3 μm銅箔CO2激光直接燒靶工藝研究

湯龍洲 趙偉 王繼緯

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

0 引言

近年來，5G 通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展，驅(qū)動了印制電路板（printed circuit board，PCB）制造技術(shù)朝著高密度布線化方向發(fā)展［1］。高密度互連（high density interconnector，HDI）板線路等級演變至 30 μm/30 μm，需要采用改進(jìn)型半加成工藝（modified semi-additive process，mSAP）。研究表明，對于mSAP 而言，不同厚度超薄銅箔制作的線路級別有很大的差別，3 μm 及以下的超薄銅箔才是可以應(yīng)用mSAP工藝生產(chǎn)30 μm/30 μm 等級的線路［2］。

目前某司采用3 μm 銅箔mSAP 工藝路線加工時(shí)，為保證蝕刻的銅窗與激光孔孔底焊盤的對位精度，蝕刻銅窗時(shí)高精度曝光會采用內(nèi)層凹點(diǎn)靶標(biāo)對位，因此需要將覆蓋在靶標(biāo)上的銅箔和樹脂去除?，F(xiàn)有做法是先通過圖形曝光蝕刻將覆蓋在靶標(biāo)上面的銅箔去除，再通過CO2激光將覆蓋在靶標(biāo)上面的樹脂燒蝕掉?，F(xiàn)有的開窗燒蝕靶標(biāo)的方法流程長且成本高，為縮短加工流程以提升加工效率和降低成本，開發(fā)激光直接燒靶的加工能力很有必要。

行業(yè)內(nèi)的激光光源主要有紫外激光和CO2激光2 種。其中紫外激光的能量密度高，可以直接加工銅箔，但能量不好控制，極易損傷底銅造成靶標(biāo)損壞而難以識別，且加工速度慢。CO2激光屬于紅外光，金屬銅對其吸收率很低，直接加工前需要進(jìn)行棕化處理［3-4］。但對于超薄銅的激光加工，通過調(diào)研了解到行業(yè)內(nèi)有驗(yàn)證過3 μm 銅箔采用CO2激光直接加工，但會出現(xiàn)嚴(yán)重的孔徑不均和密集孔箔皮剝落的現(xiàn)象。說明采用CO2激光直接加工3 μm 銅箔是存在可能性的。本文對此進(jìn)行相關(guān)研究。

1 機(jī)理分析

金屬銅對CO2激光吸收率很低，以至于被銅吸收的激光能量很難達(dá)到破銅需要的能量閾值。但是擊穿銅箔的能量閾值與銅箔的厚度強(qiáng)相關(guān)，對于厚度只有3 μm 的極薄銅箔，破銅需要的激光能量的閾值相對小很多。而CO2激光加工原理屬于光熱燒蝕原理［5］，在孔的密集程度達(dá)到一定條件時(shí)會出現(xiàn)明顯的積熱效應(yīng)，當(dāng)積熱效應(yīng)達(dá)到一定程度時(shí)甚至?xí)?dǎo)致銅皮的剝落。燒蝕靶標(biāo)就是需要將覆蓋在靶點(diǎn)上的銅箔和樹脂去除，利用CO2激光加工的積熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)3 μm 銅箔CO2激光直接燒靶加工是有可能實(shí)現(xiàn)的。

2 CO2激光直接燒蝕靶標(biāo)加工可能性驗(yàn)證

針對現(xiàn)有激光孔孔中心到孔中心的距離（簡稱孔中心距）為25 μm（單個靶點(diǎn)的總激光孔數(shù)13 662 個）的設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)有燒靶的激光鉆參數(shù)加工工藝，銅箔沒有被擊穿。將激光能量由原來的2.5 mJ 按每次增加0.25 mJ 至3.0 mJ，靶點(diǎn)上覆蓋的銅和樹脂有些被去除，但整體能量過大，導(dǎo)致靶點(diǎn)被破環(huán)，如圖1 所示。從初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，3 μm 銅箔CO2激光直接燒靶可行，但對燒靶的疊孔設(shè)計(jì)和激光鉆參數(shù)要進(jìn)行深入研究。

圖1 CO2激光直接燒靶初步結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

從上面的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可以得知，燒蝕靶標(biāo)的效果受疊孔設(shè)計(jì)和激光鉆加工參數(shù)的影響，以一次抓靶合格率和加工效率作為判定條件，為輸出最優(yōu)的疊孔設(shè)計(jì)和加工參數(shù)設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)板為6 層板2 階HDI 設(shè)計(jì)，拼板尺寸為 406 mm×533 mm，疊構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)板疊構(gòu)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證不同靶標(biāo)設(shè)計(jì)對曝光抓取的影響，此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了2種常用的靶標(biāo)。T面參考現(xiàn)有的靶標(biāo)設(shè)計(jì)（凹點(diǎn)）不變；B 面將原來的凹點(diǎn)改為凸點(diǎn)，凸點(diǎn)的直徑為1.5 mm，如圖3所示。

圖3 內(nèi)層靶標(biāo)設(shè)計(jì)

燒靶的疊孔設(shè)計(jì)會直接影響激光鉆燒蝕靶標(biāo)的加工參數(shù)?，F(xiàn)有的圖形蝕刻開窗+激光燒蝕靶標(biāo)的疊孔設(shè)計(jì)為：孔徑80 μm，孔中心間距25 μm。經(jīng)上文的驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)無法匹配合適的激光加工參數(shù)。保持燒靶區(qū)域的尺寸為3 mm×3 mm，此次設(shè)計(jì)疊孔的激光孔孔徑包含2 種，分別為100 μm和125 μm。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相鄰4 個激光孔相交于同一點(diǎn)，且兩孔中心與相交點(diǎn)的連線長度剛好等于激光孔的直徑時(shí)，激光孔正好可以100%覆蓋燒靶區(qū)域，如圖4所示。

