采用短脈沖激光進(jìn)行微盲孔加工研究

樊仁君 顏國(guó)秋

（上海美維電子有限公司，上海 201613）

0 前言

長(zhǎng)脈沖的微秒激光器，例如：常用的CO2激光鉆機(jī)在鉆盲孔時(shí)具有明顯的熱效應(yīng)，導(dǎo)致了銅表面的濺射、玻纖突出及膠渣殘留等問(wèn)題[1]。同時(shí)，由于銅和玻璃纖維對(duì)長(zhǎng)脈沖微秒激光的吸收率比樹脂低，所以影響激光孔品質(zhì)的懸銅（Overhang）和玻璃纖維突出在激光鉆孔后比較明顯。因此，在長(zhǎng)脈沖微秒激光鉆孔前后不可避免地需要一些生產(chǎn)流程進(jìn)行處理，如：表面棕化、去棕膜、去環(huán)氧鉆污等。然而，短脈沖激光（如納秒、皮秒和飛秒激光）具有比長(zhǎng)脈沖微秒激光更高更集中的能量[2]。采用短脈沖方式加工，激光能量能快速地注入加工區(qū)域，瞬間高能量密度改變物質(zhì)的分子及其電子結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于脈沖持續(xù)時(shí)間極短，激光能量將只作用在自由電子上，并在自由電子與晶格達(dá)到熱平衡前產(chǎn)生庫(kù)侖力，導(dǎo)致庫(kù)侖爆炸，從而汽化或等離子化材料，在不產(chǎn)生熱效應(yīng)之前完成對(duì)材料的加工[3]。

由圖1所示，短脈沖激光可以減少了對(duì)材料的熱影響損傷，此外它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以與多種材料兼容，包括高頻高速材料，特殊聚合材料、玻璃、藍(lán)寶石、陶瓷等，這些材料線性光吸收率低，因此比較難用現(xiàn)有大批量使用中的CO2激光鉆機(jī)來(lái)加工。

圖1 長(zhǎng)短脈沖激光加工示意圖

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本文研究的主要目的是觀察短脈沖激光鉆機(jī)與長(zhǎng)脈沖激光鉆機(jī)在鉆50 μm孔徑微盲孔時(shí)的鉆孔質(zhì)量，著重比較不同脈沖寬度的激光器在完成激光鉆孔后的懸銅及玻纖突出的品質(zhì)效果。探索短脈沖激光鉆機(jī)是否有前景應(yīng)用于印制電路板制造工業(yè)中的微盲孔加工，以期提高印制電路板的微盲孔品質(zhì)，提高加工能力，優(yōu)化生產(chǎn)流程。

2 短脈沖激光實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)備

目前，短脈沖激光技術(shù)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，經(jīng)過(guò)了解目前處于領(lǐng)先的設(shè)備制造公司主要有德國(guó)Schmoll，以色列Orbotech，美國(guó)ESI等，見表1所示，本次實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)試板設(shè)計(jì)疊構(gòu)及材料、厚度組成如圖2所示。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的項(xiàng)目，采用檢查方法和標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表1 四種激光設(shè)備的脈寬和光源

表2 測(cè)試和評(píng)價(jià)項(xiàng)目

圖2 測(cè)試板疊構(gòu)設(shè)計(jì)

3 微盲孔激光鉆孔測(cè)試

3.1 ESI nVaint機(jī)型和Gemstone機(jī)型激光鉆孔對(duì)比

如上所述，為測(cè)試所準(zhǔn)備的PCB面銅厚為7 μm。本次試驗(yàn)時(shí)激光鉆孔孔徑50 μm，且激光鉆孔前不安排做傳統(tǒng)的表面棕化處理。激光鉆孔后使用掃描電子顯微鏡拍攝的微盲孔形態(tài)俯視圖及切片圖如圖3所示。

圖3 nVaint機(jī)型激光鉆孔圖

經(jīng)過(guò)對(duì)切片數(shù)據(jù)的測(cè)量，nViant機(jī)型激光孔的銅開窗，上下孔徑、懸銅量、玻纖突出等相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 nViant機(jī)型激光孔形數(shù)據(jù)（單位：μm）

表4 Gemstone機(jī)型激光孔形數(shù)據(jù)（單位：μm）

經(jīng)過(guò)對(duì)切片數(shù)據(jù)的測(cè)量，Gemstone機(jī)型激光孔的銅開窗，上下孔徑、懸銅量、玻纖突出等相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

通過(guò)以上圖片及切片數(shù)據(jù)分析可以看出，使用微秒紅外的nViant機(jī)型鉆孔后表面有明顯的銅濺出。使用納秒紫外&微秒紅外激光的Gemstone機(jī)型鉆孔后表面也有明顯的銅濺出，但通過(guò)俯視圖對(duì)比其相對(duì)nViant機(jī)型稍微好一些。兩種機(jī)型的激光鉆機(jī)鉆孔后的玻纖突出不能完全達(dá)到≤10 μm的要求，只有懸銅量可以達(dá)到≤10 μm的要求。

