PCB的激光鉆孔技術(shù)

蔡積慶 譯

（江蘇 南京 210018）

1 前言

近年來以便攜電話，筆記本PC和數(shù)字?jǐn)z像等為代表的電子關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的高功能化迅速發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)這些電子產(chǎn)品的高功能化，安裝的半導(dǎo)體電子元件的小型化和高性能化以及安裝這些電子元件的PCB的高密度化，多層化，導(dǎo)通孔的小徑化和高精度化都是不可缺少的。利用激光的PCB孔加工技術(shù)，隨著PCB的高密度化而開發(fā)的積層法的盲孔（BH，Blinel Hole）加工方法強(qiáng)力要求特別的小徑化和高精度化。本文就PCB的激光鉆孔加工技術(shù)的現(xiàn)狀和下一代PCB的動(dòng)向，以及目前量產(chǎn)加工量最多的使用提高激光吸收率的表面處理的直接激光加工銅以便形成導(dǎo)通孔的銅直接鉆孔加工加以介紹。

2 激光加工的現(xiàn)狀和小徑化的動(dòng)向

PCB制造中，貫通（TH）導(dǎo)通孔和盲孔導(dǎo)通孔分別采用鉆頭鉆孔機(jī)和激光鉆孔機(jī)進(jìn)行加工。隨著電子設(shè)備的輕量化和高性能化，PCB發(fā)展到小徑化和高精度化，尤其是安裝半導(dǎo)體等元件的外層積層部迅速發(fā)展到導(dǎo)體寬度的微細(xì)化，BH導(dǎo)通孔的小徑化，孔數(shù)增加和多層化。圖1表示了PCB制造中鉆孔機(jī)所擔(dān)當(dāng)任務(wù)。下面具體的敘述各種PCB的加工工程和加工孔徑等加工動(dòng)向預(yù)測。

圖1 PCB制造中鉆孔機(jī)的任務(wù)

2.1 常規(guī)基層板

便攜電話的母板等使用的常規(guī)基層板中，以適應(yīng)高密度化和低成本為目的的工程方式正在發(fā)生變化。傳統(tǒng)的量產(chǎn)化正在從表面銅箔上利用蝕刻形成窗口（Window）并照射比窗口大的激光束進(jìn)行加工的敷形（Conformal）法移行到以提高與內(nèi)層圖形的重合精度為目的，在比內(nèi)層基準(zhǔn)加工孔徑大的窗口內(nèi)的樹脂照射直接激光進(jìn)行加工的大窗口（Large Window）法，而現(xiàn)在正在迅速移行到在表面銅箔上施行吸收CO2激光的表面處理，采用激光直接在銅箔上加工以便形成窗口或孔加工（Cu Direct Drilling）法。

目前量產(chǎn)化的各工程方式可以加工φ75μm ～φ200μm的孔徑，為了適應(yīng)下一代的高密度化的需要，預(yù)計(jì)將會(huì)移行到下一代利用銅直接加工法的φ50μm ～φ75μm的孔徑。

2.2 BGA和CSP用模組PCB

BGA和CSP用模組PCB中，雙面板占大多數(shù)，目前以敷形法的加工為主流。但是為了適應(yīng)微細(xì)線路的要求，正在從傳統(tǒng)的銅箔厚度9μm ～ 12μm，樹脂厚度約100μm和孔徑中φ100μm發(fā)展到銅箔厚度7μm甚至5μm的薄銅箔化，與此同時(shí)，樹脂厚度約60μm，孔徑φ75μm的小徑化。另外除了以雙面板為主流以外，還增加了適應(yīng)高密度化需要的多層板，它的工程方式與通用積層板同樣，還在研究對表層薄銅箔采用激光進(jìn)行直接加工銅箔的加工法。

2.3 FCBGA用模組PCB

FCBGA（倒裝芯片球柵陣列）用模組PCB中，為了適應(yīng)個(gè)人電腦（PC）用CPU等的高速高功能化的需要，現(xiàn)在發(fā)展到線路最高密度化。旨在適應(yīng)微細(xì)線路化的電路形成正在采用半加成法。現(xiàn)在正在采用樹脂上直接照射CO2激光和UV激光形成加工孔的樹脂直接加工法進(jìn)行量產(chǎn)化。今后利用樹脂直接加工的工程方式也不會(huì)變化，但是預(yù)計(jì)孔徑將會(huì)從現(xiàn)在的φ50μm ～ φ60μm移行到適應(yīng)高性能化的φ50μm以下的小徑化。

