飛秒激光技術(shù)將印制板提升到高質(zhì)量等級(jí)上

林金堵

本刊名譽(yù)主編

新一代信息技術(shù)要求印制電路板（PCB）有更高的高密度化、高導(dǎo)熱化、信號(hào)處理和傳輸高頻化或高速化[1]。從目前和今后的一段時(shí)間內(nèi)，高密度化HDI/BUM的PCB面臨的主要挑戰(zhàn)：（1）導(dǎo)通孔微小精度化，要求導(dǎo)通孔直徑小到50 μm、甚至要小到30 μm，有高度的完整（精準(zhǔn)而無缺陷）性；（2）導(dǎo)通孔的電鍍向填孔鍍和堆疊孔發(fā)展；（3）線寬/間距（L/S）微小精度化，不僅要求線寬/間距≤30 μm/30 μm，甚至達(dá)到≤10 μm[1]，而且線寬尺寸偏差在±5%之內(nèi)。

本文僅對(duì)微小孔采用激光加工（著重對(duì)飛秒激光加工）進(jìn)行評(píng)論。筆者在2014年《印制電路信息》第五期發(fā)表《飛秒激光鉆孔》，接著在2015年的《古稀拾零》一書中發(fā)表了“飛秒激光加工技術(shù)——激光技術(shù)的新發(fā)展”（該書第四篇第九部分），本文是其續(xù)作。

1 HDI/BUM微小孔的加工狀態(tài)和存在問題

從理論和實(shí)踐上來說，封裝基板或積層板（HDI/BUM）微小孔的加工可以有[2]：（1）機(jī)械鉆孔；（2）激光打孔，目前主要是CO2（紅外）激光打孔和紫外激光打孔；（3）其它成孔方法，如嵌入凸塊互連技術(shù)（Bi2t，Buried Bump Interconnection Technology）、任意層內(nèi)導(dǎo)通孔（ALIVH，Any Layer Inner Via Hole）技術(shù)等等，至于第（三）方面內(nèi)容，由于形成的層間連接質(zhì)量較差，不會(huì)成為發(fā)展主流[2]。

1.1 機(jī)械鉆孔

機(jī)械鉆孔又可稱為數(shù)控鉆孔，它是利用機(jī)械夾住鉆頭而高速旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)的加工方法，適合于加工孔徑≥100 μm的通孔（也可用于控深鉆盲孔），目前的PCB板類的大多數(shù)PCB企業(yè)都是采用這種方法。機(jī)械鉆孔的主要缺點(diǎn)是孔壁質(zhì)量問題。

1.1.1 摩擦引起溫升形成孔壁鉆污

在鉆孔時(shí)的鉆頭高速旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)、退出等過程必然引起摩擦而升溫（特別是銅層部位），可達(dá)200 ℃以上，并且隨著微小孔化和高速旋轉(zhuǎn)化（目前已經(jīng)達(dá)到或超過20萬轉(zhuǎn)變/分）升溫速率和程度還會(huì)更嚴(yán)重。由于溫升明顯超過介質(zhì)樹脂的Tg（或融化）溫度，因而引起孔壁涂覆了融化的樹脂，形成沾污（包括殘留鉆屑等）為主要缺陷。

1.1.2 清除孔壁鉆污必然帶來孔壁缺陷

在清除孔壁鉆污時(shí)，大多采用物理方法（如等離子體技術(shù)）和化學(xué)方法（如高錳酸鉀等），除了清除去樹脂沾污外，往往會(huì)造成清除鉆污不足或過頭（量），從而造成孔壁缺陷等質(zhì)量問題，特別是采用化學(xué)方法清除鉆污的孔壁質(zhì)量參差不齊、缺陷多，難于達(dá)到高質(zhì)量孔壁的要求，影響信號(hào)傳輸特性和高質(zhì)量應(yīng)用領(lǐng)域（如高能物理、空天領(lǐng)域等）要求。

1.2 目前的CO2紅外激光打孔

目前的激光打孔絕大多數(shù)是采用CO2紅外激光打孔。盡管CO2紅外激光打孔是目前進(jìn)行微小孔（特別是介于Φ100 μm～Φ50 μm）的主體方法，但是由于CO2紅外激光器是“熱加工”技術(shù)，加上又是“微秒級(jí)”加工，必然帶來孔質(zhì)量問題。

