關(guān)于二階激光孔鉆孔加工技術(shù)的研究與應(yīng)用

紀(jì)龍江

（大連崇達(dá)電路有限公司，大連 116600）

1 前言

隨著PCB技術(shù)水平的不斷提高和大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，對(duì)于大量HDI電路中的埋/盲孔，普通機(jī)械數(shù)控鉆床不能滿足要求，必須采用激光鉆孔加工技術(shù)。目前業(yè)界激光鉆孔加工普遍使用CO2激光鉆孔機(jī)，CO2激光鉆孔是熱燒蝕工藝原理。然而，由于CO2激光能量受脈沖周期、脈沖波形、脈沖寬度、PCB表面處理工藝、激光發(fā)射器狀態(tài)、激光孔的類別/結(jié)構(gòu)、PCB介質(zhì)層材質(zhì)、厚度、包括環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，孔底樹(shù)脂殘留、孔形異常、孔底銅箔擊穿、孔壁玻璃絲布突起等一系列品質(zhì)問(wèn)題隨之而來(lái)，這其中，以“擊穿爆孔”問(wèn)題最為突出、危害最大?，F(xiàn)主要針對(duì)擊穿爆孔的問(wèn)題展開(kāi)技術(shù)研究與改善。

2 激光成孔簡(jiǎn)介

2.1 激光定位原理

如下圖1所示，由激光振動(dòng)器發(fā)射出來(lái)的激光在經(jīng)過(guò)整形變徑處理后，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)折射至工件表面一定范圍的加工區(qū)域內(nèi)。在此區(qū)域內(nèi)，電流計(jì)式反射鏡能夠在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)程序中孔的XY位置指令，左右旋轉(zhuǎn)以達(dá)到指定位置角度，形成閉環(huán)控制。而機(jī)械伺服臺(tái)面需要根據(jù)程序指令需求，以50 m/min ～ 60 m/min的速度提前快速移動(dòng)至指定的加工區(qū)域范圍內(nèi)等待激光鉆孔，在激光鉆孔的過(guò)程中，只有當(dāng)區(qū)域內(nèi)的孔全部加工完畢后，機(jī)械伺服臺(tái)面才能移動(dòng)到下一個(gè)區(qū)域繼續(xù)加工。激光數(shù)控鉆床的定位系統(tǒng)由光學(xué)定位與機(jī)械定位組合而成，機(jī)械伺服系統(tǒng)的定位原理與機(jī)械數(shù)控鉆床相同。

圖1 激光數(shù)控鉆床定位原理示意圖

2.2 激光成孔原理

利用紅外激光特有的熱效應(yīng)及直線特性，使用CO2氣體在增加功率及維持放電時(shí)間下，產(chǎn)生9 400 nm ～ 10 600 nm的脈沖式紅外激光，該激光能夠穿透樹(shù)脂/玻璃絲布等有機(jī)物質(zhì)層表面達(dá)到其內(nèi)部，介質(zhì)層樹(shù)脂/玻璃絲布有強(qiáng)烈吸收紅外線波長(zhǎng)而提高能量的特性，最終被燒灼形成連通性盲孔。下圖2所示為幾種常見(jiàn)激光孔類型。

圖2 激光孔類型

說(shuō)明：

圖2（1）：Largewindow 1階激光孔，光束直徑與成品孔徑相同，天窗徑大于光束直徑20 μm ～ 30 μm。

圖2（2）：Conformal 1階激光孔，業(yè)界加工能力一般φ75 μm ～ φ300μm。

圖2（3）：Conformal 2階激光孔，外層天窗徑一般可以做到φ150 μm ～ φ300 μm，次外層窗徑一般可以做到φ120 μm ～ φ220 μm，激光鉆孔一般采用11模式加工。

圖2（4）：LDD 1階激光孔，不需要開(kāi)天窗，可直接成孔。

2.3 加工模式介紹

激光鉆孔加工模式主要有以下2種，如下圖3所示。

圖3 激光鉆孔加工模式

說(shuō)明：

圖3（1）：逐孔加工法，該方法一般適用于介質(zhì)層在100μm以內(nèi)，孔徑≤φ150 μm的激光孔。

圖3（2）：逐循環(huán)加工法，即在加工區(qū)域內(nèi)，先每個(gè)孔加工1shot，然后每個(gè)孔再增加1shot……，該方法適用于介質(zhì)層厚度在100 μm以上，孔徑大于φ150 μm的激光孔。

