二氧化碳激光鉆孔底部玻纖殘留的分析與改善

黃水權(quán) 許校彬 邵 勇 陳金星

（特創(chuàng)電子科技股份有限公司，廣東 惠州 516369）

0 前言

隨著電子產(chǎn)品多功能和微型化的發(fā)展，HDI（高密度互聯(lián)）逐漸成為電路板市場的一種主流產(chǎn)品。HDI板制作因孔徑0.2 mm以下小孔機(jī)械鉆孔難加工，使得激光鉆孔被廣泛應(yīng)用，微盲孔的激光鉆孔設(shè)備主要有CO2（二氧化碳）激光鉆孔機(jī)和UV（紫外線）激光鉆孔機(jī)，目前國內(nèi)使用較多的激光鉆孔設(shè)備主要為CO2激光鉆孔機(jī)。但是一般二氧化碳激光鉆孔設(shè)備都是高強(qiáng)度集中能量的高斯光束模式，即便材料介質(zhì)厚度的均勻性、激光能量及除膠條件在最優(yōu)前提下，盲孔的形狀仍呈現(xiàn)為直徑上面比下面大的倒梯形。而電鏡放大觀察發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這個問題的主要原因在于殘留于孔底的玻纖導(dǎo)致（如圖1所示），這也是高斯波形激光鉆孔的難以解決的問題，這給微盲孔的持續(xù)小型化、電鍍信賴度及產(chǎn)品穩(wěn)定性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 盲孔孔底玻璃纖維外露突出情形微觀圖

1 高斯波形激光鉆孔過程的數(shù)據(jù)分析

1.1 現(xiàn)狀分析

針對高斯波形激光鉆孔出現(xiàn)的微盲孔玻纖突出問題分析，主要體現(xiàn)如下。

（1）外露突出位置主要出現(xiàn)在靠近下孔徑孔壁邊緣處；

（2）外露突出形狀在孔底的區(qū)域內(nèi)。

根據(jù)收集的所有切片數(shù)據(jù)分析，微盲孔孔壁玻纖外露突出問題主要是由于激光鉆孔中盲孔中間樹脂和玻璃纖維可被完全去除，但微盲孔邊緣有玻璃纖維的殘留，且形成一定凸起突出高度，給微孔小型化和電鍍帶來品質(zhì)隱患。

1.2 激光能量分析

同物質(zhì)的物理參數(shù)見表1。對于二氧化碳激光鉆孔（9 400 nm），玻璃纖維能量吸收率為9%，樹脂能量吸收率為76%，銅能量吸收率為9%。

表1 不同物質(zhì)的物理參數(shù)

依照微盲孔孔徑以0.15 mm計(jì)算，加工參數(shù)為：脈沖寬度9 μs、光圈直徑5 μm、發(fā)數(shù)9次，玻璃纖維先被軟化接近熔融態(tài)后被燃燒氣化膨脹的樹脂帶走前提。由以上得知：

（1）銅在目前參數(shù)下，未被二氧化碳激光鉆孔機(jī)破壞；

（2）樹脂吸收二氧化碳激光鉆孔機(jī)能量后，化學(xué)鍵能被破壞，發(fā)生燃燒反應(yīng)被去除掉；

（3）玻璃纖維在目前參數(shù)下可被去除。

激光能量輸入：依照激光鉆孔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)能量測量程序（AP#0改為AP#5），以100 Hz，10 μs，1 shot測得的功率＝0.46 W，則1 μs能量＝0.46/（100×10）＝0.46 mJ。依目前加工LDP參數(shù)S9D5N9E1計(jì)算每孔加工能量＝0.46×9×5＝20.7 mJ。（以五次能量累加計(jì)算，不考慮溫度擴(kuò)散影響。）

1.3 材料受熱分析

破壞臨界值P（kJ）計(jì)算公式，P＝m(Csl×△Ts－l＋U1＋Cl－g×△Tl－g ＋U2)

