HDI印制電路板中的激光鉆孔工藝研究及應(yīng)用

楊 婷 何 為 成麗娟 周?chē)?guó)云

（電子科技大學(xué)，四川 成都 610000）

徐 緩

（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 513768 ）

1 引言

CO2激光鉆孔是目前剛性HDI板中盲孔的主要加工方式[1]。激光鉆孔技術(shù)很大程度上提高了鉆孔速度，也擴(kuò)大了微孔加工的應(yīng)用范圍。更小的孔加工、更大的厚徑比和可實(shí)現(xiàn)更完美的電氣性能的孔型進(jìn)一步推進(jìn)印制電路行業(yè)的技術(shù)水平[2]。

對(duì)于CO2激光鉆孔，目前主要用于加工孔直徑為0.15 mm、0.125 mm、0.1 mm、0.075 mm的微盲孔，最小加工直徑可以做到50 μm以下，厚徑比達(dá)到20:1。隨著激光技術(shù)的不斷推進(jìn)，激光鉆孔技術(shù)逐漸成熟起來(lái)[3]，但同時(shí)也對(duì)其提出更高、更難的要求，即更高效率和高質(zhì)量制孔。

胡友作[4]等使用正交試驗(yàn)法對(duì)撓性雙面板CO2激光鉆盲孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了比較好的參數(shù)。李曉蔚[5]等采用單純型法優(yōu)化了CO2激光制作的100微米的盲孔參數(shù)。但是，目前還沒(méi)有人系統(tǒng)的研究在剛性HDI板上CO2激光鉆孔參數(shù)分別對(duì)激光鉆孔效果的影響，所以本文做了該方面的工作。此外，胡友作等和李曉蔚等的研究中激光打銅和打樹(shù)脂的參數(shù)沒(méi)有區(qū)分開(kāi)，在剛性HDI板中，激光打銅和打樹(shù)脂的參數(shù)差別很大，且兩者之間的相互配合對(duì)打孔效果影響也很大，要提供具有實(shí)際生產(chǎn)參考價(jià)值的參數(shù)就需要將打銅和打樹(shù)脂的參數(shù)區(qū)分開(kāi)，并考慮兩者的組合對(duì)打孔效果的影響，這部分本文做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，并提供了具體的打銅和打樹(shù)脂參數(shù)，便于再現(xiàn)，更具實(shí)際指導(dǎo)意義。本文首先通過(guò)控制變量法客觀的研究了FR-4基板上激光鉆孔中激光束的能量、脈沖寬度、脈沖次數(shù)，光罩尺寸各參數(shù)對(duì)激光鉆孔的影響，通過(guò)分析，確定優(yōu)化激光鉆孔參數(shù)初步選擇規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，再用優(yōu)化試驗(yàn)法優(yōu)化了剛性HDI板的直接燒蝕銅箔法激光鉆孔參數(shù)，找出了孔直徑為75 μm、100 μm、和125 μm的微盲孔的制作參數(shù)，為生產(chǎn)控制提供直接指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及藥水

設(shè)備：三菱Mitsubishi ML605GTW-H CO2激光鉆孔機(jī)，垂直電鍍線(xiàn)，金相顯微鏡。

垂直電鍍線(xiàn)藥水：羅門(mén)哈斯填孔系列藥水，主要含有Cu2+、H2SO4、Cl-、Fe2+、Fe3+、加速劑、整平劑、光亮劑等。

實(shí)驗(yàn)首先通過(guò)控制變量法研究了激光能量、激光脈沖寬度、激光脈沖次數(shù)和光罩尺寸四個(gè)激光鉆孔參數(shù)分別對(duì)激光成孔的效果影響，并以此確定了激光參數(shù)的選擇大體范圍。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步確定了得到最優(yōu)上下孔徑比和真圓度的不同孔徑的孔的具體激光參數(shù)。

2.2 激光燒蝕FR-4基板的激光鉆孔參數(shù)對(duì)激光鉆孔的效果影響

為明確激光鉆孔參數(shù)對(duì)激光鉆孔的效果影響，現(xiàn)采用三菱Mitsubishi ML605GTW-H CO2激光鉆孔機(jī)，在輸出功率5 600 W，頻率100 Hz的條件下，在FR4上鉆孔分別討論激光鉆孔參數(shù)激光脈沖能量、激光脈沖寬度、激光脈沖次數(shù)、激光脈沖光罩尺寸（mask）與激光鉆孔的孔深、孔徑的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別如表1，表2～表4，表2-4所示。