2.4 光束模式介紹 (圖4)

圖4 光束模式

說(shuō)明：

激光鉆孔加工過(guò)程中，光波時(shí)域方面的波長(zhǎng)和空域方面的模式對(duì)其能量密度分布起著主要的影響，根據(jù)郎伯-比爾定律：

式中：I0，——入射光及通過(guò)樣品后的透射光強(qiáng)度；

A——吸光度（absorbance）舊稱光密度（optical density）；

C——樣品濃度；

d——光程；

k——光被吸收的比例系數(shù)；

T——透射比，即透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比。

其物理意義是，當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí), 其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度d成正比。激光鉆孔過(guò)程中激光能量密度會(huì)隨著孔深的增加而衰減，G模式與T模式能量在加工不同孔徑時(shí)會(huì)有較明顯不同的效果，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要注意選擇與應(yīng)用，一般情況下，G模式主要用來(lái)加工φ150 μm以下小孔，T模式激光主要用來(lái)加工φ150 μm以上大孔。

2.5 激光種類

PCB生產(chǎn)用得多的是UV激光和CO2激光。UV激光因其波長(zhǎng)短、能量高，在加工過(guò)程中無(wú)需要對(duì)印制板進(jìn)行表面處理就能用光化學(xué)裂蝕的方式打斷基材物質(zhì)中的化學(xué)鍵，使基材分解。但是其加工時(shí)間長(zhǎng)，不能大量的生產(chǎn)，因此，很多廠家傾向于運(yùn)用CO2進(jìn)行微盲孔的加工，CO2鉆孔速度快、成本低、效率高，在短時(shí)間內(nèi)可以處理大量的板件。

3 2階激光孔加工存在問(wèn)題分析

3.1 何為二階激光孔

圖5 2階激光孔

如圖5所示，二階激光孔一般要具備并滿足以下技術(shù)條件，具體如圖中：

φd：外層孔底直徑，一般不小于70%φD。

φd1：次外層孔底直徑，一般不小于70%φD1。

φD：外層孔頂直徑，一般150 μm ～ 300 μm。

φD1：次外層孔頂直徑，一般120 μm ～ 220 μm。

H：介質(zhì)層厚度，含銅厚

h1：介質(zhì)層厚度

h2：次外層介質(zhì)層厚度

二階激光鉆孔類型一般常見(jiàn)于8層以上（含）HDI板中，其最顯著的特征就是2層疊孔在激光鉆孔時(shí)一次加工成形，與傳統(tǒng)的疊孔分2次激光鉆孔工藝相比，具有工藝流程簡(jiǎn)單、加工速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 二階激光孔“爆孔”問(wèn)題的探究

圖6 二階激光孔“爆孔”

圖6（1）為正常的二階激光孔加工效果，圖6（2）、圖6（3）為實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的2階激光孔爆孔與底銅擊穿、孔形異常的問(wèn)題。這種缺陷具有很大隱蔽性、危害性，目前所采用的切片或目視檢測(cè)的方法很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)诫姕y(cè)工序被發(fā)現(xiàn)時(shí)已直接導(dǎo)致產(chǎn)品廢棄。

3.3 分析產(chǎn)生原因

問(wèn)題發(fā)生后，根據(jù)每個(gè)缺陷孔所在整個(gè)生產(chǎn)板的位置對(duì)應(yīng)找到激光鉆孔程序的BLOCK區(qū)域位置。

經(jīng)過(guò)大量缺陷孔位置的確認(rèn)與切片分析，我們發(fā)現(xiàn)所有的缺陷孔均發(fā)生在孤立的BCLOCK區(qū)域，孔類型均為2階激光孔，缺陷板所用的加工參數(shù)如下表1所示。

根據(jù)以上調(diào)查分析，基本可以確定是由于激光能量過(guò)大導(dǎo)致的爆孔、擊穿問(wèn)題，但是除僅有孤立孔的BLOCK區(qū)域外，其它區(qū)域的激光孔都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。通過(guò)進(jìn)一步的分析得知，所有激光鉆孔的生產(chǎn)板均需要通過(guò)激光鉆床的程序轉(zhuǎn)換軟件對(duì)原程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將整個(gè)有效圖形按預(yù)先設(shè)定區(qū)域大小分割成多個(gè)單獨(dú)加工的BLOCK，激光槍對(duì)每個(gè)BLOCK內(nèi)的所有激光孔間進(jìn)行逐循環(huán)加工，使用的是逐循環(huán)加工模式，當(dāng)BLOKC區(qū)域內(nèi)只有1個(gè)激光孔時(shí)，則激光鉆床會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)完成加工，如圖7所示。

