飛秒激光鉆孔是PCB制造緊迫的技術(shù)課題

林金堵

本刊名譽(yù)主編

近10年來(lái)，電子產(chǎn)品持續(xù)走向小型化的同時(shí)、特別突出的是其功能更多、速度更快地向前發(fā)展著。在電子產(chǎn)品多功能化、信號(hào)傳輸高頻化（或高速數(shù)字化）的沖擊下，作為電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)部件印制板（PCB）必然要急劇地向高密度化、高精細(xì)化發(fā)展。而PCB高密度化、高精細(xì)化的 發(fā)展主要是要求“線”、“孔”、“層”等三大要素（結(jié)構(gòu)）做?。?xì)）、做精（尺寸精度）、做準(zhǔn)（結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)），才能滿足要求。

目前，PCB高密度化正以封裝（IC）基板為主體向前發(fā)展中，而PCB高精細(xì)化正以微小、高精度的線、孔和層等“三大要素”向前推動(dòng)著。其中，將過(guò)去以“線”為主體發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榭诪橹黧w的發(fā)展！因此，重視和抓好提高孔的質(zhì)量制造已經(jīng)排在PCB制造業(yè)的日程上來(lái)！

1 信號(hào)高頻化帶來(lái)的沖擊

1.1 信號(hào)傳輸快速走向高頻化

電子產(chǎn)品不僅迅速走向小型化和多功能化，更突出地是其信號(hào)傳輸急劇地走向高頻（或高速數(shù)字）化發(fā)展。目前電子產(chǎn)品的信號(hào)傳輸頻率已經(jīng)從過(guò)去的兆（MHz）、十兆、百兆為單位發(fā)展到幾個(gè)G（即千兆、GHz）、幾十GHz、幾百GHz，甚至上千GHz為單位的傳輸速度。尤其是在航天航空和國(guó)防軍事等的電子工業(yè)產(chǎn)品上，其電子通信頻率大多數(shù)為40～100 GHz之間，有的已經(jīng)超過(guò)千千兆（1000 GHz），而且還在繼續(xù)快速地提高著?？梢赃@樣說(shuō)：那個(gè)國(guó)家的電子通信頻率最高（電子通信最快），那個(gè)國(guó)家信息和國(guó)防最安全！

1.2 信號(hào)高頻化的趨膚效應(yīng)。

電子產(chǎn)品信號(hào)傳輸高頻（高速數(shù)字）化必然帶來(lái)趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）嚴(yán)重化。趨膚效應(yīng)是指信號(hào)的頻率傳輸越快，信號(hào)傳輸就越來(lái)越接近導(dǎo)體的表面進(jìn)行，趨膚效應(yīng)的結(jié)果是要求導(dǎo)體表面走向完美（無(wú)缺陷、特別是無(wú)粗糙度等）性。導(dǎo)體表面粗糙度是如何影響信號(hào)傳輸？若信號(hào)傳輸?shù)谋韺雍穸圈模ㄚ吥w深度skin depth）為1/e（36.97%），則趨膚效應(yīng)的公式：

其中δ—表層厚度；σ—導(dǎo)電率；ω—角頻率（=2πf，f為頻率）；μ—導(dǎo)磁率。很顯然，隨著信號(hào)傳輸頻率的提高，在導(dǎo)體內(nèi)信號(hào)傳輸不僅只能集中在導(dǎo)體表面層δ厚度內(nèi)進(jìn)行，而且其表面層傳輸厚度將越來(lái)越?。ㄒ?jiàn)表1）。

從表1中可看出，隨著信號(hào)傳輸高頻化（或高速數(shù)字化）的發(fā)展與進(jìn)步，信號(hào)在導(dǎo)體中的信號(hào)傳輸表面厚度越來(lái)越薄，當(dāng)信號(hào)傳輸高頻化（或高速數(shù)字化）的發(fā)展達(dá)到一定數(shù)值（100 M）以后，傳統(tǒng)的導(dǎo)體表面粗糙度便遇到了挑戰(zhàn)，因此，必須根據(jù)信號(hào)傳輸頻率和高速數(shù)字化程度來(lái)制造合適的粗糙度銅表面（如進(jìn)行特性阻抗值大小控制），才能滿足要求。

