UV激光钻孔和绘图系统的特性和柔性

学习磨床中

目前，UV激光钻孔设备只占全球市场的15%，但该类设备市场需求的增长要比新型的CO2激光钻孔设备的需求高3倍。孔的直径甚至小于50μｍ，1~2的多层导通孔和较小的通孔也是当前竞争的焦点，UV激光为当前的竞争提出了解决方案；除此之外，它还是一种用于精确地剥离阻焊膜以及生成精密的电路图形的工具。本文概述了目前UV激光钻孔和绘图系统的特性和柔性。还给出了各种材料的不同类型导通孔的质量和产量结果以及在各种蚀刻阻膜上的绘图结果。本文通过展望今后的发展，讨论了UV激光的局限性。
本文还对UV激光工具和CO2激光工具进行了比较，阐明了二者在哪些方面是可以竞争的，在哪些方面是不可竞争的，以及在哪些方面二者可以综合应用作为互补的工具。
UV与CO2的对比
UV激光工具不仅与CO2的波长不同，而且各自在加工材料，如象PCB和基板，也是两种不同的工具。光点尺寸小于10倍，较短的脉冲宽度和极高频使得在一般的钻孔应用中不得不使用不同的操作方法，并且为不同的应用开辟了其它的窗口。
3 p0 \. j8 E5 Y: O表1给出了目前激光系统中通常采用的两种激光装置的最主要技术特性的比较。
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* E  D- b$ z. n* |. R: P8 t图1
0 c4 S. M' K1 }* GUV在极小的脉冲宽度内具有高频和极大的峰值功率。工作面上光点尺寸决定了能量密度。CO2能量密度达到50~70J/cm2，而UV激光由于光点尺寸小得多，所以能量密度可达50~200J/cm2。
8 k  v1 E4 _* \由于UV光点尺寸比目标孔直径还要小，激光光束以一种所谓的套孔方式聚焦于孔的目标直径内。
4 g- T! `3 o& p: u) a; h! ?' v图1给出了套孔方式。
) k+ W+ q3 v4 \! R; K+ b; J对于UV激光，钻一个完整的孔所需的脉冲数在30到120之间，而CO2激光则只需2到10个脉冲。UV激光的频率要比CO2的高5到15倍。在去除了顶部铜层后，可使用第二步，通过扩大的光点清理孔中的灰色区域。
当然还可使用UV激光进行冲压，不过光点的大小决定了能量密度，且不同材料的烧蚀极限值决定了所需的最小能量密度。这样根据不同材料的烧蚀极限就可导出UV冲压方式使用和最大光点尺寸。
6 X4 a# F, ~  A1 k由于UV激光所具有的能量，目前仅将冲压方式用于孔直径小于75im、烧蚀极限极低的软材料如TCD，或用于小焊盘开口的阻焊膜烧蚀。
* t* l) z$ A6 M/ u1 @( @通过套孔方式将必要的能量带进孔内的时间在很大程度上取决于孔自身尺寸，孔直径越小，UV激光工具就钻的越快。CO2与UV激光之间的切换点为75到50im的孔直径之间。
6 k- T: r+ q' Q$ x% M1 H4 sCO2激光的三种局限性：
第一：由于10im光波在孔边缘的绕射，需要考虑最小的孔尺寸。
第二：在铜上该波长的反射。
1 Z5 P: A6 s% G/ T/ ~1 k! W第三：厚度达波长1/2的底层铜上的残留物。
波长短得多的且在铜上有较高吸收率的UV激光就不存在上述三种局限性，因此，UV激光就成为一种理想的工具，它可用来在涂覆了任意一种铜材料的高档PCB和基板即高密度互连技术（HDI）上钻小孔。
HDI一 瞥
- _4 o8 I! t/ s- U0 YHDI的要求是：成孔直径在75im~30im的范围内；线及其间距为2mil/mil~1 mil/1mil；焊盘在250im~200im；并且阻焊膜开口的精度要达到15到10im。新设计不仅要求盲孔为1层~2层，而且要求多层导通孔和通孔。还要求孔的外形能够实现采用镀覆的方法，并支持导通孔的填充。据预测，市场的发展要求在2到3年内不只要降低倒芯片基板的价值，还要降低批量生产的价值。
  [) y  ?& o: t0 B6 ~! ~7 xUV激光的钻孔方法
3 Q, k0 }4 v. b5 u  ZCO2激光只有两种主要的运行功能：在电场之间的工作台步进运行功能和电场范围内孔之间的电运行功能。峰值功率会降低，可在1到100ns之间选择脉冲宽度，频率范围在1到4kHz之间。对于不同的材料，只有这三个参数和脉冲/孔的数量可用来描述钻孔工具。
首先，UV激光多了一种运行功能即第三种功能－－成型孔径内的电微聚焦。这种套孔充许根据孔径对内部和外部形状（同心圆=形状）进行调整。形状的重复适应于材料厚度，聚集内外光点的大小确定了能量密度以适应材料的烧蚀极限。由激光频率和电循环速度形成的脉冲顺序重叠确定了各形状的能量。
就UV激光特性而言，激光频率、脉冲宽度和平均最大功率相互之间关系相当密切。黄色区域表明有直接的关系，红色区域则有相反的关系。
要在一序列不同的材料上钻孔，UV激光可提供所谓顺序步骤，例如达8个不同的独立钻孔工序。 在整个孔的钻孔过程中，可根据联机的各工序调整 表2中所有的工具参数。
: r$ Z: R0 X( Q. y图2所示是顺序工序钻孔的原理。
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. R* }# m. |6 K# O' G2 `; |图2
由于环氧树脂的烧蚀极限比铜（黄色）的低，清洁工序（绿色）就不能探入底层铜。光束柔和地照射，均衡了材料的厚度和一致性的公差。
通过UV开发HDI的导通孔工艺
2 U9 I; V" a$ a) v% X8 aA工艺 B工艺 C工艺
- D( F( Z; s9 C4 W- G: ~3 A) VA工艺：4步工艺工序，混合了润湿和激光工序，掩膜公差在50到70im之间，一般最小的孔尺寸为100到125im.
