HDI開銅窗的一種激光加工方法

高 壘 甘明輝 覃賢德

（廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東 東莞 523808）

0 前言

不同的材料對(duì)不同波段的激光吸收率不一樣（如圖1），銅對(duì) CO2激光的吸收率很低，所以 CO2不能直接對(duì)HDI（高密度互連）板的銅箔進(jìn)行鉆孔加工。目前HDI板盲孔鉆孔加工主流制程為先將PCB板的表層銅進(jìn)行黑化或者棕化處理，再用CO2激光機(jī)進(jìn)行盲孔加工。因黑化或者棕化處理屬于化學(xué)處理方式，對(duì)環(huán)境污染較高且制程較為復(fù)雜，CO2加工時(shí)定位用的Mark點(diǎn)和內(nèi)層盲孔定位基準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致加工后精度誤差偏大。若采用UV激光機(jī)進(jìn)行開銅窗加工，可以直接將內(nèi)層的Mark點(diǎn)銑出來給后工序的 CO2鉆孔進(jìn)行加工定位，保證基準(zhǔn)的統(tǒng)一，提高整個(gè)制程精度。將需要鉆孔的位置進(jìn)行開銅窗加工，再用CO2進(jìn)行去除FR4玻璃纖維的盲孔加工，代替當(dāng)前的濕制程對(duì)銅箔的黑化或者棕化處理，減少對(duì)環(huán)境的污染。

圖1 基板中的材料成分對(duì)UV和 CO2的吸收率

激光加工的原理是將高能量的激光束，聚焦到很微小的光斑后對(duì)工件表面進(jìn)行高溫?zé)g，瞬間化掉需要加工的物質(zhì)[1]。UV激光鉆孔機(jī)對(duì)銅箔進(jìn)行開窗鉆孔加工時(shí)，為了保證將孔范圍內(nèi)的銅箔除去干凈，本文提出一個(gè)新的加工方法，在加工孔內(nèi)采用漸變螺旋線路徑進(jìn)行激光加工，可以避免激光器自身的一些缺點(diǎn)對(duì)加工造成的不良影響，從而提高銅窗的質(zhì)量。

1 HDI開銅窗的工藝要求及異常孔型分析

因UV鉆孔機(jī)對(duì)銅箔進(jìn)行開窗后還要進(jìn)行下工序的CO2盲孔鉆孔加工，為了保證CO2加工工藝參數(shù)一致性，需要要求HDI板開銅窗后孔底平整，不能出現(xiàn)局部或者大面積的凹坑[2]，常見的開窗異?？仔螤睿ㄈ鐖D2）。因激光加工是熱效應(yīng)加工，所以不可能不燒傷銅層下的膠層。但是要盡量不要燒傷FR4玻璃纖維層，保留孔底平整。

圖2 開窗孔異常形狀

從激光能量進(jìn)行分析，激光器的每一次開光的瞬間，第一個(gè)脈沖的峰值功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后續(xù)的脈沖的峰值功率[3]，導(dǎo)致在開光處對(duì)應(yīng)的位置上所承受的激光熱量會(huì)更多，在此位置上就會(huì)更容易被激光燒蝕出一個(gè)局部的凹坑。

從熱效應(yīng)來進(jìn)行分析，激光加工路徑的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)有很大的關(guān)系，假如從孔的中心開始進(jìn)行加工，那孔的邊緣會(huì)先受到一定的熱影響，相即孔邊緣的材料會(huì)先預(yù)熱，激光在燒蝕此位置的時(shí)候該位置的材料會(huì)更容易被汽化掉，導(dǎo)致出現(xiàn)過燒形成凹坑現(xiàn)象。

從加工路徑上進(jìn)行分析，激光進(jìn)行開銅窗鉆孔需要保證孔的真圓度，意味著不管什么工藝路徑進(jìn)行加工，都必須要加工孔的外圓出來。只有先保證孔外圓的前提下，圓內(nèi)的相關(guān)填充方式才可以進(jìn)行選擇。采用十字線或者米字線加工，最大的缺點(diǎn)是激光器開光和關(guān)光的次數(shù)多，不僅影響激光加工效率，而且在孔的中心十字線或者米字線相互交叉的地方承受的能量最多，導(dǎo)致出現(xiàn)中心凹坑孔。采用同心圓進(jìn)行加工，每一個(gè)同心圓上都會(huì)存在一次的開光和關(guān)光，不僅影響加工效率，同時(shí)在開光和關(guān)光的地方，因有激光脈沖的疊加和首脈沖的高能量，在此處容易就會(huì)產(chǎn)生局部的凹坑。若采用等距螺旋線進(jìn)行加工，從螺旋旋與外圓的幾何圖形關(guān)系可以看出，在螺旋線和外圓接近相交的地方會(huì)形成一個(gè)倒三角區(qū)域（圖3中的涂色區(qū)），此區(qū)域因沒有激光加工路徑，若激光參數(shù)設(shè)置滿足其它區(qū)域剛好除去銅箔的話，在此倒三角區(qū)域就會(huì)留有殘銅，形成不良品，影響下工序的CO2盲孔加工。反之，如果設(shè)置激光參數(shù)可以滿足此倒三角區(qū)域在熱影響下能夠去除殘銅，則其它的區(qū)域就會(huì)熱量過剩，導(dǎo)致加工出凹坑。

若采用漸變螺旋線路徑進(jìn)行加工（如圖4），在保證加工孔外圓的前提下，根據(jù)加工時(shí)不同區(qū)域的熱效應(yīng)不同，可以設(shè)置在圓孔中心的激光加工路徑間距大于孔邊緣的激光加工路徑間距，在螺旋線結(jié)尾的地方壓縮曲線耦合接近為圓。即可以保證孔內(nèi)加工路徑填充一次開關(guān)光完成不影響加工效率，又合理的將激光產(chǎn)生熱量較為均勻的分布在整個(gè)圓內(nèi)，從而加工得到較為平整的孔底質(zhì)量。

圖3 等距螺旋線路徑

圖4 漸變螺旋線路徑

表1 UV激光鉆孔加工參數(shù)

圖5 同心圓和等距螺旋線加工

圖6 漸變螺旋線路徑加工

2 鉆孔開窗實(shí)驗(yàn)

測試材料表層銅箔厚度為12 μm，第二層材料為膠，第三層材料為FR-4玻璃纖維布，第四層為底銅。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為正業(yè)科技自主研發(fā)的UV激光鉆孔機(jī)。根據(jù)圖4所示的漸變螺旋線路徑進(jìn)行加工，加工路徑順序?yàn)橄燃庸?nèi)圈的漸變螺旋線，軌跡需由圓心向外加工，最后加工外圈的圓來保證開窗孔的真圓度。加工參數(shù)設(shè)置（見表1）。

激光加工后做切片，在金相顯微鏡下觀察開窗孔的剖面照片（如圖5、圖6），漸變螺旋線路徑進(jìn)行加工孔底平整，均未出現(xiàn)異常孔形狀，達(dá)到預(yù)期的理論分析效果。

3 結(jié)論

通過對(duì)激光鉆孔加工工藝路徑和激光在加工過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)進(jìn)行分析，采用UV激光鉆孔對(duì)HDI板進(jìn)行開銅窗加工時(shí)，在開窗的孔內(nèi)設(shè)計(jì)為漸變螺旋線路徑進(jìn)行加工，合理的設(shè)置孔中心和邊緣的激光光斑間距和路徑間距，可以提高HDI板開銅窗孔底質(zhì)量，能滿足CO2后工序的盲孔加工制程要求。