激光鉆孔技術(shù)介紹

　　雷射成孔的商用機(jī)器，市場(chǎng)上大體可分為：紫外線的Nd：YAG雷射機(jī)（主要供應(yīng)者為美商ESI公司）；紅外線的CO2雷射機(jī)（先為L(zhǎng)umonics，現(xiàn)有日立、三菱、住友等）；以及兼具UV/IR之變頭機(jī)種（如Eecellon之2002型）等三類(lèi)。前者對(duì)3mil以下的微孔很有利，但成孔速度卻較慢。次者對(duì)4~8mil的微盲孔制作方便，量產(chǎn)速度約為YAG機(jī)的十倍，后者是先用YAG頭燒掉全數(shù)孔位的銅皮，再用CO2頭燒掉基材而成孔。若就行動(dòng)電話的機(jī)手機(jī)板而言，CO2雷射對(duì)欲燒制4~6mil的微盲孔為適合，癥均量產(chǎn)每分鐘單面可燒出6000孔左右。至於速度較的YAG雷射機(jī)，因UV光束之能量強(qiáng)且又集中故可直接打穿銅箔，在無(wú)需“開(kāi)銅窗”（Conformal Mask）之下，能同時(shí)燒掉銅箔與基材而成孔，一般常用在各式“對(duì)裝載板”（Package Substrste）4mil以下的微孔，若用於手機(jī)板的4~6mil微孔似乎就不太經(jīng)濟(jì)了。以下即就雷射成孔做進(jìn)一進(jìn)步的介紹與討論。
 

　　一、雷射成孔的原理

　　雷射光是當(dāng)：“射線”受到外來(lái)的刺激，而增大能量下所激發(fā)的一種強(qiáng)力光束，其中紅外光或可見(jiàn)光者擁有熱能，紫外光則另具有化學(xué)能。射到工作物表面時(shí)會(huì)發(fā)生反射（Refliction）吸收（Absorption）及穿透（Transmission）等三種現(xiàn)象，其中只有被吸收者才會(huì)發(fā)生作用。而其對(duì)板材所產(chǎn)生的作用又分為熱與光化兩種不同的反應(yīng)，現(xiàn)分述於下：

　　1、光熱燒蝕Photothermal Ablation

　　是指某雷射光束在其紅外光與可見(jiàn)光中所夾幫的熱能，被板材吸收后出現(xiàn)熔融、氣化與氣漿等分解物，而將之去除成孔的原理，稱(chēng)為“光熱燒蝕”。此燒蝕的副作用是在孔壁上的有被燒黑的炭化殘?jiān)ㄉ踔量拙夈~箔上也會(huì)出現(xiàn)一圈高熟造成的黑氧化銅屑），需經(jīng)后制程Desmear清除，才可完成牢固的盲孔銅壁。

　　2、 光化裂蝕Photochemical Ablation

　　是指紫外領(lǐng)域所具有的高光子能量（Photon Energy），可將長(zhǎng)鍵狀高分子有機(jī)物的化學(xué)鍵（Chemical Bond）予以打斷，於是在眾多碎粒造成體積增大與外力抽吸之下，使板材被快速移除而成孔。本反應(yīng)是不含熟燒的“冷作”（Cold Process），故孔壁上不至產(chǎn)生炭化殘?jiān)?/p>

　　3、 板材吸光度

　　由上可知雷射成孔效率的高低，與板材的吸光率有直接關(guān)系。電路板板材中銅皮、?？棽寂c樹(shù)脂三者的吸收度，民因波長(zhǎng)而有所不同。前二者在UV 0.3mu以下區(qū)域的吸收率頗高，但進(jìn)入可見(jiàn)光與IR后即大幅滑落。至於有機(jī)樹(shù)脂則在三段光譜中，都能維持於相當(dāng)不錯(cuò)的高吸收率。

　　4 、脈沖能量

　　實(shí)用的雷射成孔技術(shù)，是利用斷續(xù)式（Q-switch）光束而進(jìn)行的加工，讓每一段光敕 （以微秒us計(jì)量）以其式（Pulse）能量打擊板材，此等每個(gè)Pulse（可俗稱(chēng)為一槍?zhuān)┧鶕碛械哪芰?，又有多種模式（Mode），如單光束所成光點(diǎn)的GEMOO單束光點(diǎn)的能量較易聚焦集中故多用於鉆孔。多束光點(diǎn)不但還需均勻化且又不易集中成為小光點(diǎn)，一般常用於雷射直接成像技術(shù)（LDI）或密貼光罩（Contact Mask）等制程。