2.4 FPC

FPC利用現(xiàn)在的CO2激光敷形和UV激光銅直接法實(shí)施φ75μm ～ φ200μm的量產(chǎn)化。預(yù)計(jì)今后逐漸移行到使用UV激光的銅直接加工法。圖2表示了代表性的激光加工法。表1表示了PCB的現(xiàn)狀和小徑化加工動(dòng)向的預(yù)測。

圖2 代表性的激光加工法

表1 PCB的現(xiàn)狀和小徑化加工動(dòng)向預(yù)測

3 PCB用激光加工機(jī)

圖3表示了PCB材料加工用激光的波長。

圖3 PCB材料加工用激光的波長

首先，PCB材料加工激光振蕩器中使用最多的是波長9400μm的CO2激光。環(huán)氧樹脂等絕緣層和玻璃等被加工材料的CO2激光的吸收率高而促進(jìn)激光加工，與之相比，因?yàn)槊た祝˙H）孔底部的銅的CO2激光幾乎全部被反射，吸收率降低為1.2%～3%，而不能加工，所以盲孔加工時(shí)，到內(nèi)層銅箔就會(huì)停止。

其次是波長355 nm的紫外（UV，Ultra Violet）激光對于絕緣層，玻璃和銅的吸收率都高，而適用于PCB加工用。由于銅的UV激光吸收率高而不同于CO2激光，可以直接加工銅。但是通過調(diào)整加工能量和電子束方式也可以控制到不會(huì)加工內(nèi)層銅箔的狀態(tài)，從而可以進(jìn)行盲孔加工。

圖4表示了PCB小徑孔加工所需要的激光加工裝置的主要技術(shù)。激光加工機(jī)是由（1）與加工目的重合的加工點(diǎn)的激光電子束模式可以選擇高斯（Gauss）分布，園頂（Rouncl Top）分布和頂環(huán)（Top Hat，頂帽）分布的瞄準(zhǔn)透鏡（Collimation Lens）；（2）由電子束整形器（Beam Shaper）和進(jìn)行加工徑調(diào)整的孔（Aperture）等構(gòu)成的電子束整形光學(xué)系統(tǒng)；（3）維持脈沖能量的狀芯進(jìn)行高速多電子束化的電子束開關(guān)（Beam Switching）；（4）高速高精度確定位置的電流掃描器（Galvanoscanner）；（5）電子束在掃描范圍內(nèi)均勻成像的fθ透鏡等構(gòu)成的。另外，通過獨(dú)特的階躍脈沖（Step Pulsel）控制來控制個(gè)別加工發(fā)射的脈沖幅度（最小1μm），使得適合于加工的電子束能量最佳化，從而可以確保實(shí)出物（Overhang）和玻璃的熔融，突出的控制和減輕孔壁面粗糙度等孔品質(zhì)。

圖4 PCB鉆孔用激光加工裝置的主要技術(shù)

圖5表示了小孔徑激光加工裝置的主要技術(shù)。圖中設(shè)定激光波長λ，fθ透鏡入射電子束經(jīng)φd0，fθ透鏡焦點(diǎn)距離F，模式次數(shù)M2的情況下，加工點(diǎn)電子束徑標(biāo)準(zhǔn)束徑φd為φd=（2.44λF/φd0）M2。激光的波長λ和fθ透鏡的焦點(diǎn)距離F越短加工點(diǎn)電子束經(jīng)φd就越小，特別是fθ透鏡的入射電子束經(jīng)φd0越大加工點(diǎn)電子束經(jīng)φd就越小。關(guān)于激光的波長，相對于CO2激光9400 nm來說，UV第3次高諧波中355 nm和UV激光具有優(yōu)良的小徑孔加工性。但是目前的量產(chǎn)加工中的孔徑為φ50μm以上，如圖5所示的銅直接加工和樹脂直接加工的小徑加工例那樣，利用CO2激光可以適應(yīng)φ50μm的加工，尤其是當(dāng)CO2激光輸出功率大到10倍以上時(shí)，由于生產(chǎn)效率高等關(guān)系，所以現(xiàn)在利用CO2激光的加工成為主流。

圖5 小徑孔鉆孔用激光加工裝置的主要技術(shù)

