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紫外UV激光加工FPC钻盲孔技术


UV紫外激光加工多层FPC钻盲孔技术研究分析

FPC多层线路板钻盲孔技术采用哪种工艺更为有效,下面就UV紫外激光技术以及CO2激光两种激光钻盲孔的方法加以实验论证

紫外激光由于波长短,聚焦光斑小,能量密度高,能直接熔化和蒸发材料,无需采用其它方法就可直接对铜层和绝缘材料进行加工,因而相对于CO2激光加工具有工艺程序简单、流程短和效率高的优势,在薄型高密度的微孔板特别是在叠层多芯片组件的高密度互连板和具有埋、盲孔结构的高密度互连多层板中得到广泛应用。


利用紫外激光进行多层FPC钻盲孔的难点在于盲孔深度的控制和盲孔底部表面绝缘材料完全去除一致性,采用传统同心圆扫描或螺旋线扫描方法进行加工在微盲孔中心区域容易出现绝缘材料去除不干净或者造成内层铜箔剥离等问题。

本文章为此提出了创新的定点一同心圆扫描结合加工方式,解决了传统直接采用同心圆扫描或螺旋线扫描钻盲孔加工方法中盲孔底部表面高度不均匀的问题。

 

随着电子产品向着小型化、轻型化和功能多样化以及高效化趋势不断发展,同时半导体集成电路的集成度不断提高,速度不断加快,对PCB密度要求也不断提高,使得PCB上的导线越来越细,微孔也越来越小。当印制板上需要大量直径小于200μm的小孔时,传统机械数控钻孔,由于钻头太细,故障率大大提高。对于孔径小于100μm的盲孔加工,数控钻孔已经无能为力,激光钻孔几乎成了唯一的选择。  激光钻盲孔主要集中在采用CO2激光和紫外激光两种方法,这两种方法约占到微孔加工的85%左右。CO2激光常用于加工PCB板中的树脂和PI等非金属材料,但由于材料吸收率低无法直接对铜层进行加工。盲孔加工前须对表面铜层进行“黑化”处理或采用紫外激光开窗口,工艺流程长而复杂,制作成本高。并且,由于基板材料涨縮和图像转移所采用的底片变形,可能产生窗口位置偏差,影响加工精度。此外,CO2激光以热加工形式去除高分子聚合物材料,无法避免烧焦碳化现象,加工质量较差,严重时可能引起短路。而紫外激光波长短,聚焦光斑小,能量密度高,能直接熔化和蒸发铜层和树脂或PI绝缘材料,无需采用其它方法就可直接对铜层和绝缘材料进行加工,去除铜层和绝缘材料形成小孔,使钻孔直径降到30μm以下,具有工艺程序简单、流程短和效率高的优势,在薄型高密度的微孔板特别是在叠层多芯片组件(MCM-L)的高密度互连(HDI)板和具有埋、盲孔结构的高密度互连多层板中得到广泛应用。      目前,紫外激光钻盲孔的方法主要有如下三种:定点脉冲(包含单脉冲或多脉冲钻孔、螺旋线扫描和同心圆扫描钻盲孔方法。激光定点脉冲钻孔方法主要应用于盲孔直径尺寸不大于紫外激光聚焦光斑尺寸的钻盲孔方法。对于孔径尺寸大于激光聚焦光斑的盲孔,则必须釆用螺旋线或同心圆扫描钻盲孔方法,即紫外激光束从加工盲孔的圆心出发,分别以螺旋线或同心圆轨迹,按照设定的扫描间距向外运动,扫描整个加工孔径以去除表面铜层和绝缘层的材料形成盲孔。      利用紫外激光进行多层FPC钻盲孔的难点在于盲孔深度的控制和盲孔底部表面绝缘材料完全去除一致性,采用传统同心圆扫描或螺旋线扫描方法进行加工在微盲孔中心区域容易出现绝缘材料去除不干净或者造成内层铜箔剥离等问题。

本章针对现有钻盲孔加工方式的不足提出了创新的定点一同心圆扫描结合加工方式,解决了传统直接采用同心圆扫描或螺旋线扫描钻盲孔加工方法中盲孔底部表面高度不均匀的问题。并结合PI和铜材料的单脉冲刻蚀率公式和扫描光斑等效脉冲数公式,给出了采用定点一同心圆扫描结合方式加工FPC盲孔时激光脉冲能量密度、激光频率、扫描速度、同心圆扫描间距与材料厚度之间的关系式。根据该关系式对多层FPC钻一阶盲孔参数进行了优化,获得了底部整洁光泽,锥度小,结构理想的盲孔。 2 材料特性      实验中所用材料为PI覆盖膜(厚度100μm)、紫铜箔(厚度37μm)和某公司生产的4FP。其中4FPC板的剖面结构包含压延铜层(厚度18μm)PI绝缘层(厚度12.5μmPI粘结层(厚度10μm15μm两种),去除材料为表面18μm铜层和一、二层铜之间的50μmPI材料(包含绝缘层和粘结层)。铜、PI的物理特性参数如表4-1所示,可见这两种材料的比热容和导热系数等热物理性质差别非常大,因此给多层FPC的微加工带来一定难度。 3 定点一同心圆扫描结合钻盲孔方式 (a)定点一同心圆扫描盲孔加工的方法

 

 