趨膚效應(yīng)的程度是與高頻化成正比的 ，越來(lái)越嚴(yán)重化（見(jiàn)表1）[1]，趨膚效應(yīng)已經(jīng)明顯影響著信號(hào)傳輸效果。值得注意的是，不僅要求覆銅箔板的銅導(dǎo)體表面的粗糙度越來(lái)越小，而且其發(fā)展方向是無(wú)粗糙度（無(wú)輪廓）的銅毛面要求。

1.3 傳統(tǒng)的銅表面粗糙度遇到挑戰(zhàn)。

由于信號(hào)傳輸高頻化的發(fā)展使其在銅表面?zhèn)鬏敽穸仍絹?lái)越薄，特別是傳輸信號(hào)≥1 G頻率時(shí)，其信號(hào)傳輸僅在2.1 μm表面層內(nèi)進(jìn)行，這已經(jīng)是在傳統(tǒng)的粗糙度內(nèi)進(jìn)行傳輸信號(hào)，由于粗糙度會(huì)給傳輸信號(hào)引起“駐波”、“反射”、“散射”等的損失而帶來(lái)信號(hào)減弱或失真。因此不僅傳統(tǒng)的覆銅板的板材無(wú)法采用（主要是毛面粗糙度，見(jiàn)表2）。而且在PCB中的“線”、“孔”的傳統(tǒng)表面粗糙度也不能采用了，這將是目前和今后對(duì)“孔”、“線”的最大的挑戰(zhàn)！

從表2中看到，即使選定V（甚低粗糙度）級(jí)的覆銅箔層壓板（特別是毛面輪廓）也不能滿足高頻（高速）化、特別是≥1 G的傳輸信號(hào)（見(jiàn)表1）的要求。因此，覆銅箔層壓板工業(yè)要與印制電路板工業(yè)要一起共同進(jìn)行創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型、發(fā)展，才能滿足信息技術(shù)、電子工業(yè)發(fā)展的要求！可喜的是，目前我國(guó)采用化學(xué)方法（加入氧化石墨烯材料）已經(jīng)得到毛面低粗糙度（輪廓）和很好的結(jié)合強(qiáng)度的覆銅箔層壓板產(chǎn)品[3]。

2 “孔”將成為PCB制造的主題

2.1 PCB的孔、線和層的發(fā)展與進(jìn)步

2.1.1 “孔”的走向。

PCB中“孔”變得越來(lái)越小、越來(lái)越密，目前導(dǎo)通孔直徑已經(jīng)小到50 μm或更小，同時(shí)以“孔”不斷取代“線”（疊孔）的連接、使“孔”的數(shù)量越來(lái)越多，甚至全部成為“孔”（或含有“盤”而無(wú)“線”）的連接結(jié)構(gòu)。如：封裝基板SUB（Substracte）結(jié)構(gòu)中，線越來(lái)越短、越來(lái)越少，而“孔”的數(shù)量越來(lái)越多。如：ALIVH（Any layer interistitial via hole的任意層互連孔結(jié)構(gòu)）、B2it（Burted bump interconnection technology埋凸塊互連技術(shù)）和FVSS（Free via stracked up structure任意疊孔）結(jié)構(gòu)等的產(chǎn)品都不再含有“線”的連接，而是僅用“孔”進(jìn)行“層”間的連接。

表1 信號(hào)傳輸頻率與趨膚效應(yīng)（趨膚深度）的關(guān)系

表2 覆銅箔層壓板的銅箔表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 “線”的走向。

PCB中“線”也變得越來(lái)越精細(xì)，而且變得越來(lái)越少、甚至變成無(wú)“線”的連接結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫^(guò)去PCB內(nèi)連接是以“線”為主體的，當(dāng)信號(hào)傳輸高頻（高速數(shù)字）化后，必須進(jìn)行特性阻抗值控制。但是，當(dāng)導(dǎo)線小到50 μm以下（特別是小到20 μm）時(shí)，不僅導(dǎo)線本身制造成功率低，而更突出的是特性阻抗值變化范圍的控制是非常困難的（如對(duì)20 μm導(dǎo)線進(jìn)行特性阻抗值5%控制時(shí)，則要求導(dǎo)線尺寸變化或誤差要在1 μm之內(nèi)，在目前的生產(chǎn)設(shè)備及其工藝技術(shù)是很難做到的）。因此，導(dǎo)線在PCB中的主導(dǎo)地位被“孔”取代了，這也是PCB中變成無(wú)“線”連接結(jié)構(gòu)走向的必然規(guī)律。

