(jī)性能的同時(shí)，也在努力縮小其空間尺寸，同時(shí)在有限的空間內(nèi)架構(gòu)更加密集的邏輯網(wǎng)絡(luò)，要求更小的PCB特征尺寸，這推動了對HDI/微型過孔的強(qiáng)烈需求。凡直徑小于150 μm以下的孔在業(yè)界被稱為微孔（Microvia）。HDI板一般采用積層法（Build-up）制造，積層的次數(shù)越多，板件的技術(shù)檔次越高。普通的HDI板基本上是1次積層，高階HDI采用2次或以上的積層技術(shù)，同時(shí)采用疊孔、電鍍填孔、激光直接打孔等先進(jìn)PCB技術(shù)。

2 激光直接打孔技術(shù)

2.1 激光

激光是指當(dāng)原子在躍遷（高能級向低能級的過程）時(shí)受到外來光子（具有一定能量以光速運(yùn)動的粒子）的誘發(fā)，原子就會發(fā)出一個(gè)與入射光子頻率相近，傳播方向完全相同的光子，這就是受激輻射的光，這些光子通過諧振，受激輻射越來越強(qiáng)，光密度不斷增大，形成激光。

激光按波段分，可分為可見光、紅外、紫外、X光、多波長可調(diào)諧，目前工業(yè)用紅外及紫外激光。例如CO2激光器紅外激光，氪燈泵浦YAG激光器紅外激光，氙燈泵浦YAG激光器紅外激光，半導(dǎo)體側(cè)面泵浦YAG激光器紅外激光。

CO2激光成孔因其加工效率和光電轉(zhuǎn)換效率及成本上的優(yōu)勢而被廣泛采用。其成孔主要是通過波長和能量穩(wěn)定的紅外線作用在待加工的介質(zhì)上，使用紅外線的熱效應(yīng)加工，使介質(zhì)氣化，而銅和FR-4介質(zhì)對紅外線吸收率不一樣（介質(zhì)對紅外線吸收率＞80%，銅對紅外線吸收率＜10%），因此紅外線只能作用于介質(zhì)，而對銅無法打穿，因此正常的CO2激光加工工藝，需先蝕刻開銅窗后再進(jìn)行激光成孔。而激光直接打孔工藝加工，在激光鉆孔前，必須進(jìn)行銅箔表面處理，增加激光的吸收性，方可進(jìn)行激光孔加工。

2.2 激光直接打孔

激光直接打孔使用連續(xù)多槍脈沖，每一槍能量不同，首先使用高能量脈沖熔銅，形成盲孔的雛形，起到開銅窗的作用，減少熔銅飛濺，保證一定的孔圓度，然后用較低能量的脈沖加工介質(zhì)，對孔壁進(jìn)行有效修理，具體如圖2所示。

激光直接打孔工藝因其流程短、加工精度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)而被業(yè)界廣泛關(guān)注，與之相對應(yīng)的，不斷有相關(guān)的設(shè)備、材料、銅箔表面處理等新產(chǎn)品，新技術(shù)的出現(xiàn)。

對于激光直接打孔而言，定位基準(zhǔn)尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的激光直接打孔技術(shù)的定位方式一般有兩種：掃靶孔定位和直接燒靶定位。

2.2.1 掃靶孔定位

此種方法是在激光直接打孔時(shí)，直接使用由X-Ray掃靶機(jī)識別內(nèi)層靶環(huán)鉆孔而成的掃靶孔作為定位基準(zhǔn)。由于引進(jìn)了掃靶孔自身的位置精度誤差，定位精度不高，最大偏差會達(dá)到60 μm。而且，當(dāng)掃靶孔存在銅屑毛刺、孔型不圓等問題時(shí)，激光鉆床對掃靶孔的識別精度會大受影響，不但影響生產(chǎn)效率，重要的是激光孔的對位精度會直接變差。然而，雖然存在這些問題，作為一種最方便的定位模式，掃靶孔定位仍然是目前印制板廠商在激光直接打孔工藝上的首選。

2.2.2 直接燒靶定位

此種方法是采用黑化或棕化對銅箔進(jìn)行表面預(yù)處理，然后采用激光直接燒靶定位，如圖所示。圖3中，天窗層銅箔1通過半固化片3和芯材4壓合在一起，在激光束5的作用下，天窗層銅箔1被燒蝕出蝕銅靶區(qū)1a，此時(shí)，半固化片3已經(jīng)被局部燒蝕，且殘留厚度不均勻；在激光束5的繼續(xù)作用下，蝕銅靶區(qū)1a下部的半固化片3被完全燒蝕，并透過次外層承接盤2的對位靶孔2a向芯材4內(nèi)部燒蝕，形成深淺不一的孔洞，嚴(yán)重時(shí)會造成芯材燒蝕擊穿4a。由此可見，由于預(yù)處理的不均勻，定位靶標(biāo)的燒蝕狀態(tài)不一致，生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。雖然這種方法的定位精度能達(dá)到30 μm以內(nèi)，但很難予以批量使用。

3 開窗燒靶定位

針對以上激光直接打孔工藝定位方式存在的問題，筆者提出了一種開窗燒靶定位模式，即可以解決掃靶孔定位對位精度不高的問題，同時(shí)也徹底杜絕了直接燒靶定位存在的芯材燒蝕擊穿缺陷，可謂一舉兩得。

下面僅就開窗燒靶定位和業(yè)界普遍采用的掃靶孔定位做一比較。

3.1 工藝流程設(shè)計(jì)

