PCB微孔成孔技術的現(xiàn)狀

楊宏強

（上海尚容電子科技有限公司，上海 201302）

0 前言

孔在印制電路板（PCB）中的主要作用是實現(xiàn)層間互連或安裝元件，幾乎所有的PCB需要孔。隨著電子產品越來越復雜，PCB上的孔越來越密，技術難度越來越高，設備投入越來越大，因此成孔技術越來越重要，值得深入研究、分析。

業(yè)界常以導通與否把孔分為電鍍孔（PTH）、非電鍍孔（NPTH）兩類；以孔兩側可見與否把孔分為通孔（Through hole）、盲孔（Blind via）、埋孔（Buried via）（見圖1）。

就成孔方式來看，PCB業(yè)界采用過的成孔方式有：機械鉆孔、機械沖孔、激光成孔、光致成孔、化學蝕孔、等離子蝕孔、導電柱穿孔等，目前應用相對較為廣泛和成熟的成孔技術為：機械鉆孔和激光成孔（注：業(yè)界常用“激光鉆孔”，實際上“激光成孔”一詞更要準確些，因為這是“光”加工的過程，本文采用“激光成孔”這一說法）。

就目前PCB的技術發(fā)展狀況而言，一般將孔徑在0.3 mm及以下的孔稱為微孔（Micro-via），本文將對此類微孔進行探討。對于微孔成孔，目前最常用的工藝有機械鉆孔、CO2激光成孔、UV激光成孔三種。簡單來說，微孔中的盲孔多采用激光成孔（CO2激光成較大孔，UV激光成較小孔）；通孔（含埋孔）則多采用機械鉆孔。

圖1 孔結構示意圖

1 機械鉆微孔技術現(xiàn)狀

PCB機械鉆微孔屬超高速機械加工，目前主軸最高轉速可達35萬轉/分。一般30萬轉/分的機械鉆孔機每分鐘可鉆500個左右的ф0.1 mm的孔（注：此數(shù)據(jù)僅供參考，不同的加工條件鉆孔速度差異較大）。一般機械鉆孔可用于各種類型的PCB微孔加工（如HDI、芯片級封裝載板、FPC等）。下文將從鉆頭（物料）、工藝和質量三方面展開闡述。

1.1 鉆頭

機械鉆微孔中用到的主要物料為鉆頭（又名鉆刀、鉆針、鉆嘴），它是機械鉆微孔過程中用到的切削刀具。

PCB用鉆頭，一般刃部采用鎢鈷類合金（硬質合金材料），目前鉆頭的制造有整體式、插入式和焊接式三種，插入式和焊接式的鉆頭柄部為不銹鋼；刃部多采用外周倒錐和鉆心倒錐的設計結構。該合金以碳化鎢（WC）粉末（88～94%，注：碳化鎢已從原來的90%降到88%）[1]為基體，以鈷（Co）（6`12%）為粘結劑，經(jīng)高溫、高壓燒結而成，具有高硬度（碳化鎢硬度在92.5 HRA以上，抗彎強度在4000 N/mm2以上）和高耐磨性。調整碳化鎢和鈷的配比和碳化鎢顆粒度大小，可以改變鉆頭的性能，微孔鉆頭一般鈷含量要較其他鉆頭多一些。鈷含量變化引起鉆頭性能變化的狀況（見表1）。

表1 鉆頭性能與鈷含量的基本關系

目前，PCB常用微孔鉆頭（簡稱微鉆）刃部直徑規(guī)格有0.075、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3 mm等，也有0.05 mm及其他特殊直徑規(guī)格，但相對較少。圖2為日本佑能公司的鉆頭能力狀況，其在2008年宣布可以試制ф0.007 mm的鉆頭，實際可供應的最小鉆頭直徑為ф0.02 mm；中國大陸的金洲公司在2020年初宣布其突破ф0.01 mm的鉆頭。（注：成年人頭發(fā)直徑約ф0.07 mm，ф0.007 mm的鉆頭直徑是頭發(fā)直徑的十分之一）。

圖2 為日本佑能公司的鉆頭能力狀況

微孔鉆頭柄徑有兩種：ф2.0和ф3.175 mm，一般主軸轉速30萬轉/分及以上的鉆孔機多使用ф2.0 mm的鉆頭柄徑；鉆頭刃部多為UC型（對鉆頭刃部進行修磨，以減少棱刃與孔壁的摩擦）；為了分散微孔鉆頭的應力集中現(xiàn)象，一般在鉆頭柄部與刃部之間加入了緩沖段，做成階梯狀。

