PCB與基板的UV激光加工新工藝

???? 引 言 目前，UV激光鉆孔設備只占全球市場的15%，但該類設備市場需求的增長要比新型的CO2激光鉆孔設備的需求高3倍?？椎闹睆缴踔列∮?0μｍ，1~2的多層導通孔和較小的通孔也是當前競爭的焦點，UV激光為當前的競爭提出了解決方案；除此之外，它還是一種用于精確地剝離阻焊膜以及生成精密的電路圖形的工具。本文概述了目前UV激光鉆孔和繪圖系統(tǒng)的特性和柔性。還給出了各種材料的不同類型導通孔的質量和產量結果以及在各種蝕刻阻膜上的繪圖結果。本文通過展望今后的發(fā)展，討論了UV激光的局限性。 本文還對UV激光工具和CO2激光工具進行了比較，闡明了二者在哪些方面是可以競爭的，在哪些方面是不可競爭的，以及在哪些方面二者可以綜合應用作為互補的工具。 UV與CO2的對比 UV激光工具不僅與CO2的波長不同，而且各自在加工材料，如象PCB和基板，也是兩種不同的工具。光點尺寸小于10倍，較短的脈沖寬度和極高頻使得在一般的鉆孔應用中不得不使用不同的操作方法，并且為不同的應用開辟了其它的窗口。 表1給出了目前激光系統(tǒng)中通常采用的兩種激光裝置的最主要技術特性的比較。 UV在極小的脈沖寬度內具有高頻和極大的峰值功率。工作面上光點尺寸決定了能量密度。CO2能量密度達到50~70J/cm2，而UV激光由于光點尺寸小得多，所以能量密度可達50~200J/cm2。 由于UV光點尺寸比目標孔直徑還要小，激光光束以一種所謂的套孔方式聚焦于孔的目標直徑內。圖1給出了套孔方式。 對于UV激光，鉆一個完整的孔所需的脈沖數(shù)在30到120之間，而CO2激光則只需2到10個脈沖。UV激光的頻率要比CO2的高5到15倍。在去除了頂部銅層后，可使用第二步，通過擴大的光點清理孔中的灰色區(qū)域。 當然還可使用UV激光進行沖壓，不過光點的大小決定了能量密度，且不同材料的燒蝕極限值決定了所需的最小能量密度。這樣根據(jù)不同材料的燒蝕極限就可導出UV沖壓方式使用和最大光點尺寸。 由于UV激光所具有的能量，目前僅將沖壓方式用于孔直徑小于75im、燒蝕極限極低的軟材料如TCD，或用于小焊盤開口的阻焊膜燒蝕。

??????通過套孔方式將必要的能量帶進孔內的時間在很大程度上取決于孔自身尺寸，孔直徑越小，UV激光工具就鉆的越快。CO2與UV激光之間的切換點為75到50im的孔直徑之間。 CO2激光的三種局限性： 第一：由于10im光波在孔邊緣的繞射，需要考慮最小的孔尺寸。第二：在銅上該波長的反射。第三：厚度達波長1/2的底層銅上的殘留物。波長短得多的且在銅上有較高吸收率的UV激光就不存在上述三種局限性，因此，UV激光就成為一種理想的工具，它可用來在涂覆了任意一種銅材料的高檔PCB和基板即高密度互連技術（HDI）上鉆小孔。 HDI一 瞥 HDI的要求是：成孔直徑在75im~30im的范圍內；線及其間距為2mil/mil~1 mil/1mil；焊盤在250im~200im；并且阻焊膜開口的精度要達到15到10im。新設計不僅要求盲孔為1層~2層，而且要求多層導通孔和通孔。還要求孔的外形能夠實現(xiàn)采用鍍覆的方法，并支持導通孔的填充。據(jù)預測，市場的發(fā)展要求在2到3年內不只要降低倒芯片基板的價值，還要降低批量生產的價值。 UV激光的鉆孔方法 CO2激光只有兩種主要的運行功能：在電場之間的工作臺步進運行功能和電場范圍內孔之間的電運行功能。峰值功率會降低，可在1到100ns之間選擇脈沖寬度，頻率范圍在1到4kHz之間。對于不同的材料，只有這三個參數(shù)和脈沖/孔的數(shù)量可用來描述鉆孔工具。