表1激光能量與激光鉆孔的孔深、孔徑關(guān)系實(shí)驗(yàn)的參數(shù)表

表2 激光脈寬與激光鉆孔的孔深、孔徑關(guān)系實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

表3 脈沖次數(shù)與激光鉆孔的孔深、孔徑關(guān)系實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

表4光罩尺寸(mask)與激光鉆孔的孔深、孔徑關(guān)系實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2.3 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)在FR-4基板上激光鉆孔參數(shù)對(duì)激光鉆孔的效果影響實(shí)驗(yàn)確定的激光鉆孔參數(shù)與孔徑、孔深的關(guān)系，來(lái)選擇直接燒蝕銅箔法激光鉆孔優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的激光參數(shù)范圍，采用L16（45）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表安排實(shí)驗(yàn)[6]，對(duì)激光鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

選取激光脈沖能量、激光脈沖寬度、激光脈沖次數(shù)、激光脈沖光罩尺寸（mask）四個(gè)因素，前三個(gè)因素，每個(gè)因素取四個(gè)水平，最后一個(gè)因素即光罩尺寸取三個(gè)水平，試驗(yàn)因素水平安排如表5。打孔板材為在RCC（Resin Coated Copper，覆銅板）上做完圖形后覆PP（Prepreg，半固化）片和長(zhǎng)春銅箔并減銅棕化后的層壓板，孔深60 μm ～ 76 μm（銅厚5 μm ～ 6.5 μm和電介質(zhì)層厚度55 μm ～70 μm之和），實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)：孔徑，真圓度，上下孔徑比。

表5 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平表

根據(jù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果選出各指標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)和綜合各指標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

根據(jù)激光參數(shù)與鉆孔孔深、孔徑的關(guān)系實(shí)驗(yàn)和直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果選出各打不通孔徑的盲孔的最優(yōu)激光鉆孔參數(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

將優(yōu)化后得到的孔做孔金屬化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分析其金屬化效果，進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的激光鉆孔參數(shù)打出的孔的性能。

鍍銅工藝流程為：除膠—化學(xué)鍍銅—電鍍銅—填盲孔

實(shí)驗(yàn)以公司垂直電鍍生產(chǎn)線(xiàn)為環(huán)境，藥水為羅門(mén)哈斯填鍍系列藥水，電鍍參數(shù)為：1.4ASD×60min（ASD，安培/平方分米）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 激光燒蝕FR-4基板的激光鉆孔參數(shù)對(duì)激光鉆孔的效果影響的實(shí)驗(yàn)分析

在激光輸出功率與頻率恒定的條件下，光脈沖能量、光罩尺寸、脈沖寬度與次數(shù)決定鉆孔尺寸、形狀與加工質(zhì)量及精度。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別詳述各激光鉆孔因素對(duì)激光成孔的影響。

實(shí)驗(yàn)得到激光脈沖能量與孔深、孔徑有如圖1。

圖1 激光能量與成孔孔深、孔徑的關(guān)系曲線(xiàn)圖

由圖1可得到激光能量越大，激光鉆孔的孔尺寸也明顯增大，尤其是孔的深度，隨著激光能量的增加，大幅增加。CO2激光脈沖能量隨著其加工孔徑、孔深的增加而增加，且激光鉆孔的能量分布對(duì)成孔的孔壁影響很大，第一槍的脈沖能量較高有助于成孔真圓度及孔徑的控制，后面的槍數(shù)脈沖的能量應(yīng)在第一槍的基礎(chǔ)上降低，這樣有利于孔的上下孔徑比即孔的錐度的控制，更對(duì)激光鉆孔的孔壁的質(zhì)量有著不可忽略的影響。

實(shí)驗(yàn)得到激光脈沖寬度與孔深、孔徑有如圖2關(guān)系。

圖2 激光脈沖寬度與成孔孔深、孔徑的關(guān)系圖

從圖2可以看出，脈沖寬度對(duì)激光鉆孔的效果也有很大的影響，CO2激光脈沖寬度直接影響其成孔尺寸、孔壁粗糙度，且隨鉆孔孔徑的增大而增加。脈沖過(guò)大，作用時(shí)間長(zhǎng)，孔壁會(huì)有裂紋，且再鑄層也使孔壁更加凹凸不平，波紋，積瘤，嚴(yán)重的時(shí)候還孔被堵住。若用小脈寬則通光量密度雖然增大，但激光作用時(shí)間減少，尚未進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定蒸發(fā)狀態(tài)，激光照射就已結(jié)束，從而無(wú)法鉆孔，因此根據(jù)HDI電路板的的需要，明確孔的各項(xiàng)要求，選取合適的脈沖寬度。對(duì)于深而小的孔，宜選擇較長(zhǎng)的脈沖；大而淺的孔，則易選擇較短的脈寬。

