1064nm和355nm激光掃描刻蝕覆銅板工藝及質(zhì)量研究

傅 茜，張 菲，蔣 明，段 軍，曾曉雁

(華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

引 言

覆銅板(copper clad laminate，CCL)作為印制電路板(printed circuit board，PCB)的基板材料，被廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、收音機(jī)、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通訊等電子產(chǎn)品中。在印刷電路板的傳統(tǒng)制作工藝中，無論是加成法還是減成法，都必須把覆銅板上除布線圖以外的銅箔層去除。工業(yè)上最常見的做法是利用化學(xué)腐蝕，即將涂膠的覆銅板經(jīng)曝光和清洗后，浸置在含有氯化鐵的腐蝕液中，利用氧化還原反應(yīng)將銅箔層去除，最后還必須完成清洗和去膠步驟［1］。該做法不僅制作周期長(zhǎng)，加工精度受傳統(tǒng)掩膜束縛，且容易產(chǎn)生導(dǎo)線凹陷，最重要的是還會(huì)造成嚴(yán)重的工業(yè)污染。隨著激光器性能和激光微加工技術(shù)的發(fā)展，激光直接刻蝕技術(shù)被用于覆銅板的圖形化處理，即在不傷及基底的條件下，將激光直接作用覆銅板表面的銅箔層上，通過蒸發(fā)或熔化作用直接去除材料，從而省去傳統(tǒng)印刷電路板中涂膠、曝光，腐蝕、清洗和去膠的制作程序，簡(jiǎn)化布線圖的轉(zhuǎn)移工藝，并進(jìn)一步提高加工精度和成品質(zhì)量，更重要的是消除了工業(yè)污染。

將激光應(yīng)用于印刷電路板制作的技術(shù)在國外研究較早，如HIROGAKI等人利用CO2激光作用于多層電路板上的玻纖環(huán)氧樹脂，得到了不同錐度的盲孔［2］;WANG等人利用355nm全固態(tài)紫外激光刻蝕環(huán)氧基PCB板，樣品切面平整、熱影響區(qū)?。?］。國內(nèi)電子科技大學(xué)的YU等人利用紫外激光，采用二次加工完成了覆銅基板1階盲孔和2階盲孔的制作［4］。作者所在的課題組在前期工作中也利用355nm和1064nm的全固態(tài)激光器對(duì)覆銅板進(jìn)行單線刻蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究［5］。

目前的研究工作主要集中在PCB板的激光切割和打孔工藝方面，對(duì)PCB激光掃描刻蝕提及較少，并且未曾對(duì)紅外激光和紫外激光掃描刻蝕PCB板質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比研究。作者在參考以往相關(guān)文獻(xiàn)［6-13］的基礎(chǔ)上，采用1064nm紅外激光和355nm紫外激光作為激光光源，以激光直接掃描刻蝕的方法加工覆銅板，詳細(xì)研究了不同激光波長(zhǎng)、激光能量密度、掃描速率以及銅層厚度對(duì)刻蝕質(zhì)量的影響，在完全去除覆銅板表面銅箔的條件下，將基板的損傷和炭化可能降到最低。同時(shí)，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)比分析了紅外激光和紫外激光刻蝕覆銅板材料的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中所用設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室自主研制的3維微加工設(shè)備，通過2維振鏡控制光斑的移動(dòng)，z軸采用伺服電機(jī)精確控制焦平面高度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為對(duì)比研究不同波長(zhǎng)激光作用下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別選用了IPG公司YLP系列的1064nm 50W光纖激光器和OPTOWAVE公司AWave355系列的355nm 10W全固態(tài)紫外激光器，其主要性能參量如表1所示。

Fig.1 Schematic diagram of lasermachining system

Table 1 Main parameters of fiber laser＆UV laser

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中選取的試樣為電子行業(yè)常用的玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂為基底的單面覆銅板，表面銅層厚度分別為0.3μm，12μm 和35μm，基底材料厚度均為1mm。

為了得到覆銅板刻蝕質(zhì)量與各工藝參量之間的變化規(guī)律，以及銅層厚度對(duì)刻蝕質(zhì)量的影響，本文中采用控制變量法，分別改變紅外(紫外)激光器的脈沖能量密度J、掃描速率v等參量，在3種加工試樣上單次刻蝕2.5mm×2.5mm的填充矩形。且為了對(duì)刻蝕質(zhì)量有更直觀的判斷對(duì)比，本文中從加工樣品的刻蝕深度、加工面粗糙度以及微觀形貌3個(gè)方面入手，對(duì)加工樣品進(jìn)行必要的清潔后，利用Deltak機(jī)械探針式臺(tái)階測(cè)試儀對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行檢測(cè)，得到樣品的刻蝕深度及加工面粗糙度的相關(guān)信息，再使用Quanta 200掃描電子顯微鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行觀察，采集對(duì)應(yīng)參量下的高倍電子顯微圖片，對(duì)激光刻蝕質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 激光能量密度和掃描速率對(duì)刻蝕質(zhì)量的影響