1.2.1 孔壁燒蝕嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)“焦化”現(xiàn)象

由于CO2紅外激光“脈沖”打擊時(shí)間是“微秒級(jí)”（大多采用3 μs至9 μs）的，必然向周圍進(jìn)行熱傳導(dǎo)。加上，CO2紅外激光打孔本身是靠“熱效應(yīng)”來“燒蝕”形成孔的[2]，所以造成“熱損傷”和 “熱致內(nèi)應(yīng)力”等是較嚴(yán)重的。因此在CO2紅外激光“脈沖”進(jìn)行打孔的過程中，由于“燒蝕”溫度高加上高溫的熱傳導(dǎo)，必然會(huì)造成孔壁介質(zhì)樹脂熔化，甚至“焦化”，從而也會(huì)形成對(duì)銅層污染（如盲孔底銅和孔內(nèi)、孔口銅層等），影響孔的金屬化和連接質(zhì)量。

1.2.2 孔尺寸上大下小形成倒圓錐形

CO2紅外激光是靠“燒蝕”來形成孔的，從上面到下面的“燒蝕”和“傳熱”的時(shí)間（程度）是不同的，“上長(zhǎng)下短”的加工時(shí)間必然形成“喇叭口”的倒圓錐狀的孔形。這種圓錐狀的孔形必然會(huì)影響孔內(nèi)信息傳輸特性，主要是影響高頻化、高質(zhì)量等要求電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

1.3 目前的紫外線（UV）激光打孔

雖然紫外線（UV）激光打孔是屬于非“燒蝕”的“冷加工”技術(shù)，是不會(huì)產(chǎn)生熱傳導(dǎo)的[2]，但是UV激光脈沖時(shí)間也是采用“微秒級(jí)”脈沖加工，由于微秒級(jí)脈沖時(shí)間遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)時(shí)間，其沖擊也會(huì)產(chǎn)生熱量而存在導(dǎo)熱！盡管所產(chǎn)生的熱量比CO2激光產(chǎn)生的熱量要小得多，仍然會(huì)有熱量而傳導(dǎo)到孔壁上形成較小的熱損傷或熱致內(nèi)應(yīng)力，還是要影響孔的質(zhì)量（盡管小些）。同時(shí)由于UV激光打孔的波長(zhǎng)很短，帶來加工效率很低，用于加工微小孔意義不大，但是采用紫外線“飛秒級(jí)”而用于切割等加工倒是十分理想的！

2 飛秒激光加工的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

飛秒激光加工是以“飛秒級(jí)”時(shí)間進(jìn)行加工的，不僅不存在熱傳導(dǎo)所引起的“熱燒傷”和“熱致內(nèi)應(yīng)力”問題，而且可獲得“理想”的精準(zhǔn)尺寸和完美的表面結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)在和未來微小化、理想化和提高產(chǎn)品加工質(zhì)量等級(jí)的高質(zhì)量的制造方法。它也是PCB走向尺寸微小化、精準(zhǔn)化和微孔化和提高產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)的高質(zhì)量加工方向，業(yè)界應(yīng)以充分重視而擺到日程上來。

表1 時(shí)間及其表示的因子

2.1 飛秒激光加工的概念

飛秒激光加工是以“飛秒級(jí)”時(shí)間進(jìn)行加工的。其脈沖時(shí)間概念如表1所示。

從表1中可知，1飛秒是1×10-15秒，而“飛秒級(jí)”時(shí)間是指小于100飛秒（或1飛秒至100飛秒）的時(shí)間。

從目前接觸到的鉆孔看：機(jī)械數(shù)控鉆孔的時(shí)間，在12萬轉(zhuǎn)速/分至30萬轉(zhuǎn)速/分的鉆床上按每秒鐘加工（1～10）個(gè)（次）孔計(jì)算，則鉆孔的加工時(shí)間是亞秒級(jí)（0.1 s～1 s）；而CO2激光打孔的激光脈沖是分多次（大多數(shù)是為三次）加工來完成的，每次加工時(shí)間為3微秒到9微秒之間，因此是屬于“微秒級(jí)”的加工，是處在“飛秒級(jí)”（1飛秒至100飛秒）時(shí)間進(jìn)行激光加工的。

2.2 飛秒激光加工的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

飛秒激光加工不存在熱傳導(dǎo)所引起的“熱燒傷”和“內(nèi)應(yīng)力”問題，可獲得“理想”的精準(zhǔn)尺寸和完美的表（截）面結(jié)構(gòu)，因此它是現(xiàn)在和未來產(chǎn)品加工微小化、理想化和高質(zhì)量的制造方法。

2.2.1 具有無熱損傷區(qū)和無熱致內(nèi)應(yīng)力的加工效果

由于采用飛秒時(shí)間進(jìn)行加工，在被加工物體上停留時(shí)間極短，飛秒激光加工時(shí)間≤產(chǎn)生熱傳導(dǎo)需要時(shí)間，因此不會(huì)產(chǎn)生熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力等問題。熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力的程度是由激光加工時(shí)間長(zhǎng)短來決定的，激光脈沖加工時(shí)間越短，熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力的程度就越小，當(dāng)激光脈沖加工時(shí)間短于熱傳導(dǎo)需要時(shí)間就不產(chǎn)生熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力了。這說明熱傳導(dǎo)時(shí)間是隨著激光脈沖加工時(shí)間減短而降低（見表2）。因此，當(dāng)激光脈沖加工時(shí)間小于熱傳導(dǎo)時(shí)間時(shí)，熱傳導(dǎo)就可以消除熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力的問題，這就是飛秒激光加工不發(fā)生熱損傷區(qū)和無熱致內(nèi)應(yīng)力的基本原理，飛秒激光加工也是有否熱傳導(dǎo)的分水嶺。