使用納秒紫外&微秒紅外激光的Gemstone機(jī)型的懸銅量平均值是5.3 μm，最大值是9.0 μm，玻纖突出平均值是7.1 μm，最大值是10.5 μm；使用微秒紅外激光的nViant機(jī)型的懸銅量平均值是6.5 μm，最大值是9.5 μm，玻纖突出平均值是8.2 μm，最大值是11.1 μm。僅從懸銅量及玻纖突出的平均值及最大值對(duì)比來(lái)看，納秒紫外&微秒紅外的激光器鉆孔質(zhì)量要稍好于微秒紅外激光器的鉆孔質(zhì)量。

圖4 Gemstone機(jī)型激光鉆孔圖

3.2 Orbotech Emerald機(jī)型激光鉆孔

同樣測(cè)試線路板面銅厚7 μm，激光鉆孔孔徑50 μm，激光鉆孔前不做傳統(tǒng)的表面棕化處理，激光鉆孔后使用掃描電子顯微鏡拍攝的微盲孔形態(tài)俯視圖及切片圖如圖5所示。

圖5 Emerald機(jī)型激光鉆孔圖

經(jīng)過(guò)對(duì)切片測(cè)量，Emerald機(jī)型激光鉆孔的銅開窗、上下孔徑、懸銅量、玻纖突出等相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 Emerald機(jī)型激光孔形數(shù)據(jù)（單位：μm）

從以上圖片及切片數(shù)據(jù)分析可以看出，Emerald納秒紫外激光鉆機(jī)所鉆出的激光微盲孔也存在較明顯的銅濺射，玻纖突出也不能完全滿足≤10 μm的要求，但懸銅量在≤10 μm的要求范圍之內(nèi)。

使用納秒紫外激光Emerald機(jī)型的懸銅量平均值是3.1 μm，最大值是6.9 μm，玻纖突出平均值是9.3 μm，最大值是14.7 μm。使用納秒紫外&微秒紅外激光Gemstone機(jī)型的懸銅量平均值是5.3 μm，最大值是9.0 μm，玻纖突出平均值是7.1 μm，最大值是10.5 μm。所以從懸銅量的平均值及最大值對(duì)比來(lái)看，納秒紫外的激光器鉆孔質(zhì)量要好于納秒紫外&微秒紅外激光激光器的鉆孔質(zhì)量。但從玻纖突出的平均值及最大值對(duì)比來(lái)看，納秒紫外&微秒紅外的激光器鉆孔質(zhì)量要好于納秒紫外激光器的鉆孔質(zhì)量。

3.3 Schmoll Coherent Lumera機(jī)型激光鉆孔

測(cè)試線路板面銅銅厚依舊是7 μm，激光鉆孔孔徑50 μm，激光鉆孔前不做傳統(tǒng)的表面棕化處理，激光鉆孔后使用掃描電子顯微鏡拍攝的微盲孔形態(tài)俯視圖及切片圖片如圖6所示。

圖6 Coherent Lumera機(jī)型激光鉆孔圖

經(jīng)過(guò)切片測(cè)量激光孔的銅開窗，上下孔徑、懸銅量及玻纖突出等相關(guān)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 Coherent Lumera機(jī)型激光孔形數(shù)據(jù)（單位：μm）

從以上圖片及切片數(shù)據(jù)分析可以看出，皮秒綠激光鉆機(jī)所鉆出的激光微盲孔具有相當(dāng)高的品質(zhì)。

（1）銅表面幾乎沒(méi)有銅濺射；

（2）激光孔孔徑在±5 μm的偏差范圍內(nèi)；

（3）懸銅量及玻纖突出均在≤10 μm的偏差范圍之內(nèi)；

（4）孔的錐度也比較適合后制程的電鍍。

4 不同激光器微盲孔鉆孔質(zhì)量對(duì)比

4.1 懸銅量對(duì)比

4.1.1 正態(tài)檢驗(yàn)

四種激光器鉆孔產(chǎn)生懸銅量的正態(tài)檢驗(yàn)如圖7所示。經(jīng)過(guò)正態(tài)檢驗(yàn)四種激光器的懸銅量的P-Value分別為：微秒紅外激光 0.0347；納秒紫外&微秒紅外激光0.088；納秒紫外激光＜0.005；皮秒綠激光＜0.005。納秒紫外激光及皮秒綠激光所鉆激光孔的懸銅量不服從正太分布，因此選用非參數(shù)分布Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，此檢驗(yàn)不假設(shè)樣本來(lái)自正態(tài)分布。

