HDI產品之激光鉆孔工藝介紹及常見問題解決

來源:FPC那些事    關鍵詞:激光打孔, HDI產品, 工藝,    發布時間:2019-11-08

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隨著微電子技術的飛速發展,大規模和超大規模集成電路的廣泛應用,微組裝技術的進步,使印制電路板的制造向著積層化、多功能化方向發展,使印制電路圖形導線細、微孔化窄間距化,加工中所采用的機械方式鉆孔工藝技術已不能滿足要求而迅速發展起來的一種新型的微孔加工。


隨著微電子技術的飛速發展,大規模和超大規模集成電路的廣泛應用,微組裝技術的進步,使印制電路板的制造向著積層化、多功能化方向發展,使印制電路圖形導線細、微孔化窄間距化,加工中所采用的機械方式鉆孔工藝技術已不能滿足要求而迅速發展起來的一種新型的微孔加工方式即激光鉆孔技術。 


一 .激光成孔的原理 


激光是當“射線”受到外來的刺激而增加能量下所激發的一種強力光束,其中紅外光和可見光具有熱能,紫外光另具有光學能。此種類型的光射到工件的表面時會發生三種現象即反射、吸收和穿透。

透過光學另件擊打在基材上激光光點,其組成有多種模式,與被照點會產生三種反應。

激光鉆孔的主要作用就是能夠很快地除去所要加工的基板材料,它主要靠光熱燒蝕和光化學燒蝕或稱之謂切除。


(1)光熱燒蝕:指被加工的材料吸收高能量的激光,在極短的時間加熱到熔化并被蒸發掉的成孔原理。此種工藝方法在基板材料受到高能量的作用下,在所形成的孔壁上有燒黑的炭化殘渣,孔化前必須進行清理。

(2)光化學燒蝕:是指紫外線區所具有的高光子能量(超過2eV電子伏特)、激光波長超過400納米的高能量光子起作用的結果。而這種高能量的光子能破壞有機材料的長分子鏈,成為更小的微粒,而其能量大于原分子,極力從中逸出,在外力的掐吸情況之下,使基板材料被快速除去而形成微孔。因此種類型的工藝方法,不含有熱燒,也就不會產生炭化現象。所以,孔化前清理就非常簡單。

以上就是激光成孔的基本原理。目前最常用的有兩種激光鉆孔方式:印制電路板鉆孔用的激光器主要有RF激發的CO2氣體激光器和UV固態Nd:YAG激光器。

(3)關于基板吸光度:激光成功率的高低與基板材料的吸光率有著直接的關系。印制電路板是由銅箔與玻璃布和樹脂組合而成,此三種材料的吸光度也因波長不同有所不同但其中銅箔與玻璃布在紫外光0.3mμ以下區域的吸收率較高,但進入可見光與IR后卻大幅度滑落。有機樹脂材料則在三段光譜中,都能維持相當高的吸收率。這就是樹脂材料所具有的特性,是激光鉆孔工藝流行的基礎。


二 .CO2激光成孔的不同的工藝方法 


CO2激光成孔的鉆孔方法主要有直接成孔法和敷形掩膜成孔法兩種。所謂直接成孔工藝方法就是把激光光束經設備主控系統將光束的直徑調制到與被加工印制電路板上的孔直徑相同,在沒有銅箔的絕緣介質表面上直接進行成孔加工。敷形掩膜工藝方法就是在印制板的表面涂覆一層專用的掩膜,采用常規的工藝方法經曝光/顯影/蝕刻工藝去掉孔表面的銅箔面形成的敷形窗口。然后采用大于孔徑的激光束照射這些孔,切除暴露的介質層樹脂。現分別介紹如下: 


(1)開銅窗法: 

首先在內層板上復壓一層RCC(涂樹脂銅箔)通過光化學方法制成窗口,然后進行蝕刻露出樹脂,再采用激光燒除窗口內基板材料即形成微盲孔:

當光束經增強后通過光圈到達兩組電流計式的微動反射掃描鏡,并經一次垂直對正(Fθ 透鏡)而達到可進行激動的臺面的管區,然后再逐一燒成微盲孔。

在一英寸見方的小管區內經電子快束這定位后,對0.15mm的盲孔可連打三槍成孔。其中第一槍的脈沖寬度約為15μs,此時提供能量達到成孔的目的。后再槍則利用來清理孔壁孔底的殘渣和修正孔。

激光能量控制良好的0.15mm微盲孔的SEM橫斷面及45度的全圖,此種開窗口的成孔工藝方法,當底墊(靶標盤)不大時又需大排版或二階盲孔時,其對準度就比較困難。 


(2)開大窗口工藝方法:

前一種工藝方法成孔的直徑與所開的銅窗口相同,如果操作稍有不慎就會使所開窗口的位置產生偏差,導致成孔的盲孔位置走位致使與底墊中心失準的問題產生。該銅窗口的偏差產生的原因有可能是基板材料漲縮和圖像轉移所采用的底片變形有關。所以采取開大銅窗口的工藝方法,就是將銅窗口直徑擴大到比底墊還大經 0.05mm左右(通常按照孔徑的大小來確定,當孔徑為0.15mm時,底墊直徑應在0.25mm左右,其大窗口直徑為0.30mm)然后再進行激光鉆孔,即可燒出位置精確對準底墊的微盲孔。其主要特點是選擇自由度大,進行激光鉆孔時可選擇另按內層底墊的程式去成孔。這就有效的避免由于銅窗口直徑與成孔直徑相同時造成的偏位而使激光點無法對正窗口,使批量大的大拚板面上會出現許多不完整的半孔或殘孔的現象。


(3)樹脂表面直接成孔工藝方法 

采用激光成孔有幾種類型的工藝方法進行激光鉆孔: 

A.基板是采用在內層板上層壓涂樹脂銅箔,然后將銅箔全部蝕刻去掉,就可采用CO2激光在裸露的樹脂表面直接成孔,再繼續按照鍍覆孔工藝方法進行孔化處理。

B.基板是采用FR-4半固化片和銅箔以代替涂樹脂銅箔的相類似制作工藝方法。

C.涂布感光樹脂后續層壓銅箔的工藝方法制作。

D.采用干膜作介質層與銅箔的壓貼工藝方法制作。

E.涂布其它類型的溫膜與銅箔覆壓的工藝方法來制作。 



4)采用超薄銅箔的直接燒蝕的工藝方法 

內層芯板兩面壓貼涂樹脂銅箔后,可采用“半蝕方法”將銅箔厚度17m經蝕刻后減薄到5微米,然后進行黑氧化處理,就可采用CO2激光成孔。

其基本原理就是經氧化處理成黑的表面會強烈吸光,就會在提高CO2激光的光束能量的前提下,就可以直接在超薄銅箔與樹脂表面成孔。但最困難的就是如何確保 “半蝕方法”能否獲得厚度均勻一致的銅層,所以制作起來要特別注視。當然可采用背銅式可撕性材料(UTC),銅箔相當簿約5微米。


根據這種類型的板加工,目前在工藝上主要采取以下幾個方面:


這主要對材料供應商提出嚴格的質量和技術指標,要確保介質層的厚度的差異在510μm之間。因為只有確保涂樹脂銅箔基材的介質厚度的均勻性,在同樣的激光能量的作用下,才能確保孔型的準確性和孔底部的干凈。同時還需要在后續工序中,采用最佳的除鉆污工藝條件,確保激光成孔后盲孔底部的干凈無殘留物。對盲孔化學鍍和電鍍層的質量會產生良好的作用。 


三 Nd:YAG激光鉆孔工藝方法


Nd:YAG是釹和釔鋁柘榴石。兩種固態晶體共同激發出的UV激光。最近多采用的二極管脈沖激勵的激光束,它可以制成有效的激光密封系統,不需要水冷。這種激光三次諧波波長為355納米(nm)、四次諧波波長為266納米(nm),波長是由光學晶體調制的。


這種類型的激光鉆孔的最大特點是屬于紫外光(UV)譜區,而覆銅箔層壓板所組成的銅箔與玻璃纖維在紫外光區域內吸光度很強,加上此類激光的光點小能量大,故能強力的穿透銅箔與玻璃布而直接成孔。由于上種類型的激光熱量較小,不會象CO2激光鉆孔后生成炭渣,對孔壁后續工序提供了很好的處理表面。


Nd:YAG激光技術在很多種材料上進行徽盲孔與通孔的加工。其中在聚酰亞胺覆銅箔層壓板上鉆導通孔,最小孔徑是25微米。從制作成本分析,最經濟的所采用的直徑是25125微米。鉆孔速度為10000孔/分。可采用直接激光沖孔工藝方法,孔徑最大50微米。其成型的孔內表干凈無碳化,很容易進行電鍍。同樣也可在聚四氟乙烯覆銅箔層壓板鉆導通孔,最小孔徑為25微米,最經濟的所采用的直徑為25125微米。鉆孔速度為4500孔/分。不需預蝕刻出窗口。所成孔很干凈,不需要附加特別的處理工藝要求。還有其它材料成型孔加工等。



具體加工中可采用以下幾種工藝方法:

(1)根據兩類激光鉆孔的速度采取兩種并用的工藝方法 

基本作業方法就是先用YAG把孔位上表面的銅箔燒蝕,然后再采用速度比YAG鉆孔快的CO2激光直接燒蝕樹脂后成孔。


四 .實際生產中產生的質量問題 


激光鉆孔過程中,產生的質量問題比較多,不準備全面講述,只將最易出現的質量問題提出供同行參考。 


(1)開銅窗法的CO2激光鉆孔位置與底靶標位置之間失準 


在激光鉆孔中,光束定位系統對于孔徑成型的準確性極關重要。盡管采用光束定位系統的精確定位,但由于其它因素的影響往往會產生孔形變形的缺焰。生產過程中產生的質量問題,其原因分析如下:



1.制作內層芯板焊盤與導線圖形的底片,與涂樹脂銅箔(RCC)增層后開窗口用的底片,由于兩者都會因為濕度與溫度的影響尺寸增大與縮小的潛在因素。 


2.芯板制作導線焊盤圖形時基材本身的尺寸的漲縮,以及高溫壓貼涂樹脂銅箔(RCC)增層后,內外層基板材料又出現尺寸的漲縮因素存在所至。 


3.蝕刻所開銅窗口尺寸大小與位置也都會產生誤差。 

4.激光機本身的光點與臺面位移之間的所造成的誤差。 


5.二階盲孔對準度難度就更大,更易引起位置誤差。


根據上述原因分析,根據生產所掌握的有關技術資料與實際運作過程的經驗,主要采取的工藝對策有以下幾個方面: 

1.采取縮小排版尺寸,多數廠家制作多層板排版采取450×600或525×600(mm)。但對于加工導線寬度為0.10mm與盲孔孔徑為0.15mm的手機板,最好采用排版尺寸為350×450(mm)上限。

2.加大激光直徑:目的就是增加對銅窗口被罩住的范圍。其具體的做法采取“光束直徑=孔直徑+90~100μm。能量密度不足時可多打一兩槍加以解決。

3.采取開大銅窗口工藝方法:這時只是銅窗口尺寸變大而孔徑卻未改動,因此激光成孔的直徑已不再完全由窗口位置來決定,使得孔位可直接根據芯板的上的底墊靶標位置去燒孔。

4.由光化學成像與蝕刻開窗口改成YAG激光開窗法:就是采用YAG激光光點按芯板的基準孔首先開窗口,然后再用CO2激光就其窗位去燒出孔來,解決成像所造成的誤差。 

5.積層兩次再制作二階微盲孔法:當芯板兩面各積層一層涂樹脂銅箔(RCC)后,若還需再積層一次RCC與制作出二階盲孔(即積二)者,其“積二”的盲孔的對位,就必須按照瞄準“積一”去成孔。而無法再利用芯板的原始靶標。也就是當“積一”成孔與成墊時,其板邊也會制作出靶標。所以,“積二”的RCC壓貼上后,即可通過X射線機對“積一”上的靶標而另鉆出“積二”的四個機械基準孔,然后再成孔成線,采取此法可使“積二”盡量對準“積一”。 


2.孔型不正確 

根據多次生產經驗積累,主要因為所采用的基材成型所存在的質量問題,其主要質量問題是涂樹脂銅箔經壓貼后介質層的厚度難免有差異,在相同鉆孔的能量下,對介質層較薄的部分的底墊不但要承受較多的能量,也會反射較多的能量,因而將孔壁打成向外擴張的壺形。這將對積層多層板層間的電氣互連品質產生較大的影響。

由于孔型不正確,對積層多層印制電路板的高密度互連結構的可靠性會帶來一系列的技術問題。 



所以,必須采用工藝措施加以控制和解決。主要采用以下幾種工藝方法:

(1)嚴格控制涂樹脂銅箔壓貼時介質層厚度差異在510μm之間。

(2)改變激光的能量密度與脈沖數(槍數),可通過試驗方法找出批量生產的工藝條件。

(3)孔底膠渣與孔壁的破渣的清除不良。

這類質量問題最容易發生,這是由于稍為控制不當就會產生此種關型的問題。特別是對于處理大拚版上多孔類型的積層板,不可能百分之百保證無質量問題。這是因為所加工的大排板上的微盲孔數量太多(平均約6~9萬個孔),介質層厚度不同,采取同一能量的激光鉆孔時,底墊上所殘留下的膠渣的厚薄也就不相同。經除鉆污處理就不可能確保全部殘留物徹底干凈,再加上檢查手段比較差,一旦有缺陷時,常會造成后續鍍銅層與底墊與孔壁的結合力。

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