圖2a中給出了采用紅外激光刻蝕12μm銅厚覆銅板時(shí)，在重復(fù)頻率 f=50kHz、掃描速率 v=1500mm/s、離焦量zf=0mm以及激光掃描次數(shù)n=1的條件下，激光能量密度對(duì)刻蝕深度和粗糙度影響的曲線;圖2b中給出在 f=50kHz，J=91J/cm2，zf=0mm以及n=1的條件下，激光掃描速率對(duì)刻蝕深度和粗糙度影響的曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雖然覆銅板是一種復(fù)合型材料，且兩種組成材料的物理和化學(xué)特性具有很大的差異，但其刻蝕深度曲線與一般非復(fù)合型材料的曲線走勢(shì)一致，即都隨著能量密度的增大而增加(見圖2a)，隨著掃描速率的增大而減小(見圖2b)。

Fig.2 Effect of infrared laser parameters on the etching depth D and roughness R

圖3為采用紫外激光刻蝕12μm銅厚覆銅板時(shí)，激光能量密度(見圖3a)和掃描速率(見圖3b)對(duì)刻蝕深度和粗糙度影響的曲線。圖3a中紫外激光刻蝕參量為 f=80kHz，v=500mm/s，zf=0mm，n=1;圖3b中的激光刻蝕參量為f=80kHz，J=47.8J/cm2，zf=0mm，n=1。從圖3與圖2對(duì)比可知，兩者刻蝕深度曲線走勢(shì)基本一致，但紅外激光去除銅層后加工面的粗糙度的最小值可達(dá)0.51μm，而紫外刻蝕最小粗糙度為1.44μm。

Fig.3 Effect of UV laser parameters on the etching depth D and roughness R

2.2 激光波長(zhǎng)對(duì)刻蝕質(zhì)量的影響

當(dāng)激光刻蝕深度大于12μm時(shí)，表明覆銅板的銅箔層已被完全去除，在此基礎(chǔ)上，刻蝕超越12μm的深度越小，則表明激光對(duì)環(huán)氧樹脂基板的損傷越小。為了研究1064nm和355nm激光波長(zhǎng)對(duì)覆銅板刻蝕質(zhì)量的影響，分別選出在紅外和紫外激光條件下，刻蝕深度略大于且最接近銅層厚度的樣品，利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行微觀形貌觀察(見圖4c和圖4e)，并與采用化學(xué)腐蝕方法得到的原始環(huán)氧樹脂基板(粗糙度為0.3μm)進(jìn)行對(duì)比(見圖4a)。紅外激光刻蝕參量為 f=50kHz，J=127.3J/cm2，v=1500mm/s，zf=0mm，n=1;紫外激光刻蝕參量為f=80kHz，J=47.8J/cm2，v=550mm/s，zf=0mm，n=1，前者的刻蝕速率約為后者的3倍，此外，紅外激光光斑直徑也是紫外激光的2倍，因此，紅外激光刻蝕效率約為紫外激光刻蝕效率的6倍左右。

Fig.4 SEM pictures of CCL with 12μm copper layer etched by infrared laser and ultraviolet laser

圖4a、圖4c和圖4e分別為去除銅層后基板表面放大1000倍的微觀形貌;圖4b、圖4d和圖4f分別為放大5000倍的微觀形貌。對(duì)比結(jié)果表明，紅外激光去除銅層后的基板表面，除了有機(jī)材料的平均孔徑稍有增大外，完整性保持較好，而紫外激光去除銅層后，基板表面則可觀察到明顯的刻蝕傷痕，兩者的刻蝕深度和粗糙度分別為12.13μm，0.51μm和13.17μm，1.44μm。此外，紅外激光加工區(qū)域的基底表面隨機(jī)殘留的銅金屬殘?jiān)繕O少(見圖4d)，而紫外激光加工區(qū)域的銅殘?jiān)鼊t是大量凝聚在基底(見圖4f)。利用能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)對(duì)原始基板和紅外、紫外激光加工區(qū)域進(jìn)行C，O，Cu這3種元素的分析，其原子數(shù)分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