2.1.3 “層”的走向。

PCB內(nèi)的“層”是起著絕緣、傳導(dǎo)熱和特性阻抗值等的作用，因此“層”將會(huì)長(zhǎng)期存在，其厚度雖然也向越來(lái)越薄發(fā)展著，但是從絕緣、阻抗等角度來(lái)看，目前和今后的一段時(shí)間內(nèi)，其厚度應(yīng)該穩(wěn)定在30 μm～50 μm之間，而其厚度和表面的精細(xì)度控制提高了，這是特性阻抗值和絕緣而要求的結(jié)果。所以從PCB板中“孔”、“線”和“層”的 發(fā)展上分析，可以看出，在今后和未來(lái)：“孔”將成為PCB發(fā)展的主導(dǎo)方向；“層”將會(huì)長(zhǎng)期穩(wěn)定存在著；而“線”是兔子尾巴長(zhǎng)不了啦。

2.2 “孔”和孔 質(zhì)量將主導(dǎo)著PCB的發(fā)展

從電子產(chǎn)品高頻（高速數(shù)字）化的發(fā)展要求看，在目前進(jìn)行數(shù)控機(jī)械鉆孔和常規(guī)激光鉆孔的兩大類加工中，存在著不少問(wèn)題，特別是孔壁粗糙度、鉆污、熱損（燒）傷和錐形（喇叭）孔等缺陷，這些缺陷將會(huì)給高頻信號(hào)傳輸發(fā)生信號(hào)駐波、反射和散射等現(xiàn)象，當(dāng)然會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)損失而使信號(hào)減弱或失真，這些缺陷越來(lái)越不能用于高頻（特別是超高頻）化信號(hào)傳輸?shù)碾娮赢a(chǎn)品上。

2.2.1 數(shù)控機(jī)械鉆孔。

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)械鉆孔的鉆孔直徑ф≥0.1 mm，更小尺寸有困難或成本高。對(duì)于高頻化應(yīng)用場(chǎng)合，數(shù)控機(jī)械鉆孔的質(zhì)量存在兩大問(wèn)題：（1）是粗糙度大，其孔壁粗糙度都在8 μm左右（甚至更大）；（2）是熱損傷使樹(shù)脂鉆污，必須進(jìn)行去除鉆污而帶來(lái)孔壁表面改變（如粗糙度更大、表面能和不規(guī)則和缺陷等），其孔金屬化后的表面銅更為復(fù)雜多變。這些對(duì)于高頻信號(hào)傳輸（信號(hào)減弱或失真）的影響很大。因此，數(shù)控機(jī)械鉆孔既不適用微小孔（特別是ф≤0.1 mm）加工場(chǎng)合，也不適用于高頻化信號(hào)傳輸?shù)念I(lǐng)域。

2.2.2 傳統(tǒng)激光鉆孔。

傳統(tǒng)的激光鉆孔有紅外激光鉆孔（屬于紅外線區(qū)域，采用的波長(zhǎng)為12.6 μm，后轉(zhuǎn)為效率更高的9.6 μm波長(zhǎng)）和紫外激光鉆孔（屬于紫外線區(qū)域，采用的波長(zhǎng)是0.366 μm左右），由于紫外激光鉆孔加工速度慢、成本高，因此紫外激光加工主要于切割，可獲得較高精度和好的切割外觀尺寸。而紅外激光鉆孔速度快、成本低，因此真正用于激光鉆孔的是紅外激光鉆孔技術(shù)。