其中：m為需去除物質(zhì)的質(zhì)量（kg）；

Cs－l與Cl－g為材料的固相比熱與液相比熱（kJ/kg·K）；

△Ts－l與△Tl－g為溫度改變量（K）；

表2 二氧化碳激光鉆孔加工能量分析

U1與U2為材料平均溶解熱與蒸發(fā)熱（kJ/mol）。

那么，如圖2所示，須去除的材料量：m＝k×(d/2)×(d/2)×3.14×H（其中k為材料密度）。

圖2 需去除材料量

1.4 銅破壞能量分析

（1）確認(rèn)銅的破壞臨界值P，假設(shè)破壞1 mol時，銅狀態(tài)變化為：固態(tài)→液態(tài)→氣化。

P＝m(Cs－l×△Ts－l＋U1＋Cl－g×△T－g＋U2)

＝64×10-3×0.386×(1356-25)+13.02+64×10-3×0.440×(2480-1356)＋46.57

＝75.88＋13.02＋49.78＋46.57

＝185.24 kJ/mol

小結(jié)：破壞1 mol的銅理論上需吸收185.24 kJ能量。

（2）假設(shè)破壞5 μm厚的0.15 mm孔徑的銅,則

m＝k×(d/2)×(d/2)×3.14×H

＝8.96×103×(0.15/2)×(0.15/2)×3.14×5×10-6×10-6×103

＝7.9×10-7g

＝0.12×10-7mol

所以，破壞5 μm厚的0.15 mm孔徑的銅吸收能量：

P＝0.12×10-7×185.24

＝2.22 mJ

（3）判定銅在目前加工條件是否可被破壞

已知銅吸收率9%，光圈直徑＝0.15 mm，依參數(shù)所知能量＝20.7 mJ，則加工至銅表面激光能量為20.7×9%＝1.83 mJ，小于2.22 mJ（銅臨界破壞值），所以依假設(shè)條件無法破壞銅。

1.5 玻璃纖維破壞能量分析：

（1）確認(rèn)玻璃纖維的破壞臨界值

假設(shè)破壞1.0 mol時，玻璃纖維狀態(tài)變化為：固態(tài)→軟化,軟化后被樹脂燃燒產(chǎn)生的CO2及H2O氣體膨脹帶出：

P＝m(Cs－l×△Ts－l+U1+Cl－g×△Tl－g＋U2)

＝60×10-3×1.05×(1200－25)

＝74 kJ/mol

小結(jié)：破壞1 mol玻璃纖維理論上需吸收74 kJ能量。

（2）假設(shè)破壞平均厚度為20 μm的玻璃纖維，面積為0.15 mm孔徑的圓形（依1065PP計(jì)算），那么：

m＝k×(d/2)×(d/2)×3.14×H

＝2.54×103×(0.15/2)×(0.15/2）×3.14×20×10-6×10-6×103

＝3.72×10-7g

＝0.15×10-7mol

所以，破壞20 μm厚，0.15 mm孔徑的玻璃纖維吸收能量:

P=0.15×10-7×74=1.12 mJ

（3）判定玻璃纖維在目前加工條件是否可被破壞已知玻璃纖維吸收率9%，光圈直徑＝0.15 mm，能量＝20.7 mJ，則加工時玻璃纖維吸收激光能量為20.7×9%＝1.86 mJ，大于1.12 mJ（玻璃纖維臨界破壞值），所以依假設(shè)條件可以去除玻璃纖維。

1.6 樹脂破壞能量分析

（1）激光加工樹脂時，主要發(fā)生燃燒反應(yīng)（碳?xì)溲趸衔?O2+CO2+H2O），初始反應(yīng)要吸收能量達(dá)到其活化能后碳?xì)溲趸衔锱c氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后燃燒放出熱量。從理論上估計(jì)活化能的方法為計(jì)算破壞反應(yīng)物的化學(xué)鍵能所需的能量。

假設(shè)：①樹脂在發(fā)生反應(yīng)時，只破壞一組C-C，C-O，C-H即發(fā)生燃燒反應(yīng)