微孔鉆頭的發(fā)展趨向是碳化鎢晶粒度由目前的0.2 μm向納米級減小，結構上由雙排屑改為單排屑（或者改為單刃型設計），增大螺旋角度，減小鉆尖角等，以提高抗扭矩力和韌性，并保證硬度。另外，為了提高鉆頭硬度，減小摩檫，降低切削溫度，目前正在開發(fā)微孔鉆頭表面強化（或者涂層）技術（此技術在大鉆應用比較成熟），具體有電弧離子鍍、離子注入、化學氣相沉積（將特硬的碳化鈦或氮化鈦等化學沉積到碳化鎢基體表面）和磁控濺射等技術[2]。

1.2 工藝

機械鉆微孔中需要關注的工藝參數(shù)主要有以下6個：

（1）轉速/切削速度。

轉速：每分鐘主軸旋轉的圈數(shù)

切削速度：每分鐘切削距離

（2）進刀速度/進刀量。

進刀速度（也稱落速）：每分鐘主軸下降的距離

進刀量：主軸每旋轉一圈所鉆入的距離

（3）退回速度。

退回速度（也稱提速）：每分鐘主軸提升的距離

（4）疊板數(shù)。

影響疊板數(shù)的因素有：板層數(shù)、板厚、最小鉆孔孔徑、孔位公差要求、內層銅厚、孔環(huán)等，主要需要關注板層數(shù)、板厚、最小鉆孔孔徑。

（5）鉆頭狀態(tài)。

鉆頭狀態(tài)包括鉆頭的研磨次數(shù)和鉆孔數(shù)。隨著微孔鉆頭的研磨次數(shù)增加，鉆孔質量將逐漸變差，故鉆孔數(shù)需要減少。由于更小的微孔鉆頭（如ф0.1 mm和ф0.075 mm的鉆頭）比較難研磨，故PCB廠家多數(shù)情況下使用一次就報廢處理（最多可研磨一次，但相應的孔數(shù)要減少）。

（6）有效行程。

有效鉆孔行程是鉆頭下限值（Down值）和上限值（Up值）之間的差值；這一點有時易被忽略，但應注意：增加0.5 mm的無效鉆孔行程，對微孔鉆孔可能會造成15%以上的產能損失。

機械鉆孔工藝參數(shù)（鉆削條件）對微孔加工、加工質量的影響見表2和3。

曾經(jīng)有些公司推出了可進行盲孔加工的機械鉆孔機（最精準的孔深精度控制在±12 μm，見圖3），但是隨著激光成孔機的技術成熟和效率大幅提升，機械鉆盲孔的應用愈來愈少（注：控制深度機械鉆孔技術目前應用愈來愈多，但孔深精度要求不如鉆盲孔高）。

1.3 質量缺陷

表2 鉆削條件對微孔加工的影響

機械鉆微孔常見的質量缺陷有：孔大、孔小、多鉆、漏鉆、未鉆透、偏孔、釘頭（內層銅面兩側延伸的厚度大于銅厚的100%）、孔壁粗糙度超標、孔內毛刺、內層拉盤、內層破盤等。

表3 鉆削條件對微孔加工質量的影響趨勢

圖3 機械鉆盲孔例

質量缺陷常用的檢驗工具有：

（1）塞規(guī)：檢查孔徑大??；

（2）標準膠片/底片：檢查鉆孔位置及有無多鉆、少鉆；

（3）放大鏡：檢查孔口、孔壁狀況；

（4）檢孔機：檢查孔數(shù)量、孔徑、孔位置精度。

一般用在高層次PCB（例如載板）上的機械鉆微孔的孔形（如孔壁粗糙度控制在≤25 μm）、孔徑（如孔徑公差控制在+10 μm/-20 μm以內）、孔位（如孔位精度控制在≤±40 μm，甚至≤±30 μm）等質量要求普遍比較高。

2 激光成孔技術現(xiàn)狀

激光（Laser）是英語Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（通過受激輻射實現(xiàn)光放大）的縮寫。世界上第一臺激光器誕生于1960年。60多年來，激光技術已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，在PCB行業(yè)應用也非常成熟。激光成孔興起的主要原因是PCB布線越來越密，但傳統(tǒng)的機械鉆孔無法快速、穩(wěn)定量產微盲孔的加工（減少通孔，增加盲孔是提高PCB密度的有效的方法）等。下文將從激光原理、工藝和質量缺陷三方面展開闡述。