Table 2 Atoms fraction of C，O，Cu in three groups samples

從表2可以看出，紅外、紫外激光加工區(qū)域的Cu元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)都大于原始基板，且后者是前者的2倍。但采用萬用表對(duì)紅外和紫外激光刻蝕樣品進(jìn)行導(dǎo)電性測(cè)試結(jié)果均不導(dǎo)電。通過對(duì)工藝參量進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步改善銅金屬的殘留，比如在其它工藝參量不變的條件下增加離焦量，就可將圖4e所示樣品的Cu元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)下降為0.0047，但對(duì)基板的損傷情況改善不大。再通過對(duì)比3組樣品的C元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)，表明紅外激光加工區(qū)域的C元素含量基本與原始基板保持一致，這說明利用紅外激光加工覆銅板時(shí)，通過優(yōu)化工藝參量可控制刻蝕深度，并避免基底在高溫下發(fā)生炭化。而紫外激光加工區(qū)域的C元素含量相比原始基板下降較多，表明燒損較嚴(yán)重。

2.3 銅層厚度對(duì)刻蝕質(zhì)量的影響

銅層厚度的變化對(duì)激光刻蝕精度和質(zhì)量有著較大的影響。在對(duì)0.3μm銅厚的覆銅板進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要設(shè)置合適的工藝參量(紅外激光刻蝕參量為 f=50kHz，J=11.6J/cm2，v=1500mm/s，zf=0mm，n=1;紫外激光刻蝕參量為 f=100kHz，J=1.6J/cm2，v=1200mm/s，zf=0.3mm，n=1)，無論是利用紅外激光還是紫外激光作為激光光源，去除銅層后的刻蝕樣品基板微觀形貌都與圖4a所示一致。

當(dāng)銅層厚度增加較多時(shí)，無論是利用紅外激光還是紫外激光，去除銅層后對(duì)基板質(zhì)量影響較大。圖5所示為紅外、紫外激光刻蝕35μm銅厚覆銅板時(shí)，刻蝕深度略大于且最接35μm的樣品基板表面形貌。圖 5a為紅外激光在參量 f=50kHz，J=163.4J/cm2，v=400mm/s，zf=0.2mm，n=1 條件下去除銅層后基板的刻蝕效果，基板的多孔性結(jié)構(gòu)被破壞，環(huán)氧樹脂材料受熱熔化后又重新凝固，其刻蝕深度和加工面粗糙度分別為37.61μm和0.64μm;圖5b為紫外激光在 f=30kHz，J=145J/cm2，v=180mm/s，zf=0.3mm，n=1條件下去除銅層后基板的刻蝕效果，有機(jī)基板已經(jīng)嚴(yán)重破損，環(huán)氧樹脂基板內(nèi)部的玻纖材料已露出表面，其刻蝕深度和加工面粗糙度分別為45.52μm和5.41μm。

Fig.5 SEM pictures of CCL with 35μm copper layer etched by infrared laser and ultraviolet laser

3 機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)討論

實(shí)驗(yàn)中采用的覆銅板由銅金屬層和玻纖環(huán)氧樹脂基板構(gòu)成。常溫條件下，銅金屬對(duì)355nm的紫外激光吸收率為70%，對(duì)1064nm紅外激光的吸收率不足10%。采用功率計(jì)粗略測(cè)得在激光功率密度較低的條件下玻纖環(huán)氧材料對(duì)紫外激光的透過率為13%，對(duì)紅外激光的透光率為57%，且非金屬材料對(duì)激光有極低的反射率。由此得知環(huán)氧樹脂基板對(duì)紫外光的吸收率遠(yuǎn)大于紅外激光。但在激光刻蝕過程中，隨著加工材料溫度的上升，材料自由電子的振動(dòng)加劇，將導(dǎo)致材料對(duì)激光的吸收率不斷升高。

利用紅外激光去除銅金屬的過程，主要是依靠材料的熱學(xué)特性。在激光與銅金屬相互作用的初期，材料中的自由電子通過逆韌致輻射效應(yīng)，從被吸收的光子獲得能量完成受激過程，處于受激狀態(tài)的電子與聲子相互作用，將吸收的能量以向外輻射聲子的形式傳遞給晶格，使加工材料溫度上升;當(dāng)溫度上升到一定程度時(shí)，能量傳遞的主要形式不再是依靠受激電子發(fā)射聲子，而是通過電子與晶格的碰撞和晶格之間的耦合來完成;直到材料中沉積了足夠的能量，晶格震動(dòng)達(dá)到極限，從而發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂，材料由固體向液體乃至氣態(tài)轉(zhuǎn)變，最終通過正常蒸發(fā)，汽化反壓力造成的熔化物位移或噴濺，甚至爆炸性沸騰完成材料的去除。

