PCB與基闆的UV激光加工新工藝

目前，UV激光鑽孔設備隻占全球市場的15%，但該類設備市場需求的增長要比新型的CO₂激光鑽孔設備的需求高3倍。孔的直徑甚至小於50μｍ，1~2的多層導通孔和較小的通孔也是當前競争的焦點，UV激光爲當前的競争提出瞭解決方案；除此之外，它還是一種用於精確地剝離阻焊膜以及生成精密的電路圖形的工具。本文概述瞭目前UV激光鑽孔和繪圖系統的特性和柔性。還給出瞭各種材料的不同類型導通孔的質量和産量結果以及在各種蝕刻阻膜上的繪圖結果。本文通過展望今後的發展，讨論瞭UV激光的局限性。

本文還對UV激光工具和CO₂激光工具進行瞭比較，闡明瞭二者在哪些方面是可以競争的，在哪些方面是不可競争的，以及在哪些方面二者可以綜合應用作爲互補的工具。
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和基闆，也是兩種不同的工具。光點尺寸小於10倍，較短的脈沖寬度和極高頻使得在一般的鑽孔應用中不得不使用不同的操作方法，並且爲不同的應用開辟瞭其它的窗口。

表1給出瞭(le)目前激光系統中通常採(cǎi)用的兩種激光裝置的主要技術特性的比較。

UV在極小的脈沖寬度内具有高頻和極大的峰值功率。工作面上光點尺寸決定瞭(le)能量密度。CO2能量密度達到50~70J/cm2，而UV激光由於(yú)光點尺寸小得多，所以能量密度可達50~200J/cm2。

由於UV光點尺寸比目标孔直徑還要小，激光光束以一種所謂的套孔方式聚焦於孔的目标直徑内。
圖1給出瞭套孔方式。

對於(yú)UV激光，鑽一個完整的孔所需的脈沖數在30到120之間，而CO2激光則隻需2到10個脈沖。UV激光的頻率要比CO2的高5到15倍。在去除瞭(le)頂部銅層後，可使用第二步，通過擴大的光點清理孔中的灰色區域。

當然還可使用UV激光進行沖(chōng)壓，不過光點的大小決定瞭(le)能量密度，且不同材料的燒蝕極限值決定瞭(le)所需的最小能量密度。這樣根據不同材料的燒蝕極限就可導出UV沖(chōng)壓方式使用和最大光點尺寸。

由於(yú)UV激光所具有的能量，目前僅将沖(chōng)壓方式用於(yú)孔直徑小於(yú)75im、燒蝕極限極低的軟材料如TCD，或用於(yú)小焊盤開口的阻焊膜燒蝕。

通過套孔方式将必要的能量帶進孔内的時間在很大程度上取決於孔自身尺寸，孔直徑越小，UV激光工具就鑽的越快。CO2與UV激光之間的切換點爲75到50im的孔直徑之間。
CO2激光的三種局限性：

第一：由於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激光就成爲一種理想的工具，它可用來在塗覆瞭任意一種銅材料的高檔PCB和基闆即高密度互連技術（HDI）上鑽小孔。

HDI一 瞥
HDI的要求是：成孔直徑在75im~30im的範圍内；線及其間距爲2mil/mil~1 mil/1mil；焊盤在250im~200im；並且阻焊膜開口的精度要達到15到10im。新設計不僅要求盲孔爲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採用鍍覆的方法，並支持導通孔的填充。據預測，市場的發展要求在2到3年内不隻要降低倒芯片基闆的價值，還要降低批量生産的價值。

UV激光的鑽孔方法
CO₂激光隻有兩種主要的運行功能：在電場之間的工作台步進運行功能和電場範圍内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，頻率範圍在1到4kHz之間。對於不同的材料，隻有這三個參數和脈沖/孔的數量可用來描述鑽孔工具。
首先，UV激光多瞭一種運行功能即第三種功能--成型孔徑内的電微聚焦。這種套孔充許根據孔徑對内部和外部形狀（同心圓=形狀）進行調整。形狀的重複适應於材料厚度，聚集内外光點的大小確定瞭能量密度以适應材料的燒蝕極限。由激光頻率和電循環速度形成的脈沖順序重疊確定瞭各形狀的能量。

就UV激光特性而言，激光頻率、脈沖(chōng)寬度和平均最大功率相互之間關系相當(dāng)密切。黃色區域表明有直接的關系，紅色區域則有相反的關系。

要在一序列不同的材料上鑽孔，UV激光可提供所謂順序步驟，例如達8個不同的獨立鑽孔工序。 在整個孔的鑽孔過程中，可根據聯機的各工序調整 表2中所有的工具參數。
圖2所示是順序工序鑽孔的原理。

由於(yú)環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，均衡瞭(le)材料的厚度和一緻性的公差。

通過UV開發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，混合瞭潤濕和激光工序，掩膜公差在50到70im之間，一般最小的孔尺寸爲100到125im.
B工藝：2步激光工序，1步潤濕工序，由於CO2在掩膜上的繞射，小孔的直徑約爲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爲7im。這種工藝仍需去除鑽污。
C工藝：1步激光工序，UV激光對内層和外層銅的鑽孔無限制，UV還多瞭一個清潔工序，從而使去除鑽污工序降到瞭很低限度，甚至可取代去鑽污工序。
UV激光具有将一個完整孔的工藝步驟減至1種單獨的激光工序的能力，特别是取消瞭對去鑽污的需求，甚至完全可以不用這一工序，尤其是對於脈沖圖形電鍍。不需要使用侵蝕性去鑽污工序，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瞭改善。
UV激光的其它應用和質量結果
   ●盲孔
   ●雙層導通孔
   ●通孔

採用瞭柔性
新的激光系統除瞭能夠實施常用聚焦照射操作孔内，還可進行複雜的繪圖操作，可用它切割出細線圖形或用於埋入掩膜後的阻焊膜去除。幾乎可以對任何形狀的加工區域進行加工處理。

到目前爲止，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於(yú)修複一些被損壞的焊盤，這樣就不會使整個面闆廢掉，但是HDI技術要求開口尺寸和定位更精確(què)一些，下圖所示是在壓力蒸汽測試和熱循環後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，對於(yú)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厚的錫後，寬度在15~25im之間。在繪制瞭(le)錫圖形後，對圖形進行蝕刻，並(bìng)保持激光的軌迹寬度的間距和蝕刻的副作用。對於厚度爲12im的銅可以得到低於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瞭(le)繪圖速度的限制，如下圖所示的扇出隻需不到1秒，而在40×40mm的面積内一個(gè)完整圖形的扇出就需要10到15秒。

結 論
UV激光系統爲現有的CO₂鑽孔工具提供瞭一個補充解決方案。對於鑽孔而言，短波長和小光點具有更大的柔性和更高的複雜性。UV激光的目标更多是爲滿足HDI的需求。與CO₂性能相比，尤其是對於大孔，UV在産量上仍存在著差距，但是随著高功率和高頻率的UV激光的發展，這種差别将越來越小。用UV激光生成導通孔的加工工序數将減少到一個單獨的激光工序，並且所需的去鑽污工序降到瞭很低限度。

UV系統除瞭(le)主要的鑽孔用途外，還(hái)可用來直接繪圖和精密的燒蝕阻焊膜。這就爲UV激光提供瞭(le)附加值。

對産(chǎn)量，改善UV激光系統仍有足夠的空間。較小的脈沖寬度，高頻、較高的功率和高速伺服運行都将增加生産(chǎn)率，而且在不久的将來，作爲一個完善的工具，市場(chǎng)将會越來越廣泛地接受UV激光系統。