紅外激光鉆孔是采用紅外線的“熱效應(yīng)”來(lái)完成的，由于是采用“微秒級(jí)”時(shí)間沖擊（加工）的孔，因此“鉆孔”不僅是“燒”出來(lái)的，而且還引起“熱燒傷”，所以完成的孔是上大下小的“倒錐形”孔。同時(shí)，由于紅外線的脈沖鉆孔速度太慢（微秒級(jí)），引起嚴(yán)重的“熱”傳導(dǎo)（遞）造成孔壁“熱損傷”嚴(yán)重，不僅造成“倒錐形孔”，而且還使孔壁形成熔融物、殘?jiān)葟?fù)雜的表面，這對(duì)于孔金屬化處理和信號(hào)傳輸是很不利的。采用紫外激光鉆微孔，盡管是紫外線切割是“冷加工”的，但是由于是采用“微秒級(jí)”世界的沖擊（加工）的孔，仍然會(huì)產(chǎn)生“熱”而存在著“熱”的傳導(dǎo)（遞）造成孔壁“熱損傷”，盡管孔壁狀況稍好于紅外激光加工效果，但仍然不能達(dá)到滿意結(jié)果。

2.3 無(wú)“熱損傷”鉆孔是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量導(dǎo)通孔的根本出路

飛秒激光鉆孔是指其脈沖激光光束每次沖擊（“鉆孔”）時(shí)間是在飛秒級(jí)[（1～100）×10-15s]內(nèi)進(jìn)行“鉆孔”的，由于飛秒激光鉆孔的時(shí)間遠(yuǎn)小于“熱傳導(dǎo)”時(shí)間，因此不會(huì)引起“熱損傷”。而傳統(tǒng)的紅外激光鉆孔或紫外激光鉆孔的脈沖光束每次沖擊時(shí)間是在“微秒級(jí)[（1～100）×10-6s）]”內(nèi)進(jìn)行鉆孔的，遠(yuǎn)大于“熱傳導(dǎo)”的時(shí)間，必然導(dǎo)致嚴(yán)重的“熱損傷”等缺陷。飛秒激光加工是以“飛秒級(jí)”時(shí)間進(jìn)行加工的。1飛秒是1×10-15s，而“飛秒級(jí)”時(shí)間是指≤100飛秒（或1飛秒至100飛秒）的時(shí)間。

從目前接觸到的機(jī)械（數(shù)控）鉆孔和激光打（蝕）孔上看：機(jī)械（數(shù)控）鉆孔的時(shí)間，在12萬(wàn)轉(zhuǎn)速/分至30萬(wàn)轉(zhuǎn)速/分的鉆床上按每秒鐘加工（1～10）個(gè)（次）孔計(jì)算，則機(jī)械（數(shù)控）鉆孔的加工時(shí)間是亞秒級(jí)（0.1 s～1 s）；而CO紅外（或紫外）激光打（蝕）孔的激光脈沖是分多次（大多數(shù)是為三次）加工來(lái)完成的，每次加工時(shí)間為3微秒到9微秒之間，因此是屬于“微秒級(jí)”的加工時(shí)間，必然會(huì)引起“熱損傷”；飛秒激光加工是指激光的脈沖加工時(shí)間是處在“飛秒級(jí)”（1飛秒至100飛秒）時(shí)間進(jìn)行激光加工的，其脈沖打擊時(shí)間極短，小于“熱傳導(dǎo)”所需要的時(shí)間，因此不會(huì)引起“熱損傷”。

3 飛秒級(jí)激光加工的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

3.1 具有無(wú)熱損傷區(qū)和無(wú)熱致內(nèi)應(yīng)力的加工效果

熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力的程度是由激光加工時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定的，激光脈沖加工時(shí)間越長(zhǎng)，熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力的程度就越嚴(yán)重，反之，激光脈沖加工時(shí)間越短，熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力的程度就越小，當(dāng)激光脈沖加工時(shí)間短于熱傳導(dǎo)需要時(shí)間就不產(chǎn)生熱損傷和熱致內(nèi)應(yīng)力了！這說(shuō)明熱傳導(dǎo)時(shí)間是隨著激光脈沖加工時(shí)間減短而降低[6]。

由于飛秒激光加工的部位不會(huì)發(fā)生熱損傷區(qū)和熱致內(nèi)應(yīng)力，因而可達(dá)到極其精準(zhǔn)的位置度、精細(xì)的尺寸和精致的表面光潔度（≥▽11）或極好的表（截）面粗糙度（≤0.1 μm）。

