雷射成孔技术介绍与讨论
  雷射成孔的商用机器,市场上大体可分为:紫外线的Nd:YAG雷射机(主要供应者为美商ESI公司);红外线的CO2雷射机(最先为Lumonics,现有日立、三菱、住友等);以及兼具UV/IR之变头机种(如Eecellon之2002型)等三类。前者对3mil以下的微孔很有利,但成孔速度却较慢。次者对4~8mil的微盲孔制作最方便,量产速度约为YAG机的十倍,后者是先用YAG头烧掉全数孔位的铜皮,再用CO2头烧掉基材而成孔。若就行动电话的机手机板而言,CO2雷射对欲烧制4~6mil的微盲孔最为适合,症均量产每分钟单面可烧出6000孔左右。至於速度较的YAG雷射机,因UV光束之能量强且又集中故可直接打穿铜箔,在无需“开铜窗”(Conformal Mask)之下,能同时烧掉铜箔与基材而成孔,一般常用在各式“对装载板”(Package Substrste)4mil以下的微孔,若用於手机板的4~6mil微孔似乎就不太经济了。以下即就雷射成孔做进一进步的介绍与讨论。
1.    雷射成孔的原理
雷射光是当:“射线”受到外来的刺激,而增大能量下所激发的一种强力光束,其中红外光或可见光者拥有热能,紫外光则另具有化学能。射到工作物表面时会发生反射(Refliction)吸收(Absorption)及穿透(Transmission)等三种现象,其中只有被吸收者才会发生作用。而其对板材所产生的作用又分为热与光化两种不同的反应,现分述於下:
1.1    光热烧蚀Photothermal Ablation
是指某雷射光束在其红外光与可见光中所夹帮的热能,被板材吸收后出现熔融、气化与气浆等分解物,而将之去除成孔的原理,称为“光热烧蚀”。此烧蚀的副作用是在孔壁上的有被烧黑的炭化残渣渣(甚至孔缘铜箔上也会出现一圈高熟造成的黑氧化铜屑),需经后制程Desmear清除,才可完成牢固的盲孔铜壁。
1.2    光化裂蚀Photochemical Ablation
是指紫外领域所具有的高光子能量(Photon Energy),可将长键状高分子有机物的化学键(Chemical Bond)予以打断,於是在众多碎粒造成体积增大与外力抽吸之下,使板材被快速移除而成孔。本反应是不含熟烧的“冷作”(Cold Process),故孔壁上不至产生炭化残渣。
1.3    板材吸光度
由上可知雷射成孔效率的高低,与板材的吸光率有直接关系。电路板板材中铜皮、玻织布与树脂三者的吸收度,民因波长而有所不同。前二者在UV 0.3mu以下区域的吸收率颇高,但进入可见光与IR后即大幅滑落。至於有机树脂则在三段光谱中,都能维持於相当不错的高吸收率。
1.4    脉冲能量
实用的雷射成孔技术,是利用断续式(Q-switch)光束而进行的加工,让每一段光敕 (以微秒us计量)以其式(Pulse)能量打击板材,此等每个Pulse(可俗称为一枪)所拥有的能量,又有多种模式(Mode),如单光束所成光点的GEMOO单束光点的能量较易聚焦集中故多用於钻孔。多束光点不但还需均匀化且又不易集中成为小光点,一般常用於雷射直接成像技术(LDI)或密贴光罩(Contact Mask)等制程。
1.5    精确定位系统
1.5.1    小管区式定位
以“日立微孔机械”公司(Hitachi via Machine,最近由“日立精工”而改名)之RF/CO2钻孔机为例,其定位法是采“电流计式反射镜”(Galvanometer and Mirro)本身的X.Y.定位,加上机种台之XY台面(XY Table)定位等两种系统合作而成。后者是将大板面划分成许多小“管区”(最大为50mm见方,一般为精确起见多采用30mm见方),工作中可XY移动台面以交换管区。前者是在单一管区内,以两具Galvanometer的XY微动,将光点打到板面上所欲对准的靶位而成孔。当管区内的微孔全部钻妥后,即快速移往下一个管区再继续钻孔。
所谓的Galvanometer是一种可精确微动±20°以下的铁制品,磁铁或线圈式所组合的直流马达,再装配上镜面即可做小角度的转动反射,而将雷射光束加以快速(2~4ms)折射而定位。但此种系统也有一些缺点,如:①所打在板面上的光束不一定都很垂直,多少会呈现一些斜角,因此还需再加一种“远心透镜”(Telecentric Lense)来改正斜光,使尽可能的垂直於孔位;②电流计式反射镜系统所能涵盖的区域不大,最多只能管到50mm*50mm,故还须靠XY Table来移换管区。其管区越小当然定位就越精准,但相对的也就牺牲了量产的时间;③大板面上管区的交接无法达到完全的天衣无缝,免不了会出现间隙或重叠等“接坏错误”(Abutment Errors),对高密度布孔的板子可能会发生漏钻孔或位失准等故障。此时可加装自动校正系统以改善管区的更换,或按布孔的密度而机动自行调整管区的大小与外形。