　　5、精確定位系統(tǒng)

　　a、小管區(qū)式定位

　　以“日立微孔機(jī)械”公司（Hitachi via Machine，近由“日立精工”而改名）之RF/CO2鉆孔機(jī)為例，其定位法是采“電流計(jì)式反射鏡”（Galvanometer and Mirro）本身的X.Y.定位，加上機(jī)種臺(tái)之XY臺(tái)面（XY Table）定位等兩種系統(tǒng)合作而成。后者是將大板面劃分成許多小“管區(qū)”（大為50mm見(jiàn)方，一般為精確起見(jiàn)多采用30mm見(jiàn)方），工作中可XY移動(dòng)臺(tái)面以交換管區(qū)。前者是在單一管區(qū)內(nèi)，以兩具Galvanometer的XY微動(dòng)，將光點(diǎn)打到板面上所欲對(duì)準(zhǔn)的靶位而成孔。當(dāng)管區(qū)內(nèi)的微孔全部鉆妥后，即快速移往下一個(gè)管區(qū)再繼續(xù)鉆孔。

　　所謂的Galvanometer是一種可精確微動(dòng)±20°以下的鐵制品，磁鐵或線圈式所組合的直流馬達(dá)，再裝配上鏡面即可做小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)反射，而將雷射光束加以快速（2~4ms）折射而定位。但此種系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn)，如：①所打在板面上的光束不一定都很垂直，多少會(huì)呈現(xiàn)一些斜角，因此還需再加一種“遠(yuǎn)心透鏡”（Telecentric Lense）來(lái)改正斜光，使盡可能的垂直於孔位；②電流計(jì)式反射鏡系統(tǒng)所能涵蓋的區(qū)域不大，多只能管到50mm*50mm，故還須靠XY Table來(lái)移換管區(qū)。其管區(qū)越小當(dāng)然定位就越精準(zhǔn)，但相對(duì)的也就犧牲了量產(chǎn)的時(shí)間；③大板面上管區(qū)的交接無(wú)法達(dá)到完全的天衣無(wú)縫，免不了會(huì)出現(xiàn)間隙或重疊等“接壞錯(cuò)誤”（Abutment Errors），對(duì)高密度布孔的板子可能會(huì)發(fā)生漏鉆孔或位失準(zhǔn)等故障。此時(shí)可加裝自動(dòng)校正系統(tǒng)以改善管區(qū)的更換，或按布孔的密度而機(jī)動(dòng)自行調(diào)整管區(qū)的大小與外形。

　　b、全板面定位

　　除了上述的“Galvo XY”與“小管區(qū)移換”式的定位外，還可將Galvo XY之鏡面另裝在一組“線性馬達(dá)（Liner Motor）上，令其中做全板面的X向移動(dòng)。別將臺(tái)面加裝線性馬達(dá)而只做Y移動(dòng)，如此將可免除接壞錯(cuò)誤。此法與傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔機(jī)的鉆軸X左右移動(dòng)，加上臺(tái)面Y前后動(dòng)的定位方式相同。此法可用於UV/YAG光束能較強(qiáng)者之定位，對(duì)線外線CO2光束能較弱者，則因其路徑太長(zhǎng)能量不易集中而反倒不宜。

　　二、二氧化碳CO2雷射成孔的不同制程

　　1、 開(kāi)銅窗法Conformal Mask

　　是在內(nèi)層Core板上先壓RCC然后開(kāi)銅窗，再以雷射光燒除窗內(nèi)的基材即可完成微盲孔。詳情是先做FR-4的內(nèi)層核心板，使其兩面具有已黑化的線路與底墊（Target Pad），然后再各壓貼一張“背膠銅箔”（RCC）。此種RCC（Resin Coated Copper Foil）中之銅箔為0.5 OZ，膠層厚約80~100um（3~4mil）?？扇龀葿-stage，也可分別做成B-stage與C-stage等兩層。后者於壓貼時(shí)其底墊上（Garget Pad）的介質(zhì)層厚度較易控制，但成本卻較貴。然后利用CO2雷射光，根據(jù)蝕銅底片的座標(biāo)程式去燒掉窗內(nèi)的要樹(shù)脂，即可挖空到底墊而成微盲孔。此法原為“日立制作所”的專(zhuān)利，一般業(yè)者若要出貨到日本市場(chǎng)時(shí)，可能要小心法律問(wèn)題。