圖7 四種激光器懸銅量的正態(tài)檢驗(yàn)圖

4.1.2 非參數(shù)分布Kruskal-Wallis檢驗(yàn)

從表7Kruskal-Wallis檢驗(yàn)結(jié)果顯示P=0.000，P＜0.005拒絕原假設(shè)，說(shuō)明四種激光器所鉆的激光鉆孔的懸銅量有顯著差異。

表7 Kruskal-Wallis Test on 懸銅量

4.1.3 箱線圖及單值圖分析

通過(guò)圖8懸銅量的箱線圖及單值圖分析，皮秒綠激光鉆出的微盲孔懸銅的品質(zhì)在四種激光器中表現(xiàn)最好，依次為納秒紫外激光器，納秒紫外&微妙紅外激光器及微妙紅外激光器。

圖8 懸銅量的箱線圖和單值圖

4.2 玻纖突出對(duì)比

4.2.1 正態(tài)檢驗(yàn)

四種激光器鉆孔產(chǎn)生玻纖突出的正態(tài)檢驗(yàn)如圖9所示。經(jīng)過(guò)正態(tài)檢驗(yàn)四種激光器的玻纖突出的P-Value分別為：微秒紅外激光0.503；納秒紫外&微秒紅外激光0.222；納秒紫外激光0.511；皮秒綠激光＜0.005。皮秒綠激光所鉆激光孔的玻纖突出不服從正太分布，因此選用非參數(shù)分布Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，此檢驗(yàn)不假設(shè)樣本來(lái)自正態(tài)分布。

圖9 四種激光器的玻纖突出正態(tài)檢驗(yàn)圖

4.2.2 非參數(shù)分布Kruskal-Wallis檢驗(yàn)

從表8的Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)結(jié)果顯示P=0.000，P＜0.005拒絕原假設(shè)，說(shuō)明四種激光器所鉆的激光鉆孔的玻纖突出有顯著差異。

4.2.3 箱線圖及單值圖分析

通過(guò)圖10玻纖突出的箱線圖及單值圖分析，皮秒綠激光鉆出的微盲孔玻纖突出的品質(zhì)在四種激光器中表現(xiàn)最好，納秒紫外&微秒紅激光次之，微秒紅外激光第三，納秒紫外激光最差。

圖10 玻纖突出的箱線圖和單值圖

5 總結(jié)及展望

根據(jù)我們目前了解到的信息，短脈沖寬度激光器（如皮秒激光器）暫沒(méi)有批量用于PCB生產(chǎn)，但在先進(jìn)高端的PCB（如panel級(jí)埋芯片）已在開始嘗試使用，主要目的是用于空腔切割、更小盲孔50 μm以下以及精度公差50 μm以內(nèi)且Cpk1.33以上的產(chǎn)品。目前，常用的微盲孔加工主要還是采用微秒脈寬紅外激光器，即CO2激光鉆機(jī)或者少量企業(yè)開始嘗試采用納秒脈寬的紫外激光器進(jìn)行微盲孔的加工。CO2激光鉆機(jī)加工受限于激光器的能力，常規(guī)孔徑能力±10%，懸銅量和玻纖突出能力≤15 μm，同時(shí)激光鉆孔前后還要增加輔助的處理制程，這已阻礙了PCB朝更高密度、更高精度的發(fā)展。同時(shí)，一些新工藝、新設(shè)計(jì)對(duì)微盲孔的懸銅量和玻纖突出控制提出了更高的要求，CO2激光鉆機(jī)已不能完全滿足此類產(chǎn)品。因此，引領(lǐng)下一代微盲孔加工技術(shù)非常重要，通過(guò)以上的測(cè)試結(jié)果顯示短脈沖激光器或許是一個(gè)可能的解決方案。

基于以上四種類型激光鉆孔機(jī)的測(cè)試結(jié)果，從總體來(lái)看納秒紫外激光比傳統(tǒng)的CO2激光效果稍好，而皮秒綠激光的鉆孔效果表現(xiàn)最突出。依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)常規(guī)激光鉆孔生產(chǎn)工藝流程：層壓—后處理—減薄銅—表面棕化—激光鉆孔—去棕化膜—去毛刺—去膠渣—電鍍，皮秒激光完全可以直接鉆銅箔。因此與激光鉆孔工藝相關(guān)的傳統(tǒng)前后處理制程，表面棕化和去棕化膜制程可以被取消。由此可見，使用短脈沖激光鉆孔進(jìn)行下一代微盲孔鉆孔的加工值得大家關(guān)注。但短脈沖激光鉆孔機(jī)價(jià)格貴、功率低，功率直接影響產(chǎn)能。然而，經(jīng)過(guò)近年的發(fā)展其產(chǎn)能已有一定提升。因此，如果應(yīng)用在50 μm或更小激光微盲孔加工，其優(yōu)勢(shì)應(yīng)該還是比較明顯。