印制板芯材制作→點(diǎn)焊→天窗層銅箔開窗口→疊板層壓→棕化/黑化→燒靶定位→激光鉆孔

具體過程如圖4和圖5所示。

3.1.1 層壓方法

（1）在天窗層銅箔1的四角銑開窗口，形成開窗靶區(qū)1b。

（2）層壓疊板時(shí)，首先在下鏡板6上平鋪一張?zhí)齑皩鱼~箔1，并使其粗糙面朝上；然后使用疊板臺紅外線發(fā)生器產(chǎn)生紅外線形成四個(gè)交叉光點(diǎn)7a，并移動光點(diǎn)7a位置使其與四個(gè)開窗靶區(qū)1b中心對正；取點(diǎn)焊好的印制板芯材4按正確的方向平放到天窗層銅箔1上，并使其四角的次外層承接盤2中心對準(zhǔn)四個(gè)紅外線交叉光點(diǎn)7a；最后，在芯材4上平鋪一張?zhí)齑皩鱼~箔1，其粗糙面朝下，并且四角的開窗靶區(qū)1b中心對準(zhǔn)四個(gè)紅外線交叉光點(diǎn)7a，蓋上鏡板6，層壓加工，再對層壓后的印制板進(jìn)行黑化加工。其中，所述天窗層銅箔1在數(shù)控銑床上使用預(yù)設(shè)的銑程序加工，在銅箔的四角開窗口，形成開窗靶區(qū)1b，所述開窗靶區(qū)1b為正方形（邊長6 mm ～ 10 mm）或圓形（直徑6 mm ～10 mm），四個(gè)開窗靶區(qū)1b的間距與印制板芯材4上四個(gè)次外層承接盤2的間距相同。

（3）對層壓后的印制板進(jìn)行棕化或黑化加工。

3.1.2 激光直接打孔方法

（1）采用預(yù)設(shè)程序?qū)μ齑皩鱼~箔的四個(gè)開窗靶區(qū)露出的半固化片進(jìn)行燒蝕，露出次外層承接盤和對位靶孔；

（2）以對位靶孔為定位基準(zhǔn)，進(jìn)行激光直接鉆孔。

3.2 對位精度實(shí)驗(yàn)比較

按前文所述的工藝方法進(jìn)行開窗燒靶定位和掃靶孔定位的對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)板工藝流程見圖6。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

小結(jié)：開窗燒靶定位工藝的激光孔與內(nèi)層圖形的對位精度在30 μm以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于掃靶孔定位工藝的60 μm。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)板對位效果

開窗燒靶定位工藝的激光孔與內(nèi)層圖形的對位效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于掃靶孔定位工藝。

4 總結(jié)

使用直接在天窗層銅箔上定位靶標(biāo)位置開窗口的開窗燒靶定位方式，取代直接燒靶定位的加工方法，徹底杜絕了由于預(yù)處理的不均勻而產(chǎn)生的定位靶標(biāo)的燒蝕狀態(tài)不一致問題，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)顯著提高。

一個(gè)比較關(guān)鍵的問題在于如何對天窗層銅箔進(jìn)行開窗口加工，大家可以根據(jù)自身的具體條件，或鉆、或銑、或沖，無一不可，但需要注意的是要保證銅箔的完好性和清潔度。

筆者自認(rèn)采用此方法加工的HDI印制板，其激光孔與內(nèi)層圖形對位精度極高，適用于產(chǎn)品等級較高的高端印制板產(chǎn)品，對HDI板定位精度比較撓頭的制造廠可以考慮采用此方法。然行文粗陋，難免貽笑大方，望業(yè)界同仁不吝指正。

[1]Michael Carano. What Pushed the Technology Envelope in 2012 and a Look Ahead to 2013[J]. PCB magazine, 2012,12.

[2]陳永生. 任意層互連印制板工藝發(fā)展路線[J]. 印制電路信息, 2013,4.

[3]Mike Adelstein. Looking Outside the Hole∶ The Evolution of Via Drilling[J]. PCB magazine,2013,05.

曲鍵，技術(shù)中心研發(fā)部副部長致讀者：

致 歉 與 更 正

2014年1月期中常煜、楊振國的《一種制造印制電路板的加成法新工藝》一文，由于排版校對時(shí)失誤，出現(xiàn)以下錯(cuò)誤，現(xiàn)做更正：

P12頁，摘要中“少減法”應(yīng)為“加成法”；

P13頁，“10 Ω·cm ～ 3 Ω·cm至10 Ω·cm ～ 5 Ω·cm”應(yīng)為“10-3Ω·cm至10-5Ω·cm”；

P14頁，“方阻偉5 mΩ”應(yīng)為“方阻為5 mΩ”。

同時(shí)，我們在“中國知網(wǎng)”與“萬方數(shù)據(jù)”的網(wǎng)站上，將依然以正確的文章供讀者們下載閱讀。

最后，本刊編輯部對此情況的發(fā)生，衷心地向此文作者與廣大讀者深表歉意！

本刊編輯部

2014年1月

Investigation of the location method of laser direct drilling

QU Jian CUI Lian-wang ZHENG Wei

With the requirement of HDI PCB design accuracy increasing and cost reduction, the direct laser drilling technology is gotten the extensive application. This article summarized the location method of direct laser drilling technology. By comparing the advantages and disadvantages between the traditional X-Ray location hole and direct burning location, the new location method of burning location with windows is created. The production process are tested and gotten the good effect.

Laser Direct Drilling; X-Ray location Hole; Direct Burning location; Burning location with Windows

TN41

A

1009-0096（2014）02-0044-04