圖4 最小孔中心距示意

最終疊孔設(shè)計(jì)方案見表1，激光孔疊孔設(shè)計(jì)如圖5 所示。其中，激光孔徑125 μm、孔中心間距100 μm的設(shè)計(jì)方案用于對比驗(yàn)證。

表1 燒靶激光孔疊孔設(shè)計(jì)

圖5 激光孔疊孔設(shè)計(jì)

4 CO2激光加工參數(shù)抓取邏輯

此次實(shí)驗(yàn)使用的激光鉆機(jī)是三菱的六代機(jī)，配備的是標(biāo)準(zhǔn)的Fθ鏡。該設(shè)備直徑1.8 mm的光圈對應(yīng)的光斑直徑約100 μm，2.2 mm 的光圈對應(yīng)的光斑直徑約125 μm。針對實(shí)驗(yàn)方案1和方案2中孔徑100 μm 的激光加工參數(shù)選用1.8 mm 的光圈，實(shí)驗(yàn)方案3和方案4中孔徑125 μm的激光加工參數(shù)選用2.2 mm 的光圈。根據(jù)相同光圈相同能量條件下，孔徑隨著脈寬的增加呈先增大后減小再趨于穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)脈寬為9 μs時(shí)，孔徑達(dá)到最大。雖然通過孔間距設(shè)計(jì)保證了燒靶區(qū)域100%被激光孔覆蓋，但在實(shí)際加工中為了更好地確保效果，盡可能做到孔徑最大，因此第一槍的破銅脈寬選擇9 μs。光圈和破銅的脈寬都確定后，只需通過調(diào)整單脈沖的激光能量來優(yōu)化激光加工效果。mSAP的產(chǎn)品介厚一般不會超過45 μm，為防止加工過程傷到底銅，造成靶點(diǎn)損傷，修孔的發(fā)數(shù)可以在1～2 發(fā)范圍內(nèi)微調(diào)，修孔的脈寬在2～3 μs范圍內(nèi)微調(diào)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上的參數(shù)抓取邏輯，在方案1 設(shè)計(jì)條件下測試激光加工參數(shù)結(jié)果見表2。在孔徑 100 μm、孔間距50 μm 的疊孔設(shè)計(jì)條件下，當(dāng)激光的能量達(dá)到1.32E0時(shí)，靶點(diǎn)上的銅箔和樹脂已基本燒蝕干凈，如圖6（a）所示。為確保激光加工效果的穩(wěn)定性，在方案3 的基礎(chǔ)上將激光的能量增加5%，靶點(diǎn)加工效果良好。在方案4 的基礎(chǔ)上將能量再增加10%，參數(shù)過重導(dǎo)致靶點(diǎn)損傷。綜上所述，方案4 激光鉆參數(shù)加工效果最優(yōu)，如圖6（b）所示。

表2 不同疊孔設(shè)計(jì)CO2激光靶點(diǎn)測試結(jié)果

圖6 100、50 μm孔間距疊孔設(shè)計(jì)的激光加工結(jié)果

依照上述的加工參數(shù)抓取邏輯和方法，分別輸出了其他激光孔疊孔設(shè)計(jì)方案的加工參數(shù)，匯總測試結(jié)果見表2。

從測試結(jié)果來看，疊孔設(shè)計(jì)方案1、2、3 都可以滿足要求，方案4 經(jīng)過去鉆污后仍存在樹脂殘留的情況，在高精度曝光時(shí)出現(xiàn)拒曝的現(xiàn)象，不滿足要求。實(shí)驗(yàn)中有2 種靶點(diǎn)設(shè)計(jì)，一種是 2.0 mm 的負(fù)性焊盤，一種是直徑1.5 mm 的凸點(diǎn)。2種靶點(diǎn)在經(jīng)過去鉆污后都可以正常被高精度曝光機(jī)抓取，2種靶點(diǎn)設(shè)計(jì)都滿足需求，可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的靶點(diǎn)。

結(jié)合激光加工效率考慮，第3 種激光孔徑 125 μm、孔間距75 μm的疊孔設(shè)計(jì)方案最優(yōu)。

針對疊孔設(shè)計(jì)方案3 和對應(yīng)的激光加工參數(shù)進(jìn)行小批量重復(fù)性驗(yàn)證測試，經(jīng)過101 層（對應(yīng)L2～L3 和L5～L4 層）和000 層（對 應(yīng)L1～L2 和L6～L5）2 次燒靶驗(yàn)證，高精度曝光一次抓取合格率100%。采用CO2激光直接燒靶加工和之前的圖形開窗+激光鉆孔燒靶的加工效果比對，CO2激光直接燒靶加工的效果明顯優(yōu)于原燒靶流程的加工效果。

6 結(jié)論

利用CO2激光加工的積熱效應(yīng)，通過對燒蝕靶標(biāo)激光疊孔設(shè)計(jì)和激光鉆參數(shù)的研究，可得出以下結(jié)論。

（1）3 μm 銅箔CO2激光直接燒靶加工可行，在保障靶點(diǎn)品質(zhì)更優(yōu)的情況下，縮短了加工流程和降低了成本，同時(shí)大幅提升了激光鉆加工的效率。

（2）輸出了最佳激光疊孔設(shè)計(jì)方案：孔徑125 μm，孔間距75 μm，激光加 工的能 量 6.8 mJ最合適。

（3）包含2.0 mm 的凹點(diǎn)和1.5 mm 的凸點(diǎn)的 2種靶標(biāo)設(shè)計(jì)均可滿足高精度曝光抓靶的需求，可以結(jié)合產(chǎn)品板選擇合適的靶點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。