新CO2雷射直接銅箔加工技術(shù)

前言

　　 PCB基板的高密度化取決於層間連接的微小孔和線路之間，而且直接結(jié)合電子產(chǎn)品的性能，所以PCB基板的鉆孔技術(shù)即成為制造PC8基板的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。筆記型電腦及行動(dòng)電話等攜帶式產(chǎn)品是最先采用高密度增層(BUILD Up)基板為基礎(chǔ)的高科技消費(fèi)性屋品。越來越要求低成本、高成品良率及高度能的需要，直接銅箔加工法可以補(bǔ)足現(xiàn)今雷射加工法之缺點(diǎn)，而開始被重視。
　　 1.雷射鉆孔的現(xiàn)狀及課題
　　 低成本、高成品良率、高產(chǎn)能
　　 在初期階段所采用的雷射加工法大多是目前為大家所泛用的conformal mask方法(在RCC基材的表面銅箔上，利用化學(xué)蝕刻出需要的加工孔徑（開銅窗），再以約大於開銅窗孔徑的50～100μm的雷射光束來加工)，而且也是較適用現(xiàn)有制程上；然而burst（continue Pulse）加工為孔壁很容易變成圓弧狀，所以一般都采用cycle（cycle Pulse）加工較適宜。
　　 因?yàn)檫@樣的因素使得加工速度變的較慢。Large window法(在RCC基材的表面銅箔上,利用化學(xué)蝕刻出約大於加工孔徑100μm的銅窗)，此工法的目的是為了解決conformal mask方法的高速化所開發(fā)出來的。
　　 因?yàn)榭蛇m用高速的burst加工，故現(xiàn)在已經(jīng)成為生產(chǎn)的主流，而被廣泛的應(yīng)用。封裝用基板則是利用高速burst加工，直接在純樹脂材料上加工，所以電鍍前的表面處理等的高度技術(shù)及管理是必要的，因此也限定在一些特有的基板制造商。
　　 　　 Fig．1是加工法的詳細(xì)。??

　　　??

Fig．2表示加工法及孔徑的適用范圍。
　　 幾乎所有build up基板的BH（blind hole）鉆孔都是使用CO2雷射來作成的，使用RCC材質(zhì)的泛用build up基板，其孔徑的主要尺寸約在100～125μm之間，封裝相關(guān)的基板，其孔徑約在100μm以下，最近也有要求在60μm左右的水準(zhǔn)。最近FR-4材質(zhì)的適用性也在繼續(xù)的增加中。通孔TH（through hole）加工等新的應(yīng)用要求也有增加中。
　　 　　 Fig．3表示孔徑100μm以下的孔形成的例子。??

??