定点一同心圆扫描结合一阶盲孔加工的具体加工过程:第一步采用定点紫外激光脉冲钻盲孔方式对中心区域进行处理,去除圆心周围区域激光光斑直径范围内的

第一铜层材料和部分第一绝缘层材料;

第二步采用紫外激光同心圆扫描方式向外运动,去除外围区域的第一铜层和部分第一绝缘层材料,直到设定的盲孔直径为止;

第三步采用定点紫外激光脉冲钻盲孔方式去除中心区域剩余的第一层绝缘材料;

四步采用紫外激光同心圆扫描方式向外运动去除外围区域剩佘的第一层绝缘层材料,改进后的钻孔方式示意图如图

1

   

 

  1 定点一同心圆扫描盲孔加工步骤  (b)紫外激光定点一同心圆扫描结合方式钻孔结果      2-1所示为实验所用FPC材料一阶盲孔的理论结果和实验结果对比。通过实验确定去除铜层的定点脉冲钻孔个数为9,略小于理论值9.7,原因在于计算理论值时未考虑多脉冲加工的温度累积以及金属材料高温下吸收率的提高,因此理论值偏大。在去除绝缘材料PI时,尽管部分PI以蒸发形式排出孔外,但孔底由“冷”加工形成的微细颗粒和热作用形成的熔融材料仍难以去除。为保证孔底绝缘材料去除干净,经过实验得到去除PI脉冲定点钻孔所需的个数为25,高于理论值21.1  此外,表1中计算得到的扫描去除铜的扫描间距实验值小于理论值,其原因是计算等效光斑数时假设光斑大小范围内能量密度平均,而实际光斑能量分布为高斯分布,因此光斑親合部分的激光能量理论值比实际值偏大,圆周方向理论等效光斑数偏大,推导出的光斑直径方向的等效光斑数理论值偏小。虽然能量分布误差造成的直接影响使得直径方向等效光斑数理论值偏大,但由于圆周方向的光斑重叠率比直径方向重叠率高很多,因此圆周方向误差的影响占主要地位,综合影响使得光斑直径方向的等效光斑数理论值偏小,造成扫描间距理论值偏大。而扫描去除PI的扫描间距实验值小于理论值,其原因是盲孔底部较表面深约70μm,激光离焦后光斑直径增加,激光能量密度降低。经过计算可知当光斑直径增加50%时,N 定点 增加 24.72%N圆周增加41.83%,可见综合各因素影响后N径向下降12.1%,可算得此时理论扫描间距为8.14μm与实验值更为接近。


采用传统同心圆扫描方式钻孔结果如图2(a)所示,靠近圆心的位置激光作用范围小,能量集中,刻蚀深度比远离圆心的范围大,工艺参数很难控制,容易出现将第二层铜刻穿与下一铜层连接或者中心区域绝缘材料未去除干净等现象。利用改进后的定点一同心圆扫描结合方法加工盲孔的显微照片如图2(b)所示,可见微孔中心没有过蚀发黑区域,孔底中心区域干净平整。



 图3(a)所示为紫外激光加工FPC—阶盲孔的SEM图,可以看到,中心没有加工过深的问题也没有明显的扫描刻槽,底部整洁光泽,锥度小,结构理想。图3(b)所示为盲孔三维扫描图,盲孔入口处有一圈重熔层,最高处距离表面为13.36μm。图3(c)所示为盲孔剖面二维轮廓图。从检测结果可知,盲孔底面最大高度差为7.16μm3(c)B区域为重铸层粗槌度检测区域,其值为0.89μmA区域为孔底粗糙度检测区域,其值为1.06μm符合电子行业要求。


 

      (a)盲孔底部形貌图         (b)盲孔三维扫描轮廊图     (c)育孔剖面二维轮廊图  3紫外激光定点一同心圆扫描结合方式钻FPC盲孔形貌和轮廓扫描照片

  

3 总结     

1)定点一同心圆扫描结合加工方式解决了直接采用同心圆扫描或螺旋线扫描钻盲孔加工方法中盲孔底部表面高度不均匀的问题。 

2)通过对多层FPC钻一阶盲孔参数进行优化设置,可以获得底部整洁光泽,锥度小,结构理想的盲孔(直径200μm),测得盲孔底面最大高度差为7.16μm,孔底表面粗糙度Ra1.06μm,符合电子行业要求。 

 4 参考文献  [1]  邵丹,胡兵(拓普银激光CEO),郑启光编著. 激光先进制造技术与设备集成。(第一版).北京:科学出版社,  2009 

 [2]  俞君,曾智江,朱三根等. 紫外激光在微细加工技术中的优势研究. 红外,200829(6)  9~13 

 [3]  张菲,段军,曾晓雁,李祥友.355nm紫外激光器加工多层柔性线路板盲孔. 红外与激光工  程,2010 39(1)143-146 

 [4]  郑启光. 激光先进制造技术[M]. 武汉:华中科技大学出版社,2002.  

[5]  张菲,段军,曾晓雁,李祥友. 355nm紫外激光器加工多层柔性线路板盲孔. 红外与激光工       程,2010 39(1)143-146 

 [6]  张菲,曾晓雁,李祥友,段军. 355nm1064nm全固态激光器刻蚀印刷线路板. 中国激光, 200835(10)1637-1643

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