另外利用小徑孔（Aperture）的光衍射擴(kuò)展的電子束導(dǎo)入fθ透鏡和利用焦點(diǎn)距離短的fθ透鏡的成像可以實(shí)現(xiàn)小徑化，除了這些光學(xué)系統(tǒng)以外還需要最適合小徑加工的加工能量和電子束模式控制技術(shù)。

4 確保生產(chǎn)性和提高孔位置精度

下一代PCB中，孔徑小徑化的同時(shí)引起內(nèi)層焊盤徑的小徑化，積層層數(shù)增加的同時(shí)大幅度引起加工孔數(shù)的增加。為此激光加工機(jī)必須適應(yīng)孔徑小徑化的同時(shí)還要適應(yīng)小徑化內(nèi)層焊盤上加工位置重合的位置精度提高和孔數(shù)的增加，還要求確保生產(chǎn)性。

圖6表示了電流速度路線圖。決定激光加工速度的電流掃描器的速度數(shù)年前約為1000 Hz，但是使用現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的電流鏡（Galvanomirror）尺寸的通用積層，BGA和CSP規(guī)格的加工及的電流掃描器的速度為2400 Hz以上，使用小徑用的大型電流鏡的FCNGA規(guī)格的加工機(jī)的電流速度為1700 Hz以上，大幅度改善的激光加工機(jī)的鉆孔速度飛躍的提高，更高的速度提高正在研究中。

圖6 電流速度路線圖

圖7表示了孔加工位置精度路線圖。下一代PCB中，對于伴隨著高密度化的加工孔數(shù)的增加，有必要謀求提高電流速度的生產(chǎn)性提高，與此同時(shí)伴隨著內(nèi)層焊盤的小徑化，反過來又要求提高孔加工位置精度。為了適應(yīng)孔加工位置精度的提高，進(jìn)行了電流伺服（Galvanoservo）靜定（Statically Determinate）技術(shù)，電流位置修正技術(shù)和工作臺(tái)位置確定精度提高等方面的改善，是孔徑加工位置精度達(dá)到0.010 mm以下的高精度化，謀求生產(chǎn)性和高精度化兼顧的同時(shí)正在研究更高的精度提高。

5 銅直接加工的動(dòng)向

圖8表示了通用積層板的激光加工法的動(dòng)向。如上所述，伴隨著PCB的高密度化要求，傳統(tǒng)方法的敷形和大窗口加工法正在變化，迅速移動(dòng)到?施行吸收CO2激光的表面處理并采用激光加工直接銅箔而形成加工孔的銅直接加工法。目前的狀況是通用積層板的60%～70%以上已經(jīng)量產(chǎn)采用銅直接加工。為了實(shí)現(xiàn)銅直接加工量產(chǎn)化，必須施行吸收穩(wěn)定的激光以便均勻加工的表面處理。

圖8 通用積層板激光加工法的動(dòng)向

圖9表示了銅直接量產(chǎn)加工的表面處理動(dòng)向。目前利用銅直接加工法的量產(chǎn)加工中主要使用黑化處理和H2SO4～H2O2系的粗化處理（主要的有A和B工制造商）。激光光的吸收量優(yōu)良的黑化處理此啊用7μm ～ 12μm的銅箔厚度實(shí)施量產(chǎn)加工，與黑化處理相比，激光光的吸收量較少些的H2SO4-H2O2系的粗化處理中采用7μm ～ 9μm的比黑化處理薄一些的銅箔厚度進(jìn)行量產(chǎn)加工。由圖9可知，采用A和B工制造商的H2SO4-H2O2系粗化處理時(shí)的激光加工性相當(dāng)而沒有差別。今后伴隨著表面處理工程的自動(dòng)化以及與內(nèi)層表面處理的工程共用化等的進(jìn)步，預(yù)計(jì)將會(huì)增加H2SO4-H2O2系粗化處理的比例。

