紀龍江

（大連崇達電路有限公司，大連 116600）

1 前言

隨著PCB技術水平的不斷提高和大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的廣泛應用，對于大量HDI電路中的埋/盲孔，普通機械數(shù)控鉆床不能滿足要求，必須采用激光鉆孔加工技術。目前業(yè)界激光鉆孔加工普遍使用CO2激光鉆孔機，CO2激光鉆孔是熱燒蝕工藝原理。然而，由于CO2激光能量受脈沖周期、脈沖波形、脈沖寬度、PCB表面處理工藝、激光發(fā)射器狀態(tài)、激光孔的類別/結(jié)構、PCB介質(zhì)層材質(zhì)、厚度、包括環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，孔底樹脂殘留、孔形異常、孔底銅箔擊穿、孔壁玻璃絲布突起等一系列品質(zhì)問題隨之而來，這其中，以“擊穿爆孔”問題最為突出、危害最大?，F(xiàn)主要針對擊穿爆孔的問題展開技術研究與改善。

2 激光成孔簡介

2.1 激光定位原理

如下圖1所示，由激光振動器發(fā)射出來的激光在經(jīng)過整形變徑處理后，通過光學系統(tǒng)折射至工件表面一定范圍的加工區(qū)域內(nèi)。在此區(qū)域內(nèi)，電流計式反射鏡能夠在伺服電機的驅(qū)動下，根據(jù)程序中孔的XY位置指令，左右旋轉(zhuǎn)以達到指定位置角度，形成閉環(huán)控制。而機械伺服臺面需要根據(jù)程序指令需求，以50 m/min ～ 60 m/min的速度提前快速移動至指定的加工區(qū)域范圍內(nèi)等待激光鉆孔，在激光鉆孔的過程中，只有當區(qū)域內(nèi)的孔全部加工完畢后，機械伺服臺面才能移動到下一個區(qū)域繼續(xù)加工。激光數(shù)控鉆床的定位系統(tǒng)由光學定位與機械定位組合而成，機械伺服系統(tǒng)的定位原理與機械數(shù)控鉆床相同。

圖1 激光數(shù)控鉆床定位原理示意圖

2.2 激光成孔原理

利用紅外激光特有的熱效應及直線特性，使用CO2氣體在增加功率及維持放電時間下，產(chǎn)生9 400 nm ～ 10 600 nm的脈沖式紅外激光，該激光能夠穿透樹脂/玻璃絲布等有機物質(zhì)層表面達到其內(nèi)部，介質(zhì)層樹脂/玻璃絲布有強烈吸收紅外線波長而提高能量的特性，最終被燒灼形成連通性盲孔。下圖2所示為幾種常見激光孔類型。

圖2 激光孔類型

說明：

圖2（1）：Largewindow 1階激光孔，光束直徑與成品孔徑相同，天窗徑大于光束直徑20 μm ～ 30 μm。

圖2（2）：Conformal 1階激光孔，業(yè)界加工能力一般φ75 μm ～ φ300μm。

圖2（3）：Conformal 2階激光孔，外層天窗徑一般可以做到φ150 μm ～ φ300 μm，次外層窗徑一般可以做到φ120 μm ～ φ220 μm，激光鉆孔一般采用11模式加工。

圖2（4）：LDD 1階激光孔，不需要開天窗，可直接成孔。

2.3 加工模式介紹

激光鉆孔加工模式主要有以下2種，如下圖3所示。

圖3 激光鉆孔加工模式

說明：

圖3（1）：逐孔加工法，該方法一般適用于介質(zhì)層在100μm以內(nèi)，孔徑≤φ150 μm的激光孔。

圖3（2）：逐循環(huán)加工法，即在加工區(qū)域內(nèi)，先每個孔加工1shot，然后每個孔再增加1shot……，該方法適用于介質(zhì)層厚度在100 μm以上，孔徑大于φ150 μm的激光孔。

2.4 光束模式介紹 (圖4)

圖4 光束模式

說明：

激光鉆孔加工過程中，光波時域方面的波長和空域方面的模式對其能量密度分布起著主要的影響，根據(jù)郎伯-比爾定律：

式中：I0，——入射光及通過樣品后的透射光強度；

A——吸光度（absorbance）舊稱光密度（optical density）；

C——樣品濃度；

d——光程；

k——光被吸收的比例系數(shù)；

T——透射比，即透射光強度與入射光強度之比。

其物理意義是，當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時, 其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度d成正比。激光鉆孔過程中激光能量密度會隨著孔深的增加而衰減，G模式與T模式能量在加工不同孔徑時會有較明顯不同的效果，在實際生產(chǎn)過程中要注意選擇與應用，一般情況下，G模式主要用來加工φ150 μm以下小孔，T模式激光主要用來加工φ150 μm以上大孔。

2.5 激光種類

PCB生產(chǎn)用得多的是UV激光和CO2激光。UV激光因其波長短、能量高，在加工過程中無需要對印制板進行表面處理就能用光化學裂蝕的方式打斷基材物質(zhì)中的化學鍵，使基材分解。但是其加工時間長，不能大量的生產(chǎn)，因此，很多廠家傾向于運用CO2進行微盲孔的加工，CO2鉆孔速度快、成本低、效率高，在短時間內(nèi)可以處理大量的板件。