2.1 激光原理

2.1.1 激光分類

（1）按輸出的連續(xù)性與否分為：連續(xù)波和斷續(xù)脈沖式（Q開關）激光；

（2）按產生激光的主要介質分為：氣體激光（如CO2分子、準分子）、固體激光（如Nd：YAG激光，為摻釹釔鋁石榴石晶體，釔鋁石榴石晶體為其激活物質，釹原子含量0.6～1.1%，可激發(fā)脈沖激光或連續(xù)式激光）、液體激光、半導體激光（GaAs）；

（3）按波長分為：紫外激光（波長248～355 nm）、紅外激光（波長9300～10600 nm）。

2.1.2 激光加工原理

光照射到物體時，一部分被表面反射（反射率大小與物體表面形貌、被加工物質特性有關），一部分透過表面進入物體內部，被物體吸收（光的吸收率與材料屬性直接相關，吸收的光對物體產生熱效應），還有一部分穿透過物體。

光要對物體產生作用，物體必須盡可能多的吸收光。物體對光的吸收不僅與光的波長有關，同時與物體自身屬性有關，圖4是PCB主要原材料對光的吸收率。從圖4可以看出：樹脂對不同波長的光的吸收率沒有明顯差異，它在紫外光和紅外光區(qū)域的吸收率都較高；玻璃纖維對不同頻率光的吸收率差異較大，它在紫外光和波長較長的紅外光區(qū)域的吸收率較高；銅箔僅在紫外光區(qū)域的吸收率高（故紅外光很難直接加工銅箔）。

圖4 PCB主要原材料對光的吸率 （資料來源：ESI）

20紀80年代末，業(yè)界出現(xiàn)了用于PCB成孔的CO2激光成孔設備，使用的是波長為9400 nm的紅外激光，成孔速度快，但只能加工樹脂、玻璃纖維，無法直接加工銅箔。90年代后，出現(xiàn)了以惰性氣體為光源的成孔設備（如ArF、KrF、XeF等），其波長達到了193、266、351 nm，該類激光設備可直接加工銅箔，但成孔速度慢，同時需要提供惰性氣體。之后出現(xiàn)了采用Nd：YAG的激光成孔設備，波長355 nm，其峰值功率可達十幾千瓦，這種強功率的紫外激光可直接加工銅箔，且速度較快。目前研發(fā)的有紫外混合光纖（耦合）激光和飛秒（10～15 s）激光成孔設備[5]。

2.1.3 激光光束模式

通常，為了使得激光成微孔的孔型更好，一般都會將最初的高斯狀分布的激光光束（Gaussian beam mode）變換為扁平式分布的激光光束（Top hat beam或稱作Shaped beam），見圖5所示。

圖5 激光光束模式（左圖為高斯分布，右圖為扁平式分布）

2.2 激光成微孔工藝

目前業(yè)界常用的激光成孔有CO2（屬紅外光，用CO2做激光源）和UV（紫外激光，用Nd：YAG做激光源）兩類（兩者基本性能比較見表4）。最新的激光成孔機多為兩臺面兩束激光或者兩臺面四束激光（采用分時或分光的方式將一束激光變換成兩束激光以提高加工效率）。

表4 CO2和UV激光基本性能比較表

2.2.1 CO2紅外激光工藝

其加工過程是：被加工件吸收CO2紅外激光能量后，分子做劇烈熱運動，當加熱溫度達到材料熔點時，材料發(fā)生熔化；若持續(xù)供給激光能量，材料上的溫度在極短的時間內上升使材料氣化，而后蒸發(fā)飛逸形成孔。因此有時把CO2紅外激光加工稱作熱加工。

受CO2激光加工波長的限制，通過光學系統(tǒng)聚焦的CO2激光光束直徑最小約35 μm左右，故可加工微孔的最小孔徑為35 μm，見圖6。

一般CO2紅外激光常用于HDI板、芯片級封裝載板的微孔加工。

圖6 35 μm的激光孔（左：從頂部看，中：從底部看，右：切片圖）

2.2.2 紫外激光工藝

其加工過程是：被加工件吸收紫外激光能量后，紫外激光的化學能就能破壞有機分子的分子鍵、金屬晶體的金屬鍵和無機物的離子鍵，形成懸浮顆?；蛟訄F、分子團或原子、分子，這在局部發(fā)生蓬松，施以吸力，可使小微粒逃逸或被強制吸走形成孔。因此有時把紫外激光加工稱作冷加工。

一般PCB加工用的紫外激光的最小光斑尺寸為15 μm，理論上最小的成孔孔徑可為15 μm（采用punch方式）；但應該注意，實際中多數(shù)情況下，紫外激光加工的孔徑要大于15 μm，可參考圖7的說明（圖7中左圖選擇的是圓形路徑，也可選擇其他的激光行走軌跡路徑）；若沿激光束軌跡的激光能量最大，最終打掉的底銅也深。