用多模式光束處理5 μm ～ 7 μm厚度的薄銅箔、介質(zhì)層為55 μm ～ 70 μm的RCC，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到光罩尺寸與激光鉆孔孔徑關(guān)系如表6。

表6 光罩尺寸和對(duì)應(yīng)的孔徑關(guān)系表

從表3-1可看出，光罩尺寸對(duì)孔徑大小的影響很大，同時(shí)選取合適的光罩可以保證孔的質(zhì)量，如孔徑為100 μm的孔，既可以用光罩尺寸為2.0 mm的，也可以用2.2 mm的，但是用2.2mm的打出的孔的質(zhì)量會(huì)明顯優(yōu)于用2.0 mm的，因?yàn)橛?.0 mm的光罩尺寸打100 μm的孔時(shí)，需將能量增大，能量超過(guò)15 mj時(shí)，由于激光照射時(shí)，加工能量會(huì)在材料的內(nèi)部產(chǎn)生熱量，照射部分幾乎蒸發(fā)的同時(shí)，有一部分會(huì)擴(kuò)散至孔的周?chē)?，從而?dǎo)致孔入口周?chē)翱椎椎臏囟壬仙?，加工孔壁發(fā)生膨脹現(xiàn)象。為獲取HDI加工所需的高精度微孔，選用合適的光罩的同時(shí)還要選取合適能量與之匹配，才能得到最佳的孔。

在脈沖能量，脈沖寬度、光罩直徑選定后，影響鉆孔質(zhì)量的重要因素還有脈沖次數(shù)。通過(guò)控制脈沖次數(shù)，使孔型呈圓倒梯形。實(shí)驗(yàn)得到脈沖次數(shù)與成孔的孔深、孔徑的關(guān)系如圖3所示。

圖3 激光脈沖次數(shù)與成孔孔深、孔徑的關(guān)系圖

從圖3可以看出，由于在多脈沖加工中，激光脈沖的持續(xù)時(shí)問(wèn)比孔壁冷卻時(shí)問(wèn)短，因此通過(guò)控制脈沖模式，第一脈沖一般能量較高，以利于表面銅箔和絕緣層的去除；經(jīng)第一個(gè)脈沖后，孔徑不再有較大的增加，而孔深則隨著脈沖次數(shù)的增加而增加；而能量較小的第二脈沖則被使用于孔形的修整與孔底殘留絕緣層的除去，同時(shí)結(jié)合短脈沖高能量加工方式，以抑制孔入口處周邊的溫度上升速度。此外，隨著脈沖次數(shù)的增加，其每次打孔深度要小于初始孔徑以便于液相產(chǎn)生的量少且易排除，并且分布均勻，以保證鉆孔過(guò)程中孔壁和孔底的熔化最小，從而獲得最好的打孔質(zhì)量和精度。

3.2 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

激光鉆孔優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：采用L16(45)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表安排實(shí)驗(yàn)[6]，對(duì)激光鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：a上下孔徑比=（下孔徑/上孔徑）×100%。b 脈沖寬度組合代號(hào)1、2、3、4分別代表打銅脈寬13 μs+打樹(shù)脂脈寬6 μs、打銅脈寬14 μs+打樹(shù)脂脈寬5 μs、打銅脈寬15 μs+打樹(shù)脂脈寬4 μs和打銅脈寬15 μs+打樹(shù)脂脈寬6 μs。

因此，激光能量對(duì)孔的上下孔徑比和真圓度影響最顯著，光罩尺寸對(duì)孔徑影響最顯著。各參數(shù)的因素-指標(biāo)曲線(xiàn)圖如圖4～圖6所示。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)上下孔徑比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果由極差數(shù)據(jù)可得， R1A>R1D>R1B>R1C，因而因素主次關(guān)系依次為A-D-B-C。由于激光鉆孔得到的微孔的下孔徑是上孔徑的80%～85%是最佳的，85%～90%也是較優(yōu)的，小于79%，大于90%的是不好的，小于79%的，除膠時(shí)容易出現(xiàn)側(cè)噬懸銅，孔的電氣性能不好等問(wèn)題。大于90%不利于下一步鍍銅填盲孔時(shí)鍍液的分布，容易出現(xiàn)凹陷、空洞等缺陷。所以可選擇出最佳的參數(shù)組合為A2B2C3D2。