3 2階激光孔加工存在問題分析

3.1 何為二階激光孔

圖5 2階激光孔

如圖5所示，二階激光孔一般要具備并滿足以下技術條件，具體如圖中：

φd：外層孔底直徑，一般不小于70%φD。

φd1：次外層孔底直徑，一般不小于70%φD1。

φD：外層孔頂直徑，一般150 μm ～ 300 μm。

φD1：次外層孔頂直徑，一般120 μm ～ 220 μm。

H：介質(zhì)層厚度，含銅厚

h1：介質(zhì)層厚度

h2：次外層介質(zhì)層厚度

二階激光鉆孔類型一般常見于8層以上（含）HDI板中，其最顯著的特征就是2層疊孔在激光鉆孔時一次加工成形，與傳統(tǒng)的疊孔分2次激光鉆孔工藝相比，具有工藝流程簡單、加工速度快等優(yōu)點。

3.2 二階激光孔“爆孔”問題的探究

圖6 二階激光孔“爆孔”

圖6（1）為正常的二階激光孔加工效果，圖6（2）、圖6（3）為實際生產(chǎn)中發(fā)生的2階激光孔爆孔與底銅擊穿、孔形異常的問題。這種缺陷具有很大隱蔽性、危害性，目前所采用的切片或目視檢測的方法很難被及時發(fā)現(xiàn)，當?shù)诫姕y工序被發(fā)現(xiàn)時已直接導致產(chǎn)品廢棄。

3.3 分析產(chǎn)生原因

問題發(fā)生后，根據(jù)每個缺陷孔所在整個生產(chǎn)板的位置對應找到激光鉆孔程序的BLOCK區(qū)域位置。

經(jīng)過大量缺陷孔位置的確認與切片分析，我們發(fā)現(xiàn)所有的缺陷孔均發(fā)生在孤立的BCLOCK區(qū)域，孔類型均為2階激光孔，缺陷板所用的加工參數(shù)如下表1所示。

根據(jù)以上調(diào)查分析，基本可以確定是由于激光能量過大導致的爆孔、擊穿問題，但是除僅有孤立孔的BLOCK區(qū)域外，其它區(qū)域的激光孔都沒有發(fā)現(xiàn)異常。通過進一步的分析得知，所有激光鉆孔的生產(chǎn)板均需要通過激光鉆床的程序轉(zhuǎn)換軟件對原程序進行轉(zhuǎn)換，并將整個有效圖形按預先設定區(qū)域大小分割成多個單獨加工的BLOCK，激光槍對每個BLOCK內(nèi)的所有激光孔間進行逐循環(huán)加工，使用的是逐循環(huán)加工模式，當BLOKC區(qū)域內(nèi)只有1個激光孔時，則激光鉆床會在非常短的時間內(nèi)完成加工，如圖7所示。

表1 二階激光孔加工參數(shù)

圖7 逐循環(huán)激光加工模式

2階激光孔一般需要重復激光擊打14～20shot左右，若BLOCK內(nèi)設計孤立激光孔，則每次循環(huán)擊打的延遲時間變短，即單位時間內(nèi)孤立激光孔所受到的激光能量過高，孔底銅持續(xù)過熱導致激光擊穿、爆孔等問題發(fā)生。

3.3 采取措施改善

根據(jù)上面分析原因，再次使用相同加工參數(shù)對BLOCK內(nèi)不同孔數(shù)的加工效果進行確認。實驗結(jié)果：隨著BLOCK內(nèi)孔數(shù)的增加，激光孔形有明顯改善，當孔數(shù)超過4個以上時，激光孔形狀態(tài)達到正常水平，由此可以證明，在材料、加工參數(shù)、激光能量、孔類別一定的前提下，BLOCK內(nèi)激光孔的數(shù)量對激光孔質(zhì)量有直接影響，如何通過過程管理避免出現(xiàn)BLOCK內(nèi)出現(xiàn)孤立孔的情況成為必然。

針對上面原因分析與效果確認，采取以下措施應對：

（1）首先在產(chǎn)品投產(chǎn)前對激光鉆孔程序進行識別，如果發(fā)現(xiàn)有4個以下激光孔的BLOCK區(qū)域存在時，要及時進行調(diào)整，以保證BLOCK內(nèi)激光孔的數(shù)量大于4。目前，我們通過自主研發(fā)的激光鉆床孤立孔識別軟件（該軟件獲得國家軟件著作權）對以上過程進行確認，最后根據(jù)查詢結(jié)果相應位置予以確認；

（2）通過激光技術手段調(diào)整激光鉆孔程序，在有孤立孔的BLOCK區(qū)域內(nèi)增加非功能激光孔，用以分散激光能量；

（3）對調(diào)整后的激光鉆孔程序進行再次轉(zhuǎn)換確認；

（4）對首件板的調(diào)整后的BLOCK區(qū)域內(nèi)的激光孔加工效果進行重點確認；

（5）確認無異常后量產(chǎn)。

4 結(jié)論

以上是我們在二階激光鉆孔加工技術方面所積累的一點心得與體驗，并且通過我們的努力目前為止已徹底解決二階激光孔在實際生產(chǎn)過程中存在的各種問題，使產(chǎn)品質(zhì)量得到穩(wěn)步的提升與發(fā)展，并且針對此類爆孔、擊穿問題的具體成因及措施，我們已經(jīng)形成一套行之有效的管理體系與作業(yè)規(guī)范，確保不會再有類似問題發(fā)生。

從現(xiàn)有的加工技術看，激光技術在印制電路板加工中具有廣闊的開發(fā)前景，如何利用激光技術、提升產(chǎn)品質(zhì)量，將會成為PCB加工在高密度化趨勢下發(fā)展的研究熱點。

[1]韓榮第,周明. 金屬切削原理與刀具, 哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997,4.

[2]李旦,王廣林,李益民. 機械制造工藝學, 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 1997,10.

[3]胡友作等. CO2激光鉆撓性板盲孔工藝參數(shù)的優(yōu)化, 印制電路信息, 2012,4.

[4]黃雨新等. 激光在印制電路板制造中應用的新進展, 印制電路信息, 2012,4.