　　 根據(jù)CO2雷射試驗(yàn)水準(zhǔn)可以鉆孔到孔徑30μm，而實(shí)用的界限約在4O～50um之間。build up基板在壓合制程時(shí)，固有變形漲縮等現(xiàn)象，etching window和內(nèi)層Pad的位置偏移會(huì)變大。因此，只要內(nèi)層Pad徑一變小，成品率就會(huì)下降，所以就會(huì)被極小的線寬/線距所限制。
　　 上述的window etching是同樣和線路作成需要光阻涂布、曝光、顯影、蝕刻而形成線路之制程，所以制程成本也是另一項(xiàng)課題。
　　 2.Cu direct加工法的特點(diǎn)
　　 Cu direct加工法是利用5～9μm薄銅箔表面處理之后，提高雷射吸收率，用CO雷射直接加工形成BH。
首先以CO雷射去除表面銅箔，露出內(nèi)層上的對(duì)位點(diǎn)，再用CCD CAMERA來確認(rèn)位置及自動(dòng)補(bǔ)正。因?yàn)橛脙?nèi)層對(duì)位基準(zhǔn)來鉆孔，孔位置的偏差較小而能擁有更高的精度。因此較小的Pad及fine Pitch是有可能做成的。作成銅窗的裂程也不必要，可省略蝕刻制程，所以可以降低制程的成本。電鍍、線路的形成也適用CONFORMAL MASK法及LARGE WlNDOW法的制程。
　　 又因?yàn)榭梢? PULSE加工，所以加工速度可以很快速。另外日立也開發(fā)出高PEAK power、短 PULSE的MODULATION STEPPULSE及TOP HAT BEAM，可得到和目前加工法一樣的孔品質(zhì)等特點(diǎn)。
　　 3.Cu direct如工法的課題
　　 在光澤面的銅表面有低的CO雷射吸收率（2～3%），所以在12～18m的表面銅箔導(dǎo)體層的增層上，很難形成實(shí)用的盲孔。也就是如此，必須要用大約10倍的絕緣層能量才有辦法把表面銅箔分解去除。表面銅箔貫通后多余的能量會(huì)被絕緣層所吸收而在孔入口的銅箔表面下，形成undercut。另外因?yàn)橐岣邇?nèi)層銅箔導(dǎo)體層Peeling的強(qiáng)度，內(nèi)層銅箔表面被粗化，進(jìn)而雷射吸收率變高、溫度大大的上升而造成會(huì)貫通內(nèi)層銅箔導(dǎo)體層。
　　 薄化表面銅箔及表面處理以提高雷射吸收率，利用接近絕緣層約分解能量，使用CO2雷射也可以在表面銅箔和絕緣層上順利的作成盲孔。
　　 另外為了確保加工的信賴性，日立更是開發(fā)出適用的TOP HAT BEAM、MODULATION STEP PULSE等功能。
　　 4.cu direct加工用薄銅箔
　　 為達(dá)到直接銅箔加工孔形安定的必要因素即除去銅箔的能量和絕緣層的能量盡可能的接近。表面銅箔能量吸收會(huì)因表面粗化使得表面積和反射回?cái)?shù)增加，也會(huì)因薄銅箔的低熱容量化、低熱傳導(dǎo)層伴隨著溫度上升而吸收率增加。如Fig．4所示，是被應(yīng)用在直接銅箔加工銅箔表面的實(shí)體。
　　 三井金屬所制表面粗化MTM5m的薄銅箔，日礦
　　 METERIAL所制表面粗化、表面附加LD9μm低導(dǎo)熱的薄銅箔。再者，5～9μm的薄銅箔，基板制造者也可以既有的蝕刻設(shè)備可由12～18μm的銅箔蝕刻（ETCHINGDOWN）取得。再者表面粗化也有可能透過基板制造者以既有的設(shè)備作內(nèi)層表面粗化用的黑化處理、MULTI BOND處理、ETCHING BOND處理、α-Prep處理及BOND FILE處理做成，以波長(zhǎng)9.4μm的雷射光照射時(shí)的能量吸收率依據(jù)表面材質(zhì)的構(gòu)造而有20～30%的差別。
　　 5.材料去除的特性
　　 銅表面在雷射光照射後，含在表面微小的凸部和凹部形成微小熱污點(diǎn)，且有熔融現(xiàn)象產(chǎn)生，銅一到達(dá)蒸發(fā)溫度後，將食有氣化現(xiàn)象發(fā)生，且被微粒子化飛散到四周圍，反應(yīng)時(shí)間從數(shù)μs到10μs，由於這樣銅箔幾乎都會(huì)被直接除去，而在孔的入口處附近被熔融。因?yàn)橐呀?jīng)被氣化成粒狀的飛散物會(huì)如同機(jī)械性剝落般的被去除掉，緊接著的光束在孔入口處繼續(xù)加工。故而孔邊的溫度些許上升，而能量的分布是呈現(xiàn)急峻的，所以top hat beam的短脈沖加工是必要的。因而可以得到接近雷射光束的孔徑又有較小的over hang現(xiàn)象?？v使添加filer或是Hi-Tg樹脂的材料，也顯現(xiàn)出較佳的加工效果。
　　 　　 Fig.5所示為不同的銅箔表面處理其脈沖能量與孔形成的狀態(tài)。??

　　 　　 Fig.6所示為銅箔表面處理對(duì)加工性的改善。??