從表2中可看出：在激光脈沖加工中，要想得到小、無熱損傷和無熱致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)品效果，必須采用皮秒激光，最好是采用飛秒激光進(jìn)行加工產(chǎn)品。

2.2.2 具有精準(zhǔn)位置度和高表面光潔度的加工效果

由于飛秒激光加工的部位不會(huì)發(fā)生熱損傷區(qū)和熱致內(nèi)應(yīng)力，因而可達(dá)到極其精準(zhǔn)的位置度、精細(xì)的尺寸和精致的表面光潔度（≥▽11）或極好的表（截）面粗糙度（≤0.1 μm）。加工的表面粗糙度與表面光潔度等級(jí)的關(guān)系如表3所示。

由表3的規(guī)定數(shù)據(jù)可看到：飛秒激光加工的表（截）面粗糙度≤0.1μm相當(dāng)于表面光潔度≥▽11。而很好的機(jī)械加工光潔度為0.63 μm（▽8），所以飛秒激光加工的表（截）面≤0.1 μm的粗糙度是目前其他所有加工技術(shù)無法達(dá)到的效果。

表2 激光脈沖加工時(shí)間與熱傳導(dǎo)的關(guān)系

表3 表面粗糙度與光潔度關(guān)系參考表（單位：μm）

2.2.3 可明顯提高制造業(yè)加工質(zhì)量等級(jí)和應(yīng)用效果

飛秒激光脈沖加工消除了“熱損傷”和“熱致內(nèi)應(yīng)力”等的缺陷而得到精準(zhǔn)位置度和極小的表（截）面粗糙度（或極好的光潔度），使加工的產(chǎn)品極大提高了質(zhì)量等級(jí)！同時(shí)，飛秒激光幾乎可適用于制造業(yè)中所有材料進(jìn)行加工，因此對(duì)于提高制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)將會(huì)起著重要而關(guān)鍵的作用!

大家知道機(jī)動(dòng)車（特別是汽車等）的燃油燃燒不完全的廢氣是大氣污染主要來源之一，燃油噴射用的微噴射孔加工精度和尺寸完美度是提高燃油燃燒效率的關(guān)鍵。為了提高燃油的燃燒效率，其微噴射孔加工精度越來越高，甚至要求≤1 μm或更小，而軍用各種飛機(jī)的燃油微噴射孔的精度要求達(dá)到≤0.1 μm，則可極大提高燃油效率或航程。

3 飛秒激光加工的應(yīng)用

3.1 在高端PCB產(chǎn)品中孔加工的優(yōu)越效果

在高密度的封裝（IC）基板、高能物理、特高頻等領(lǐng)域的高端PCB產(chǎn)品中孔的質(zhì)量要求越來越高，既要精準(zhǔn)位置度要求，又要精密的尺寸和低表面粗糙度的要求，給PCB產(chǎn)品加工帶來了很大的難度，但是采用飛秒激光進(jìn)行加工就可以達(dá)到這些要求。在目前的情況下，采用飛秒激光進(jìn)行孔的加工可以達(dá)到最完美的程度（如圖1）。

圖1 不同脈沖激光打孔得到不同的效果

圖1中從左到右分別為連續(xù)脈沖激光、納秒脈沖激光、皮秒脈沖激光、飛秒脈沖激光。

3.1.1 飛秒激光加工孔可達(dá)到精準(zhǔn)尺寸和形狀

目前采用的CO2紅外激光加工必然形成上大下小“圓錐形”的孔，這種“圓錐形”孔將隨著“微妙級(jí)”的激光加工走向“皮秒級(jí)”激光加工而接近“圓柱形”孔，這是因?yàn)闊釗p傷區(qū)和熱致內(nèi)應(yīng)力等隨著激光脈沖時(shí)間（寬度）加工的縮短而減小、使加工孔尺寸越來越接近于設(shè)計(jì)尺寸。飛秒激光加工完全消除熱損傷區(qū)和熱致內(nèi)應(yīng)力等問題，孔尺寸和形狀與設(shè)計(jì)一致，使激光加工孔的占區(qū)縮小，從而提高了PCB孔的布設(shè)密度。

