高密度PCB激光钻孔介绍

目前在全球迅速扩张的高性能手持设备（如智能手机和平板电脑）在行业的发展中发挥了重要作用。在这些设备内部，是通过高密度互连(High-Density Interconnection, HDI)技术制成的多层印刷(Printed Circuit Board, PCB)，这些上的电传导是由层间导孔的电连接来控制的。目前CO 2 激光钻孔机广泛应用于加工层间导孔。 PCB材料是一种复合材料，包括：形成电路的铜箔，确保电气绝缘的树脂，以及增强机械强度的玻璃纤维。直径为100μm或更小的高质量导孔，可使复合材料实现高密度互连。随着在复合、高质量钻孔加工的发展，CO 2 激光钻孔在HDI板制造工艺中变得日益重要，可获得极好的生产效率和经济效率。 1991年，IBM公司引入感光成孔技术实际应用于HDI的生产，这种技术可使板上各层之间通过大量导孔连接。虽然感光成孔工艺在生产效率方面突出，但是大多数导孔是在辐照工艺中加工完成，的材料仅限于光敏树脂。而且，以往用玻璃纤维来加强的机械强度，在感光成孔工艺中却不适用；另外，在控制化学过程中也存在困难。正是因为这些局限性，感光成孔工艺最终没有得以广泛应用。 当时激光钻孔被视为是一种可替代的技术。最初，准分子激光器和TEA CO 2 激光器被用于加工导孔。然而，准分子激光器在可靠性和维护成本上面临挑战，而TEA CO 2 激光器也面临着生产效率的问题，因为它最高的重复频率只有500赫兹。 为解决激光钻孔应用中的问题，三菱电机公司在1996年独立开发了一种CO 2 激光器，可以产生峰值功率超过10千瓦、微秒级短脉宽的脉冲，而且其高重复频率达kHz级。在这个CO 2 激光器内部，基于MOSFET的高压、高速开关逆变电源和介电放电电极能够产生一个稳定、无声放电(Silent Discharge, SD)，它们被集成在谐振器的三轴交叉气流装置中。图1所示，高峰/短脉冲CO 2 激光器能够发射1μs到100μs的脉宽范围——其他普通的气流型CO 2 激光器则不能以这样的脉冲模式运行。这种无与伦比的性能有助于控制PCB各复合材料上的热影响，实现以高生产率加工理想的、高质量导孔。图2所示的CO 2 激光钻孔设备装置了CO 2 激光器，并与高速高精度振镜扫描系统以及f-θ透镜结合起来。这种激光钻孔系统中，激光光束被分束器分成两个相同的光束，传输到装有扫描振镜和f-θ透镜的两个加工头，通过同时加工两个PCB板以提高生产率。图3是铜直接钻孔的范例，它显示了常见的高密度板制造工艺。这种盲孔工艺通过激光穿透铜箔表面，在树脂层上钻孔，然后在内层铜的表面上停住。在铜直接钻孔过程中，要保证高能激光脉冲快速“射击”在同一加工点，因为铜是一种高导热材料。CO 2 激光器以其特有的高峰值功率激光脉冲，能够在铜箔表面的加工性能较好，而且优质的盲孔通常有着光滑的孔壁表面，在激光钻孔之后再进行电镀工艺，也不会破坏孔的结构完整性。除了HDI板的加工应用，CO 2 激光器的盲孔加工技术还应用于内置硅集成电路芯片的半导体封装工艺中。半导体封装有两种类型的层：一个核心层，以确保的刚性，另一个是积层，以形成电气接口与硅集成电路芯片的超细电路。由于硅集成电路芯片的高度集成，半导体封装必须结合高密度互连电路。在这一领域，该技术要求在积层上加工微米级的盲孔，直径小于50μm；以及在核心层加工直径100μm的小通孔。图4显示了采用CO 2 激光器加工的盲孔和小通孔。至于微米级盲孔，曾经由紫外激光器加工直径40μm级的盲孔，现已由CO 2 激光钻孔设备实现，该设备安装了高性能f-θ透镜，使光学畸变减至最小。此外，这一最新的激光钻孔设备能够用四束分束的激光同时加工四个孔，达到每秒4500个孔的高速加工。这种CO 2 激光器微孔加工方式比紫外激光器具有更好的经济效率，证明了它有利于降低高端半导体封装的生产成本。 采用激光加工通孔的方法不同于盲孔加工工艺，该方法已应用于顶端和底部均为铜层的上。该方法是采用激光钻孔，先从板材的一侧加工到中间层，然后从板材另一侧的同一位置再做钻孔加工，从而得到一个通孔。典型的激光钻孔振镜位置精度小于±10μm，使得双面的钻孔之间，直径小于100μm的通孔没有移位。由于激光加工通孔可以解决常规机械钻孔所带来的问题，即钻头成本、生产率和孔的定位精度，而激光加工通孔的技术正迅速普及。 CO2激光钻孔不仅应用在加工之中，也广泛用于制造多层陶瓷电容器（Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC），这种电容器大量用于手持设备。对于MLCC，烧结之前的陶瓷板被称为“绿片”，是一个激光加工的目标材料。高峰值/短脉冲CO 2 激光器很适合在绿片上高速加工出高质量、极微小的孔洞。作为不可或缺的生产工具，有数百台三菱电机CO 2 激光钻孔设备在MLCC制造领域内运行。 随着半导体封装制造业内整体上强化成本驱动的趋势，CO 2 激光钻孔对半导体封装行业颇具吸引力。尽管CO 2 激光器并非尖端的新型激光器，但它在工业应用方面，的确是一种优秀、可靠、经济的激光器。CO 2 激光钻孔有望在未来发展成为一个有用的加工方式，应用于PCB制造业。