　　2、開(kāi)大銅窗法Large Conformal mask

　　上述之成孔孔徑與銅窗口徑相同，故一旦窗口位置有所偏差時(shí)，即將帶領(lǐng)盲孔走位而對(duì)底墊造成失準(zhǔn)（Misregistration）的問(wèn)題。此等銅窗的偏差可能來(lái)自板材漲縮與影像轉(zhuǎn)移之底片問(wèn)題，大板面上不太容易徹底解決。

　　所謂“開(kāi)大窗法”是將口徑擴(kuò)大到比底墊還大約2mil左右。一般若孔徑為6mil時(shí)，底墊應(yīng)在10miL左右，其大窗口可開(kāi)到12mil。然后將內(nèi)層板底墊的座標(biāo)資料交給雷射使用，即可燒出位置精確對(duì)準(zhǔn)底墊的微盲孔。也就是在大窗口備有余地下，讓孔位獲得較多的彈性空間。於是雷射光是得以另按內(nèi)層底墊的程式去成孔，而不必完全追隨窗位去燒制明知已走位的孔。

　　3、樹(shù)脂表面直接成孔法

　　本法又可細(xì)分為幾種不同的途徑，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：

　　a、按前述RCC+Core的做法進(jìn)行，但卻不開(kāi)銅窗而將全部銅箔咬光，若就制程本身而言此法反倒便宜。之后可用CO2雷射在裸露的樹(shù)脂表面直接燒孔，再做PTH與化銅電銅以完孔與成線。由於樹(shù)脂上已有銅箔積而所踩出的眾多微坑，故其后續(xù)成墊成線之銅層抗撕強(qiáng)度（Peel Strength），應(yīng)該比感光成孔（Photo Via）板類(lèi)靠高錳酸鉀對(duì)樹(shù)脂的粗化要好得很多。但此種犧牲銅皮而粗麻樹(shù)脂表面的做法，仍不知真正銅箔來(lái)得更為抓地牢靠．

　　本法優(yōu)點(diǎn)雖可避開(kāi)影像轉(zhuǎn)移的成本與工程問(wèn)題，但卻必須在高錳酸鉀“除膠渣”方面解決更多的難題，大的危機(jī)仍是在焊墊附著可靠度的不足。

　　b 、其他尚有采用：① FR-4膠片與銅箔代替RCC的類(lèi)似做法；②感光樹(shù)脂涂布后壓著犧牲性銅箔的做法；③干膜介質(zhì)層與犧牲性銅箔的壓貼法；④其他濕膜樹(shù)脂涂布與犧牲性銅箔法等，皆可全部蝕銅得到坑面后再直接燒孔。

　　c 、超薄銅皮直接燒穿法

　　內(nèi)層核心板兩面壓貼背膠銅箔后，可采“半蝕法”（Half Etching）將其原來(lái)0.5OZ（17um）的銅皮咬薄到只剩5um左右，然后再去做黑氧化層與直接成孔。

　　因在黑面強(qiáng)烈吸光與超薄銅層，以及提高CO2雷射的光束能量下，將可如YAG雷射般直接穿銅與基材而成孔，不過(guò)要做到良好的“半蝕”并不容易。於是已有銅箔業(yè)者在此可觀的商機(jī)下，提供特殊的“背銅式超薄銅皮”（如日本三井之可撕性UTC）。其做法是將UTC棱面壓貼在核心板外的兩面膠層上，再撕掉厚支持用的“背銅層‘，即可得到具有超薄銅皮（UTC）的HDI半成品。隨即在續(xù)做黑化的銅面上完成雷射盲孔，并還可洗耳恭聽(tīng)掉黑化層進(jìn)行PTH化銅與電銅。此法不但可直接完成微孔，而且在細(xì)線制作方面，也因基銅之超薄而大幅提升其良率，當(dāng)然這種背銅式可撕性的UTC，其價(jià)格一定不會(huì)便宜。