圖9 銅直接量產(chǎn)加工的表面處理動(dòng)向

圖10表示了銅直接量產(chǎn)加工的小徑化加工動(dòng)向。如上所述的加工動(dòng)向預(yù)測，通用積層板的量產(chǎn)孔徑為φ75μm ～ φ200μm，但是生產(chǎn)量最多的便攜電話用的母板中以φ100μm ～ φ125μm的孔徑為主流。隨著以智能電話為代表的最近的便攜電話的高功能化，母板發(fā)展成為高密度化和高多層化，加工孔徑以更加小徑化的φ25μmm左右為主流。瞄準(zhǔn)下一代的φ50μm的孔加工也開始研究。在這些智能電話用的母板中不僅朝著孔徑的小徑化，而且為了適應(yīng)以高密度線路化為目的薄銅箔化高多層基板的整體基板厚度的薄板化，正在朝著減少絕緣層厚度的方向。加工條件中，為了適應(yīng)伴隨著高密度化高多層化而產(chǎn)生的每一枚PCB的孔數(shù)增加，即使在小徑孔加工中也采用3～4次發(fā)射進(jìn)行加工，小徑孔加工中還要確保生產(chǎn)性。

圖10 銅直接量產(chǎn)加工的小徑化加工動(dòng)向

6 貫通孔（TH）加工的動(dòng)向

圖11表示了貫通孔加工法和孔徑的適用范圍。由于30萬以上旋轉(zhuǎn)的超高速主軸的實(shí)用化，鉆頭制造技術(shù)的進(jìn)步和薄銅箔的普及，孔徑φ100μm以上的多層板和雙面板的加工中鉆孔加工可以確保貫通孔加工的孔品質(zhì)和生產(chǎn)性，但是孔徑100μm以下的范圍將會(huì)與激光加工竟?fàn)帯?/p>

由于告訴旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切削負(fù)荷的降低，在75μm ～100μm小孔徑鉆孔加工中正在解決200μm微細(xì)節(jié)距鉆孔加工的孔品質(zhì)，生產(chǎn)性和遷移等問題。還在致力于超高速主軸的研究，孔徑φ50μm～ φ70μm的鉆孔加工估計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的。CO2激光貫通孔加工中，銅箔上施行吸收CO2激光的表面處理的雙面板是可以形成孔徑φ75μm ～ φ100μm的貫通孔。然而在CO2激光貫通孔加工中，由于必須除去孔入口處周邊的銅的突出物（Overhang）和附著的銅燒蝕物，孔內(nèi)壁面粗糙度比鉆孔加工的增加，尤其是由于基材部位的玻璃密度的不同而產(chǎn)生孔加工形狀的波動(dòng)度等，孔加工品質(zhì)比鉆孔加工低一些。因此利用CO2激光的貫通孔加工實(shí)用化正在進(jìn)行以后道工程的構(gòu)筑，孔加工品質(zhì)和生產(chǎn)性等成本為判斷要素的研究。利用UV激光加工孔徑為φ75μm ～ φ100μm時(shí)存在著生產(chǎn)性比鉆孔低的狀況。因?yàn)殂@孔和CO2激光難以適應(yīng)進(jìn)一步小徑化的需要，所以φ50μm以下的更小孔徑的孔加工正在研究。

圖11 貫通孔（TH）加工法和孔徑適用范圍

7 今后的小徑化動(dòng)向和相應(yīng)技術(shù)

今后電子關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的高功能化將會(huì)日益加速，PCB的高密度化要求和導(dǎo)通孔小徑化趨勢也將會(huì)加劇。

圖12表示了激光的波長和小孔徑加工性能力的比較。由圖12可知，在今后的小徑化動(dòng)向和相應(yīng)技術(shù)中，對于使用激光的盲導(dǎo)通孔（BH）和貫通孔鉆孔的φ50μm以下的孔來說將會(huì)從CO2激光移行到UV激光。對于更加小徑化的鉆孔來說，必須研究更短波長的激發(fā)物（Excimer）激光和第四高諧波UV激光。關(guān)于適應(yīng)高密度化的孔加工位置精度提高技術(shù)，必須構(gòu)筑工作臺(tái)精度提高，電流修正精度提高和校準(zhǔn)（Alignment）讀取精度提高等修正技術(shù)。在PCB材料方面，必須研究滿足適應(yīng)高密度化和相應(yīng)的微細(xì)節(jié)距的薄銅箔化，適應(yīng)樹脂材料中降低熱膨脹的填料填充率的增加和加工困難性，適應(yīng)小徑化和高縱橫比（Aspectratio）等相反內(nèi)容的激光孔加工技術(shù)。

圖12 激光光的波長和小孔徑加工性能里的比較

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[3]久世修. ェレクトロニクス実裝學(xué)會(huì)誌,13, 405(2010).

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