　　 以multi bond處理後5～7μm厚度的銅箔，加工120～123μm的孔，脈沖能量約在10～15ml，其孔徑變不大且非常安定。能量若超過15ml，加工孔壁會(huì)有較膨脹的現(xiàn)象發(fā)生。
　　 6.孔周圍的溫度上升由于加工能量會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱，但幾乎都會(huì)蒸發(fā)掉，只有一部份會(huì)擴(kuò)散至孔的周圍。孔入口周圍及孔底的溫度上升，在表面的能量吸收率和脈沖模式有很大的影響，較短的脈沖寬度影響較小。而在孔入口周邊產(chǎn)生的銅箔突出，可藉由銅蝕工程將之去除掉。??
　　 7.TOP HAT分布
　　 　　 Fig．7是top hat的分布模擬呈現(xiàn)。??

??

　　 使用TOP HAT PULSE，較大能量的第一脈沖是適用于表面銅箔和絕緣層的去除，較小能量的第二脈沖是被使用于孔形的修整與孔底殘留絕緣層的除去。利用獨(dú)特專利的modulation step pulse加工技術(shù)，短脈沖高能量加工是可被應(yīng)用的，因此可以抑制孔入口處周邊的溫度上升速度。
　　 8.Modulation step pulse
　　 RF雷射的激發(fā)震蕩是非常安定的，但有所謂的脈沖揚(yáng)起與脈沖下緣時(shí)之能量變化的物理現(xiàn)象，因此一般CO2雷射將其最小實(shí)用之脈沖設(shè)定在5μs以上；又脈沖能量是從脈沖揚(yáng)起區(qū)和穩(wěn)定區(qū)以及30～40μs的脈沖尾端而形成，因此實(shí)際最小的脈沖也有30～40μs。利用modulation step pulse技術(shù)，可以控制實(shí)用最小脈沖幅度在1μs。而5-10us的脈沖寬幅有較以往的脈沖能量奇更高且更有效的能量。換而言之，即使同樣的脈沖寬幅可以除去量亦變大，但事實(shí)上短脈沖能減少熱影響。
　　 　　 Fig．8所示代表
　　 　　 MODE A（BURST加工MODE）采STEP PULSE2 PULSE加工于樹脂。
　　 　　 MODE B是CYCLE MODE；
　　 　　 MODE C是CYCLE/BURST CONBINATION MODE。
　　 　　 可設(shè)定脈沖寬幅、脈動(dòng)SHOOT數(shù)、第一個(gè)SHOT、第二個(gè)SHOT脈動(dòng)以及第三個(gè)SHOT。
　　 　　 高速加工的MODE A主要是用來作樹脂直接加工、LARGE WXNDOW等用途。
　　 　　 MODE B、MODE C主要是用來CONFORMAL加工之用。??

??

　　 9．直接銅箔加工成孔之結(jié)果
　　 （TOP HAT BEAM和MODULATION STEP PULSE）如 Fig．9所示對(duì)於MTM材料盲孔加工的結(jié)果。
　　 　　 Fig.10所示是孔徑O.1mmFR-4材料用直接銅箔TH加工BT的例子和孔徑400μm直接加工例子。
　　 和玻璃纖維密度無關(guān)、孔形安定、無纖維突出物及溶解狀況、粗糙度良好。??

??

　　 10.高效能雷射加工
　　 實(shí)際的加工時(shí)間中，GALVANO移動(dòng)時(shí)間和臺(tái)面移動(dòng)時(shí)間是占大部分，但若是采用最佳化的軸間距的雙光束構(gòu)造的雷射加工機(jī)，其實(shí)際加工時(shí)間會(huì)因而減半。以分光方式輸出成兩光束，能量的差異含成為加工信賴性的變因；日立雙軸雷射加工機(jī)器由于采用脈沖整形器作光的轉(zhuǎn)換切換，兩光束的能量是固定不變的，加工條件亦同于單軸機(jī)器。由于從樹脂直接加工至FR-4的材料皆適用的特點(diǎn)因而急遽地被多數(shù)廠商開始采用。
Fig.11是Two Beam CO2 System的示意圖。