一般紫外激光常用于FPC（此類機臺一般是一臺面一束激光，紫外激光不易碳化FPC中的PI）、帶有極小微孔的芯片級封裝載板的微孔加工。

2.2.3 CO2紅外和UV激光加工能力對比

CO2激光和UV激光加工能力對比見表5所示。

圖7 紫外激光成孔（左為示意圖，右為切片圖）

表5 CO2和UV激光加工能力比較表

圖8 Conformal Mask工藝（左為激光成孔后的切片，右為電鍍后的切片）

圖9 Large Window工藝（左為激光成孔后的切片，右為電鍍后的切片）

圖10 銅面減薄+處理+ CO2激光成孔（左為激光成孔后的切片，右為電鍍后的切片）

圖11 CO2激光成通孔（左圖為二層通孔，一般呈“×”狀，右圖為三層通孔）

圖12 UV激光成盲孔

圖13 UV激光成通孔

圖14 UV激光成錐形孔（下孔徑為15 μm，左為激光成孔后的切片，右為電鍍后的切片）

2.2.4 激光成孔的工藝參數(shù)

CO2激光成孔的主要工藝參數(shù)有：光束直徑、脈沖寬度、脈沖數(shù)量和成孔模式。圖15中右圖為Via Mechanics公司新申請的一種CO2激光直接成孔模式的專利，不同的成孔模式，最終的成孔速度、孔形質量差異很大。UV激光成孔的主要工藝參數(shù)有：光束移動速度和行走軌跡、圈數(shù)、激光頻率和激光功率等，較為復雜。

2.2.5 激光成孔的關鍵技術點

（1）加工工藝參數(shù)。

見圖16，圖中的六個圈所示的位置，理論上激光參數(shù)應該是不同的（特別是A和B處差異很大），但實際中只能選擇一種，故設定參數(shù)時既要考慮去除掉位置A處的玻璃纖維，也要考慮不可過大損傷位置B處的底銅）。

（2）銅箔、介質層厚度。

厚度不均，公差過大，參數(shù)越難選取，應盡量控制銅箔、介質層的厚度不均、公差過大問題。

（3）對位。

對位問題涉及到兩種對位：層間對位和整板對位。

對于激光成孔的層間對位，一般即使有偏差，大都在可接受的允許范圍內，如圖17的右圖所示（注：對于機械鉆通孔的對位標靶或者定位孔，通常是各層圖形標靶綜合后的中心位置，它兼顧了各層圖形由于漲縮、偏移等因素導致的標靶偏位情況；對于激光成盲孔的對位標靶，多數(shù)僅是參考次外層圖形上的標靶位置，所以不同層間的盲孔位置可能會有偏移）。

整板對位則是比較大的問題。如果前期未控制好（特別是漲縮較大的材料，或者非線性、非對稱的扭曲變形），后續(xù)偏移可能會比較大；對此，一種方法是對位算法的優(yōu)化（不能是簡單的算術平均），另一種方法是分區(qū)域對位法（即多組標靶孔對位，一般為兩分法或者四分法，主要是針對對位精度要求極高的PCB），如圖18所示（注：后續(xù)工序也應該進行相應的分區(qū)域對位）。

圖15 兩種CO2激光直接成孔模式

圖16 不同位置的激光參數(shù)選取差異

圖17 層間對位（左圖無偏移，右圖有偏移）

圖18 分區(qū)域對位法

2.3 質量缺陷

激光成微孔的質量標準一般要求較高，缺陷檢查項目也較多。如孔壁粗糙度一般要控制在≤18 μm，孔徑公差一般控制在≤±20 μm（為便于后續(xù)的盲孔電鍍，一般激光微盲孔加工為倒梯形狀，0.65ф（下孔徑）≤ф≤1.1ф（上孔徑）），孔位精度一般控制在≤±20 μm等。

具體來看，激光成孔常見的質量缺陷有孔徑不符、偏孔、漏孔、多孔、孔壁側蝕、鼓形、玻璃纖維突出、樹脂殘留、底銅損傷、孔底外沿微裂、底銅分離、孔口懸銅等。

3 結語

綜上，目前來看：在HDI和芯片級封裝載板領域，微孔孔徑在0.15 mm及以上的通孔，多采用機械鉆孔；孔徑在0.05～0.15 mm之間的通孔，視工藝流程、規(guī)格要求、成本狀況選擇機械鉆孔或者CO2激光成孔；孔徑在0.05 mm以下的通孔多采用UV激光成孔。微孔孔徑在0.05 mm及以上的盲孔多采用CO2激光成孔；0.05 mm以下多采用UV激光成孔。