②假設(shè)反應(yīng)物樹脂的分子簡式為（C2H5O）n，分子量＝45×n g/mol

③破壞1 mol樹脂中的C-C，C-O，C-H鍵能能量值：＝(342+416+343)=1101×n kJ/mol

（2）假設(shè)破壞0.06 mm厚（1065LDP壓合后平均厚度），0.15 mm孔徑的樹脂，則

m＝k×(d/2)×(d/2)×3.14×H

＝1.28×103×(0.15/2)×(0.15/2)×3.14×2.4×25×10-6×10-6×103

＝1.35×10-6g

＝0.03×10-6g/n mol

所以，破壞0.06 mm厚的0.15 mm孔徑的樹脂吸收能量：

P＝0.03×10-7×1101=3.3 mJ

（3）判定樹脂在目前加工條件是否可被破壞

已知樹脂吸收率76%,光圈直徑＝0.15 mm，能量＝20.7 mJ，則加工至樹脂表面激光能量為

20.7×76%＝15.7 mJ，大于3.3 mJ（樹脂臨界破壞值），所以依假設(shè)條件可以破壞樹脂。

綜合上述銅、玻璃纖維、樹脂的破壞能量分析，得知：

①銅無法被二氧化碳激光鉆孔破壞；

②樹脂吸收二氧化碳激光鉆孔能量后，化學(xué)鍵能被破壞，發(fā)生燃燒反應(yīng)；

③玻璃纖維吸收能量不易被直接去除，先被軟化，再被樹脂燃燒釋放能量帶出。

2 改善措施

2.1 高斯波形激光鉆孔的效果說明

從CO2激光鉆孔的加工參數(shù)方面分析，已知盲孔加工中銅、玻璃纖維、樹脂的破壞性。那么，造成微盲孔孔底玻璃纖維外露突出的實(shí)際原因，則可以從激光光束的形狀分析?，F(xiàn)使用的激光脈沖為高斯波形，邊緣的能量較脈沖輪廓的頂點(diǎn)處低無法達(dá)到玻纖切段的臨界值，無法切除下孔徑孔壁的玻璃纖維，從而導(dǎo)致孔壁玻璃纖維外露突出過高，微盲孔的實(shí)際形狀即是光束所射擊的區(qū)域如圖3所示。

圖3 高斯波形不同次數(shù)激光鉆孔圖

2.2 從高斯波形調(diào)整為扁平式波形

從激光的能量理論計(jì)算，完全足夠燃燒樹脂又不擊穿銅，故不再進(jìn)一步增強(qiáng)能量（能量的過高，亦會導(dǎo)致樹脂過度燃燒及擊穿銅面），而選擇通過增設(shè)波速成形調(diào)整器（如圖4所示），將光束調(diào)整為扁平式的波形，光束邊緣與微盲孔孔壁形狀接近平行，形成滿孔射擊的形態(tài)。

圖4 增設(shè)波速成形器效果

增設(shè)了波速成形器后，調(diào)整高斯波形光束成頂帽式形狀（如圖5所示）。激光脈沖邊緣與微盲孔邊緣接近平行，形成邊緣位置的能量增加（邊緣倒角較之前變?。梢蕴岣咂溆行Ъ庸げＡЮw維的能力。

圖5 扁平式不同次數(shù)的光束波形

2.3 高斯波形轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄绞讲ㄐ蔚母纳?/h3>

增設(shè)了波速成形器后，對激光鉆孔微盲孔切片分析（如圖6所示），微盲孔孔壁玻璃纖維紗線平整，外露突出高度明顯降低，滿足下工序制作需求。

圖6 增設(shè)波速成形器后的激光鉆孔效果圖

3 結(jié)論

常規(guī)CO2激光鉆孔機(jī)主要為高斯光束模式，激光光束可有效燃燒孔內(nèi)樹脂并將玻璃纖維帶出孔內(nèi)，且不擊穿銅，但受激光光束形狀的影響，微盲孔下孔徑處光束輪廓邊緣能量薄弱，難于切除光束輪廓邊緣的孔角玻璃纖維，形成孔角玻璃纖維外露突出過高，影響產(chǎn)品質(zhì)量，通過有效的能量分析和增設(shè)光速成形器進(jìn)行設(shè)備升級改造，可以很好地切除微盲孔底光束輪廓邊緣玻璃纖維，使激光鉆孔后孔壁和孔角質(zhì)量得到了很大改善，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。