???? 首先，UV激光多了一種運行功能即第三種功能--成型孔徑內的電微聚焦。這種套孔充許根據(jù)孔徑對內部和外部形狀（同心圓=形狀）進行調整。形狀的重復適應于材料厚度，聚集內外光點的大小確定了能量密度以適應材料的燒蝕極限。由激光頻率和電循環(huán)速度形成的脈沖順序重疊確定了各形狀的能量。 就UV激光特性而言，激光頻率、脈沖寬度和平均最大功率相互之間關系相當密切。黃色區(qū)域表明有直接的關系，紅色區(qū)域則有相反的關系。 要在一序列不同的材料上鉆孔，UV激光可提供所謂順序步驟，例如達8個不同的獨立鉆孔工序。 在整個孔的鉆孔過程中，可根據(jù)聯(lián)機的各工序調整 表2中所有的工具參數(shù)。圖2所示是順序工序鉆孔的原理。 由于環(huán)氧樹脂的燒蝕極限比銅（黃色）的低，清潔工序（綠色）就不能探入底層銅。光束柔和地照射，均衡了材料的厚度和一致性的公差。 通過UV開發(fā)HDI的導通孔工藝 A工藝 B工藝 C工藝 A工藝：4步工藝工序，混合了潤濕和激光工序，掩膜公差在50到70im之間，一般最小的孔尺寸為100到125im. B工藝：2步激光工序，1步潤濕工序，由于CO2在掩膜上的繞射，小孔的直徑約為60im。對經過特殊處理的銅材料CO2可提供的銅開口厚度的極限為7im。這種工藝仍需去除鉆污。 C工藝：1步激光工序，UV激光對內層和外層銅的鉆孔無限制，UV還多了一個清潔工序，從而使去除鉆污工序降到了最低限度，甚至可取代去鉆污工序。 UV激光具有將一個完整孔的工藝步驟減至1種單獨的激光工序的能力，特別是取消了對去鉆污的需求，甚至完全可以不用這一工序，尤其是對于脈沖圖形電鍍。不需要使用侵蝕性去鉆污工序，例如對CO2激光而言，孔的形狀的粗糙度、芯吸和桶形畸變得到了改善。 UV激光的其它應用和質量結果

　　●盲孔　

?? 　●雙層導通孔　

?? 　●通孔 采用了柔性新的激光系統(tǒng)除了能夠實施常用聚焦照射操作孔內，還可進行復雜的繪圖操作，可用它切割出細線圖形或用于埋入掩膜后的阻焊膜去除。幾乎可以對任何形狀的加工區(qū)域進行加工處理。 到目前為止，當阻焊膜上的缺陷僅是一些小毛病、無關緊要時，僅把激光燒蝕阻焊膜用于修復一些被損壞的焊盤，這樣就不會使整個面板廢掉，但是HDI技術要求開口尺寸和定位更精確一些，下圖所示是在壓力蒸汽測試和熱循環(huán)后所形成的圓形和方形的阻焊膜開口及橫截面。速度每秒可達100多個焊盤，對于BGA和FC，每個IC上128個焊盤的成本約0.5美分。

??????在繪制細線時，通過激光軌刻劃出圖形，如下圖所示，激光軌的速度可達1000mm/s。激光燒蝕1im厚的錫后，寬度在15~25im之間。在繪制了錫圖形后，對圖形進行蝕刻，并保持激光的軌跡寬度的間距和蝕刻的副作用。對于厚度為12im的銅可以得到低于2mil/2mil的圖形。 下圖所示是2mil/2mil 結構的IC和MCM圖形的扇出。直接繪制細線圖形的應用受到了繪圖速度的限制，如下圖所示的扇出只需不到1秒，而在40×40mm的面積內一個完整圖形的扇出就需要10到15秒。

??????結 論 UV激光系統(tǒng)為現(xiàn)有的CO2鉆孔工具提供了一個補充解決方案。對于鉆孔而言，短波長和小光點具有更大的柔性和更高的復雜性。UV激光的目標更多是為滿足HDI的需求。與CO2性能相比，尤其是對于大孔，UV在產量上仍存在著差距，但是隨著高功率和高頻率的UV激光的發(fā)展，這種差別將越來越小。用UV激光生成導通孔的加工工序數(shù)將減少到一個單獨的激光工序，并且所需的去鉆污工序降到了最低限度。 UV系統(tǒng)除了主要的鉆孔用途外，還可用來直接繪圖和精密的燒蝕阻焊膜。這就為UV激光提供了附加值。 對產量，改善UV激光系統(tǒng)仍有足夠的空間。較小的脈沖寬度，高頻、較高的功率和高速伺服運行都將增加生產率，而且在不久的將來，作為一個完善的工具，市場將會越來越廣泛地接受UV激光系統(tǒng)。