3.1.2 飛秒激光加工孔可帶來高質(zhì)量金屬化和電鍍效果

由于飛秒激光加工孔既消除了“鉆污”，又達(dá)到極好的表面粗糙度、光潔度和表面活性高，

在孔金屬化和電鍍過程中鍍液易于流動(dòng)（阻力?。┖徒粨Q（新舊鍍液）快速，因此可改善孔壁鍍層厚度均勻性、致密性（基本消除了各種缺陷）和提高鍍層效率（或節(jié)省時(shí)間），使孔金屬化和電鍍獲得高質(zhì)量的鍍層效果（包括填孔鍍更平整）。

3.1.3 飛秒激光加工孔可帶來高質(zhì)量信號(hào)傳輸效果

由于飛秒激光加工改善了孔壁鍍層厚度均勻性、致密性（基本消除了各種缺陷，如粗糙與結(jié)瘤、芯吸、斷裂、喇叭口等缺陷）和極好的表面粗糙度或光潔度，因此在傳輸信號(hào)過程中不會(huì)或極小產(chǎn)生“駐波”、“反射”、“衍射”等“失真”現(xiàn)象，明顯地改善了信號(hào)傳輸完整性（特別是在甚高頻以上的信號(hào)傳輸中）。

3.2 飛秒激光加工孔在汽車、飛機(jī)等各種發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用可明顯提高燃燒效率

過去在汽車、飛機(jī)等各種發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒噴射孔大多是采用機(jī)械鉆孔、電火花加工孔和傳統(tǒng)激光打孔（見表4），由于加工過程引起表面粗糙度大和熱損傷與熱致內(nèi)應(yīng)力而變形，因此燃料和空氣混合不均勻使燃燒效率不高。采用飛秒激光，不僅可得到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的完美尺寸，而且具有極低的孔壁表面粗糙度（極高的光潔度），從而可得到均勻的混合燃燒氣體而提高燃料燃燒效率大大提高，采用飛秒激光加工的燃燒噴射孔可使汽車多走30%路程，飛機(jī)可多飛30%的距離。

表4 各種方法加工噴射孔的應(yīng)用效果

3.3 飛秒激光在焊接中的應(yīng)用

由于飛秒激光不會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)而不存在著熱損傷區(qū)和熱致內(nèi)應(yīng)力，適用于特種異形、細(xì)縫等部件的焊接（如圖2），而且焊接的質(zhì)量是屬于高質(zhì)量等級(jí)的！所得到的焊接產(chǎn)品，不僅可獲得精準(zhǔn)尺寸和位置度，而且可明顯提高抗震、抗沖擊（彎、折等）能力，這些優(yōu)勢(shì)在汽車、飛機(jī)、輪船、軍事裝備等領(lǐng)域里將會(huì)提高其安全使用質(zhì)量等級(jí)和延長(zhǎng)使用壽命。

圖2 飛秒激光焊接的各種細(xì)縫場(chǎng)合

3.4 飛秒激光在醫(yī)療雕刻等領(lǐng)域中應(yīng)用

激光技術(shù)早在醫(yī)療領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但是在醫(yī)療領(lǐng)域中采用飛秒激光技術(shù)后，不僅可提高醫(yī)療速度、質(zhì)量等級(jí)和效果，而且擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域（特別是在微創(chuàng)等技術(shù)方面）。采用飛秒激光加工的支架（或搭橋，用于代替堵塞的血管等），其管壁有更高表面光潔度（或更小表面粗糙鍍），實(shí)踐表明，使血液流動(dòng)更順暢、阻力更小，使用壽命更長(zhǎng)；在眼科、外科手術(shù)、牙科、皮膚科和其他治療方面，使醫(yī)療的總成本在更低的條件下實(shí)現(xiàn)更好的效果；在珍貴的寶石、鉆石等的飛秒激光加工可在更少材料下實(shí)現(xiàn)更光亮而美觀的裝飾品；在精密儀表、傳感器、娛樂、顯示器、3D打印等諸多領(lǐng)域也開始得到越來越廣泛的應(yīng)用。

總之，飛秒激光加工在各種領(lǐng)域和幾乎對(duì)所有材料、形狀都可以進(jìn)行加工，既實(shí)現(xiàn)無熱損傷和無熱內(nèi)應(yīng)力的效果，又達(dá)到極小表面粗糙度或極高的光潔度的加工面，所以飛秒激光技術(shù)將使制造業(yè)和制造產(chǎn)品走上高質(zhì)量等級(jí)階段的優(yōu)選方法！

更 正

本刊4月刊P33頁(yè)，方景禮、陳偉元的《石墨烯孔金屬化制程的重大突破》一文中，正確英文標(biāo)題應(yīng)為：Breakthrough of hole metalization process by Graphene

為此更正，并對(duì)作者表示誠(chéng)摯的歉意！

本刊編輯部

2019年6月