1.5.2    全板面定位
除了上述的“Galvo XY”与“小管区移换”式的定位外,还可将Galvo XY之镜面另装在一组“线性马达(Liner Motor)上,令其中做全板面的X向移动。别将台面加装线性马达而只做Y移动,如此将可免除接坏错误。此法与传统机械钻孔机的钻轴X左右移动,加上台面Y前后动的定位方式相同。此法可用於UV/YAG光束能较强者之定位,对线外线CO2光束能较弱者,则因其路径太长能量不易集中而反倒不宜。
2.    二氧化碳CO2雷射成孔的不同制程
2.1    开铜窗法Conformal Mask
    是在内层Core板上先压RCC然后开铜窗,再以雷射光烧除窗内的基材即可完成微盲孔。详情是先做FR-4的内层核心板,使其两面具有已黑化的线路与底垫(Target Pad),然后再各压贴一张“背胶铜箔”(RCC)。此种RCC(Resin Coated Copper Foil)中之铜箔为0.5 OZ,胶层厚约80~100um(3~4mil)。可全做成B-stage,也可分别做成B-stage与C-stage等两层。后者於压贴时其底垫上(Garget Pad)的介质层厚度较易控制,但成本却较贵。然后利用CO2雷射光,根据蚀铜底片的座标程式去烧掉窗内的要树脂,即可挖空到底垫而成微盲孔。此法原为“日立制作所”的专利,一般业者若要出货到日本市场时,可能要小心法律问题。
2.2    开大铜窗法Large Conformal mask
上述之成孔孔径与铜窗口径相同,故一旦窗口位置有所偏差时,即将带领盲孔走位而对底垫造成失准(Misregistration)的问题。此等铜窗的偏差可能来自板材涨缩与影像转移之底片问题,大板面上不太容易彻底解决。
所谓“开大窗法”是将口径扩大到比底垫还大约2mil左右。一般若孔径为6mil时,底垫应在10miL左右,其大窗口可开到12mil。然后将内层板底垫的座标资料交给雷射使用,即可烧出位置精确对准底垫的微盲孔。也就是在大窗口备有余地下,让孔位获得较多的弹性空间。於是雷射光是得以另按内层底垫的程式去成孔,而不必完全追随窗位去烧制明知已走位的孔。
2.3    树脂表面直接成孔法
         本法又可细分为几种不同的途径,现简述如下:
2.3.1    按前述RCC+Core的做法进行,但却不开铜窗而将全部铜箔咬光,若就制程本身而言此法反倒便宜。之后可用CO2雷射在裸露的树脂表面直接烧孔,再做PTH与化铜电铜以完孔与成线。由於树脂上已有铜箔积而所踩出的众多微坑,故其后续成垫成线之铜层抗撕强度(Peel Strength),应该比感光成孔(Photo Via)板类靠高锰酸钾对树脂的粗化要好得很多。但此种牺牲铜皮而粗麻树脂表面的做法,仍不知真正铜箔来得更为抓地牢靠。
本法优点虽可避开影像转移的成本与工程问题,但却必须在高锰酸钾“除胶渣”方面解决更多的难题,最大的危机仍是在焊垫附著可靠度的不足。
2.3.2    其他尚有采用:① FR-4胶片与铜箔代替RCC的类似做法;②感光树脂涂布后压著牺牲性铜箔的做法;③干膜介质层与牺牲性铜箔的压贴法;④其他湿膜树脂涂布与牺牲性铜箔法等,皆可全部蚀铜得到坑面后再直接烧孔。
2.4    超薄铜皮直接烧穿法
         内层核心板两面压贴背胶铜箔后,可采“半蚀法”(Half Etching)将其原来0.5OZ(17um)的铜皮咬薄到只剩5um左右,然后再去做黑氧化层与直接成孔。
因在黑面强烈吸光与超薄铜层,以及提高CO2雷射的光束能量下,将可如YAG雷射般直接穿铜与基材而成孔,不过要做到良好的“半蚀”并不容易。於是已有铜箔业者在此可观的商机下,提供特殊的“背铜式超薄铜皮”(如日本三井之可撕性UTC)。其做法是将UTC棱面压贴在核心板外的两面胶层上,再撕掉厚支持用的“背铜层‘,即可得到具有超薄铜皮(UTC)的HDI半成品。随即在续做黑化的铜面上完成雷射盲孔,并还可洗耳恭听掉黑化层进行PTH化铜与电铜。此法不但可直接完成微孔,而且在细线制作方面,也因基铜之超薄而大幅提升其良率,当然这种背铜式可撕性的UTC,其价格一定不会便宜。

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