飛秒激光加工的表（截）面粗糙度≤0.1 μm相當(dāng)于表面光潔度≥▽11。而目前很好的機(jī)械加工光潔度為0.63 μm（▽8），所以飛秒激光加工的表（截）面≤0.1 μm的粗糙度是目前其他所有加工技術(shù)無(wú)法達(dá)到的效果[6]。

3.2 飛秒激光可實(shí)現(xiàn)“精”、“準(zhǔn)”地鉆孔

采用飛秒激光鉆孔可得到無(wú)熱損傷和無(wú)熱應(yīng)力的效果，其加工的“孔”可以達(dá)到十分“完美”的結(jié)構(gòu)。

3.2.1 飛秒激光可實(shí)現(xiàn)“精”、“準(zhǔn)”地鉆孔

采用不同激光時(shí)間鉆孔的效果表明：采用連續(xù)（不間斷）的激光脈沖鉆孔的

質(zhì)量是最差的；采用納秒的激光脈沖鉆孔也不好；采用皮秒的激光脈沖鉆孔能得到勉強(qiáng)地接受；而采用飛秒的激光脈沖鉆孔是可得到相當(dāng)完美的效果，其孔尺寸、表面光潔度等是與設(shè)計(jì)一致的。

3.2.2 在飛秒激光鉆孔基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)完美的導(dǎo)通孔

由于飛秒激光鉆孔的質(zhì)量是十分理想而光潔的表面，其表面能大、活性高，因此不用進(jìn)行表面處理，可直接進(jìn)行孔金屬化而獲得完美的導(dǎo)通孔的質(zhì)量。

采用飛秒激光鉆孔進(jìn)行傳統(tǒng)的孔金屬化、石墨烯孔金屬化或氧化石墨烯孔金屬化都可獲得好的效果。而更重要的是飛秒激光加工的導(dǎo)通孔，由于孔壁粗糙度（≤0.1 μm）很低，在高頻化信號(hào)傳輸中可明顯減少信號(hào)傳輸損失和失真，特別是在疊孔結(jié)構(gòu)的封基板裝中有著極好的信號(hào)傳輸性能。

3.3 可明顯提高制造業(yè)加工質(zhì)量等級(jí)和應(yīng)用效果

由于飛秒激光脈沖加工消除了“熱損傷”和“熱致內(nèi)應(yīng)力”等的缺陷而得到精準(zhǔn)位置度和極小的表（截）面粗糙度（或極好的光潔度），使加工的產(chǎn)品極大提高了質(zhì)量等級(jí)！同時(shí)，飛秒激光幾乎可適用于制造業(yè)中所有材料進(jìn)行加工（如切割、異形加工、鉆孔、焊接等），因此飛秒激光加工對(duì)于提高制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)將會(huì)起著重要而關(guān)鍵的作用!

3.3.1 在PCB進(jìn)行異形加工、修整和切割等的應(yīng)用。

飛秒激光加工的粗糙度可達(dá)到0.1 μm，比目前各種加工的粗糙度小上百倍或更多，不會(huì)形成孔表面殘?jiān)入s物，其“精”、“準(zhǔn)”的尺寸、位置度和形狀與設(shè)計(jì)一致，是非常理想的加工效果！

3.3.2 目前在燃油噴嘴等加工應(yīng)用。

大家知道機(jī)動(dòng)車（特別是汽車等）的燃油燃燒不完全的廢氣是大氣污染主要來(lái)源之一（由于汽車多，加上燃油噴射孔精度低造成燃油燃燒效率不高，既耗油又廢氣排放多），因此節(jié)能減排的燃油噴射用的微噴射孔加工精度和尺寸完美度是提高燃油燃燒效率的關(guān)鍵。為了提高燃油的燃燒效率，其微噴射孔加工精度越來(lái)越高，甚至要求≤1 μm或更小，因?yàn)樘岣呷加托适顷P(guān)系到國(guó)家和世界環(huán)境污染大問(wèn)題！而軍用各種飛機(jī)的燃油微噴射孔的精度要求達(dá)到≤0.1 μm，則可極大提高燃油效率或航程、其重要意義將關(guān)系到飛機(jī)作戰(zhàn)的能力、甚至關(guān)系到“空戰(zhàn)”的成敗問(wèn)題！