表1 二階激光孔加工參數(shù)

圖7 逐循環(huán)激光加工模式

2階激光孔一般需要重復(fù)激光擊打14～20shot左右，若BLOCK內(nèi)設(shè)計(jì)孤立激光孔，則每次循環(huán)擊打的延遲時(shí)間變短，即單位時(shí)間內(nèi)孤立激光孔所受到的激光能量過(guò)高，孔底銅持續(xù)過(guò)熱導(dǎo)致激光擊穿、爆孔等問(wèn)題發(fā)生。

3.3 采取措施改善

根據(jù)上面分析原因，再次使用相同加工參數(shù)對(duì)BLOCK內(nèi)不同孔數(shù)的加工效果進(jìn)行確認(rèn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：隨著B(niǎo)LOCK內(nèi)孔數(shù)的增加，激光孔形有明顯改善，當(dāng)孔數(shù)超過(guò)4個(gè)以上時(shí)，激光孔形狀態(tài)達(dá)到正常水平，由此可以證明，在材料、加工參數(shù)、激光能量、孔類別一定的前提下，BLOCK內(nèi)激光孔的數(shù)量對(duì)激光孔質(zhì)量有直接影響，如何通過(guò)過(guò)程管理避免出現(xiàn)BLOCK內(nèi)出現(xiàn)孤立孔的情況成為必然。

針對(duì)上面原因分析與效果確認(rèn)，采取以下措施應(yīng)對(duì)：

（1）首先在產(chǎn)品投產(chǎn)前對(duì)激光鉆孔程序進(jìn)行識(shí)別，如果發(fā)現(xiàn)有4個(gè)以下激光孔的BLOCK區(qū)域存在時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以保證BLOCK內(nèi)激光孔的數(shù)量大于4。目前，我們通過(guò)自主研發(fā)的激光鉆床孤立孔識(shí)別軟件（該軟件獲得國(guó)家軟件著作權(quán)）對(duì)以上過(guò)程進(jìn)行確認(rèn)，最后根據(jù)查詢結(jié)果相應(yīng)位置予以確認(rèn)；

（2）通過(guò)激光技術(shù)手段調(diào)整激光鉆孔程序，在有孤立孔的BLOCK區(qū)域內(nèi)增加非功能激光孔，用以分散激光能量；

（3）對(duì)調(diào)整后的激光鉆孔程序進(jìn)行再次轉(zhuǎn)換確認(rèn)；

（4）對(duì)首件板的調(diào)整后的BLOCK區(qū)域內(nèi)的激光孔加工效果進(jìn)行重點(diǎn)確認(rèn)；

（5）確認(rèn)無(wú)異常后量產(chǎn)。

4 結(jié)論

以上是我們?cè)诙A激光鉆孔加工技術(shù)方面所積累的一點(diǎn)心得與體驗(yàn)，并且通過(guò)我們的努力目前為止已徹底解決二階激光孔在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在的各種問(wèn)題，使產(chǎn)品質(zhì)量得到穩(wěn)步的提升與發(fā)展，并且針對(duì)此類爆孔、擊穿問(wèn)題的具體成因及措施，我們已經(jīng)形成一套行之有效的管理體系與作業(yè)規(guī)范，確保不會(huì)再有類似問(wèn)題發(fā)生。

從現(xiàn)有的加工技術(shù)看，激光技術(shù)在印制電路板加工中具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景，如何利用激光技術(shù)、提升產(chǎn)品質(zhì)量，將會(huì)成為PCB加工在高密度化趨勢(shì)下發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

[1]韓榮第,周明. 金屬切削原理與刀具, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997,4.

[2]李旦,王廣林,李益民. 機(jī)械制造工藝學(xué), 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1997,10.

[3]胡友作等. CO2激光鉆撓性板盲孔工藝參數(shù)的優(yōu)化, 印制電路信息, 2012,4.

[4]黃雨新等. 激光在印制電路板制造中應(yīng)用的新進(jìn)展, 印制電路信息, 2012,4.