因此當(dāng)紅外激光作用于覆銅板上時(shí)，單個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)的激光首先與上層的銅金屬發(fā)生光熱燒蝕，直到銅金屬去除，余下部分的激光才能與下層的環(huán)氧樹脂發(fā)生光熱反應(yīng)。當(dāng)需要刻蝕的銅層較薄時(shí)，銅金屬以蒸發(fā)汽化為主，而且激光輸入能量較低以及激光與材料相互作用過程非常短暫，激光大部分能量迅速被汽化的銅蒸汽帶走，避免了向基底材料的熱能傳遞，同時(shí)環(huán)氧樹脂材料對(duì)1064nm紅外光有較小的吸收系數(shù)，剩余部分的激光達(dá)不到環(huán)氧樹脂的損傷閾值，從而保證基板的完整性(見圖4c)，可獲得較好的激光刻蝕質(zhì)量和精度。隨著銅層厚度的增加，使得激光輸入能量增加和與材料相互作用延長(zhǎng)，同時(shí)銅金屬以蒸發(fā)汽化比例減少，而以熔化去除比例增加，處于極高溫狀態(tài)下的液態(tài)銅將熱量不斷傳遞到基底材料，基底溫度逐漸上升達(dá)到其分解溫度，環(huán)氧樹脂基板不可避免的出現(xiàn)溶化，如圖5a所示。

采用紫外激光加工覆銅板時(shí)，銅層的去蝕原理基本與紅外激光一致，也是光熱作用。但對(duì)于環(huán)氧樹脂基板而言，則是光熱燒蝕與光化學(xué)反應(yīng)共同作用。根據(jù)光子能量公式，單個(gè)紫外光光子的能量約為3.49eV，而環(huán)氧樹脂材料中的 C—C鍵鍵能為3.45eV，小于紫外單光子能量，因此紫外激光光子能直接作用于環(huán)氧樹脂分子(見圖6)中的結(jié)合鍵，造成化學(xué)鍵的斷裂，最終使被解離的環(huán)氧樹脂材料以基團(tuán)小顆?；驓鈶B(tài)的方式脫離基材。另外，由于環(huán)氧樹脂材料對(duì)紫外激光的吸收率較高以及與激光相互作用時(shí)間較長(zhǎng)，即使是低能量密度的激光也容易造成環(huán)氧樹脂的分解。因此，采用紫外激光刻蝕微米級(jí)銅層厚度的覆銅板時(shí)，激光對(duì)基底材料的損傷難以避免(見圖4e)。同時(shí)，有機(jī)材料中還會(huì)形成自由基，當(dāng)紫外激光與有機(jī)材料的反應(yīng)以光化學(xué)作用為主時(shí)，這些自由基與空氣中的氧活性種結(jié)合，使基材中的O原子數(shù)量上升，以及C原子數(shù)量下降［14］，最終導(dǎo)致紫外激光刻蝕樣品加工區(qū)域C原子數(shù)分?jǐn)?shù)含量相比原始基板較低(見表2)。紫外激光只有在刻蝕0.3μm的亞微米級(jí)銅厚覆銅板時(shí)，由于激光能量密度極低且離焦，使激光能量密度未達(dá)到環(huán)氧樹脂發(fā)生光化學(xué)作用的損傷閾值，才可獲得較好的激光刻蝕質(zhì)量和精度。

Fig.6 Molecular graph of epoxy resin

4 結(jié)論

利用紅外光纖激光器和紫外固體激光對(duì)覆銅板進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)研究了不同工藝參量以及銅層厚度對(duì)刻蝕質(zhì)量的影響。

(1)無論是1064nm光纖激光還是355nm紫外激光，覆銅板刻蝕深度都隨著激光能量密度的增大而增大，隨著掃描速率的增大而減小。

(2)由于刻蝕機(jī)理的不同，以及覆銅板材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光相異的吸收系數(shù)，相比355nm紫外激光，1064nm的紅外激光更適宜一般覆銅板材料銅層的去除，并最大限度的保證基板的完整性，同時(shí)對(duì)比刻蝕效率，紅外激光亦更具優(yōu)勢(shì)。

(3)覆銅板銅層越厚，需要達(dá)到的刻蝕深度越深，加工單位面積需要的激光能量也越多，激光與材料作用時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)基板造成的損傷就越大。

(4)相比紫外激光器，1064nm的紅外光纖激光器腔體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性，及運(yùn)行成本低、價(jià)格較低廉等特點(diǎn)，能適應(yīng)惡劣的加工環(huán)境，有利于覆銅板大規(guī)模工業(yè)加工的實(shí)現(xiàn)。

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