1 O5 N! Q6 p6 z5 B3 H) K# z% R; iB工艺：2步激光工序，1步润湿工序，由于CO2在掩膜上的绕射，小孔的直径约为60im。对经过特殊处理的铜材料CO2可提供的铜开口厚度的极限为7im。这种工艺仍需去除钻污。
C工艺：1步激光工序，UV激光对内层和外层铜的钻孔无限制，UV还多了一个清洁工序，从而使去除钻污工序降到了最低限度，甚至可取代去钻污工序。
UV激光具有将一个完整孔的工艺步骤减至1种单独的激光工序的能力，特别是取消了对去钻污的需求，甚至完全可以不用这一工序，尤其是对于脉冲图形电镀。不需要使用侵蚀性去钻污工序，例如对CO2激光而言，孔的形状的粗糙度、芯吸和桶形畸变得到了改善。
6 l3 [# v- n( Q" [& RUV激光的其它应用和质量结果
　　●盲孔
$ f) T6 b7 w4 F* t; M$ c　　●双层导通孔
& |5 C+ r- w& w, n, H8 {6 l) k　　●通孔
* M! G" N4 u- n5 z* b+ N* |% {采用了柔性
4 W: n7 t( e2 C新的激光系统除了能够实施常用聚焦照射操作孔内，还可进行复杂的绘图操作，可用它切割出细线图形或用于埋入掩膜后的阻焊膜去除。几乎可以对任何形状的加工区域进行加工处理。
* ~* h5 q) X) \' Z  ^% c  \到目前为止，当阻焊膜上的缺陷仅是一些小毛病、无关紧要时，仅把激光烧蚀阻焊膜用于修复一些被损坏的焊盘，这样就不会使整个面板废掉，但是HDI技术要求开口尺寸和定位更精确一些，下图所示是在压力蒸汽测试和热循环后所形成的圆形和方形的阻焊膜开口及横截面。速度每秒可达100多个焊盘，对于BGA和FC，每个IC上128个焊盘的成本约0.5美分。
) G8 s! j5 M. m在绘制细线时，通过激光轨刻划出图形，如下图所示，激光轨的速度可达1000mm/s。激光烧蚀1im厚的锡后，宽度在15~25im之间。在绘制了锡图形后，对图形进行蚀刻，并保持激光的轨迹宽度的间距和蚀刻的副作用。对于厚度为12im的铜可以得到低于2mil/2mil的图形。
下图所示是2mil/2mil 结构的IC和MCM图形的扇出。直接绘制细线图形的应用受到了绘图速度的限制，如下图所示的扇出只需不到1秒，而在40×40mm的面积内一个完整图形的扇出就需要10到15秒。
结 论
UV激光系统为现有的CO2钻孔工具提供了一个补充解决方案。对于钻孔而言，短波长和小光点具有更大的柔性和更高的复杂性。UV激光的目标更多是为满足HDI的需求。与CO2性能相比，尤其是对于大孔，UV在产量上仍存在着差距，但是随着高功率和高频率的UV激光的发展，这种差别将越来越小。用UV激光生成导通孔的加工工序数将减少到一个单独的激光工序，并且所需的去钻污工序降到了最低限度。
UV系统除了主要的钻孔用途外，还可用来直接绘图和精密的烧蚀阻焊膜。这就为UV激光提供了附加值。
0 ^2 s) a3 e5 Y/ l8 X3 p( ?对产量，改善UV激光系统仍有足够的空间。较小的脉冲宽度，高频、较高的功率和高速伺服运行都将增加生产率，而且在不久的将来，作为一个完善的工具，市场将会越来越广泛地接受UV激光系统。
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