圖4 (a)激光能量、(b)脈沖寬度、(c)脈沖次數(shù)和(d)光罩尺寸對(duì)激光鉆孔的上下孔徑比的影響圖

圖5 (a)激光能量、(b)脈沖寬度、(c)脈沖次數(shù)和(d)光罩尺寸對(duì)激光鉆孔的上下孔徑比的影響圖

圖6 (a)激光能量、(b)脈沖寬度、(c)脈沖次數(shù)和(d)光罩尺寸對(duì)激光鉆孔的上下孔徑比的影響圖

對(duì)于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)真圓度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果由極差數(shù)據(jù)可以看出，R2A>R2B>R2D>R2C，因此因素主次關(guān)系依次為A-B-D-C。由于微孔的真圓度越接近100%，孔的電氣性能越好，對(duì)下步工序鍍銅越有利。所以，由實(shí)驗(yàn)的因素-指標(biāo)曲線(xiàn)圖5可選擇出最佳的參數(shù)組合為A2B4C3D1。

由實(shí)驗(yàn)的因素-指標(biāo)曲線(xiàn)圖6可知，激光能量的增加，孔的尺寸隨之增加，但在不同的激光能量范圍內(nèi)，孔徑隨激光能量增加的而增加的速度不同，能量在11 mj ～ 11.5 mj的范圍內(nèi)，孔徑急速增加，11.5 mj ～12 mj內(nèi)，能量增加，孔徑增加的較小。脈沖組合對(duì)激光鉆孔的尺寸影響曲線(xiàn)關(guān)系中可知打銅脈寬14 μs+打樹(shù)脂脈寬5 μs的組合下孔徑較大。脈沖次數(shù)對(duì)孔徑的影響不顯著，而光罩尺寸對(duì)孔徑影響非常顯著，隨著光罩尺寸的增加，孔的尺寸也隨之明顯增加。所以如需打出不同大小的孔，首先要確定光罩尺寸。

激光鉆孔參數(shù)優(yōu)化后加工的微孔質(zhì)量分析：

根據(jù)參數(shù)對(duì)各因素的影響關(guān)系圖可知，最優(yōu)真圓參數(shù)組合是A2B4C3D1，做最優(yōu)上下孔徑比參數(shù)組合為A2B2C3D2，用這兩組實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及綜合兩者選擇的參數(shù)，做激光鉆孔優(yōu)化參數(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致，具體實(shí)驗(yàn)方案及優(yōu)化結(jié)果如表8。

根據(jù)孔徑隨參數(shù)變化的分析我們已經(jīng)知道，對(duì)孔徑影響最顯著的參數(shù)是光罩尺寸，激光能量次之，根據(jù)此結(jié)論和表得到的綜合最優(yōu)參數(shù)為參考，做不同孔徑的最優(yōu)參數(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表9。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在激光輸出功率與頻率恒定的條件下，光脈沖能量、光罩尺寸、脈沖寬度與次數(shù)等激光參數(shù)，對(duì)成孔尺寸、形狀與加工質(zhì)量都有很大的影響，對(duì)此用控制變量法研究了激光鉆孔各參數(shù)對(duì)成孔的影響，并用優(yōu)化試驗(yàn)優(yōu)化了激光鉆孔參數(shù)，得出真圓度和上下孔徑比都相對(duì)的較優(yōu)參數(shù)為：激光能量為11.5 mj，打銅脈寬14 μs、1次，打樹(shù)脂脈寬5 μs、3次，光罩尺寸2.0 mm。且得到盲孔孔型差異性最小。優(yōu)化驗(yàn)證得到的綜合最優(yōu)參數(shù)，得出了75 μm、100 μm、125 μm三種不同的孔徑的最優(yōu)參數(shù)驗(yàn)，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)證實(shí)，最佳參數(shù)可以為生產(chǎn)提供指導(dǎo)。用優(yōu)化激光參數(shù)制作的孔進(jìn)行填盲孔試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，填銅效果非常好，無(wú)空洞、凹陷等缺陷。且對(duì)鍍銅參數(shù)操作范圍大，易于方便生產(chǎn)。

表8 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的優(yōu)化參數(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果數(shù)據(jù)表

表9 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的不同孔徑優(yōu)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果數(shù)據(jù)表

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