HDI产品之激光钻孔工艺介绍及常见问题解决
随着微电子技术的飞速发展，大规模和超大规模集成电路的广泛应用，微组装技术的进步，使印制电路板的制造向着积层化、多功能化方向发展，使印制电路图形导线细、微孔化窄间距化，加工中所采用的机械方式钻孔工艺技术已不能满足要求而迅速发展起来的一种新型的微孔加工方式即激光钻孔技术。
一 激光成孔的原理
激光是当“射线”受到外来的刺激而增加能量下所激发的一种强力光束，其中红外光和可见光具有热能，紫外光另具有光学能。此种类型的光射到工件的表面时会发生三种现象即反射、吸收和穿透。
透过光学另件击打在基材上激光光点，其组成有多种模式，与被照点会产生三种反应。
激光钻孔的主要作用就是能够很快地除去所要加工的基板材料，它主要靠光热烧蚀和光化学烧蚀或称之谓切除。
(1)光热烧蚀：指被加工的材料吸收高能量的激光，在极短的时间加热到熔化并被蒸发掉的成孔原理。此种工艺方法在基板材料受到高能量的作用下，在所形成的孔壁上有烧黑的炭化残渣，孔化前必须进行清理。
(2)光化学烧蚀：是指紫外线区所具有的高光子能量(超过2eV电子伏特)、激光波长超过400纳米的高能量光子起作用的结果。而这种高能量的光子能破坏有机材料的长分子链，成为更小的微粒，而其能量大于原分子，极力从中逸出，在外力的掐吸情况之下，使基板材料被快速除去而形成微孔。因此种类型的工艺方法，不含有热烧，也就不会产生炭化现象。所以，孔化前清理就非常简单。
以上就是激光成孔的基本原理。目前最常用的有两种激光钻孔方式：印制电路板钻孔用的激光器主要有RF激发的CO2气体激光器和UV固态Nd：YAG激光器。
(3)关于基板吸光度：激光成功率的高低与基板材料的吸光率有着直接的关系。印制电路板是由铜箔与玻璃布和树脂组合而成，此三种材料的吸光度也因波长不同有所不同但其中铜箔与玻璃布在紫外光0．3mμ以下区域的吸收率较高，但进入可见光与IR后却大幅度滑落。有机树脂材料则在三段光谱中，都能维持相当高的吸收率。这就是树脂材料所具有的特性，是激光钻孔工艺流行的基础。
二 CO2激光成孔的不同的工艺方法
CO2激光成孔的钻孔方法主要有直接成孔法和敷形掩膜成孔法两种。所谓直接成孔工艺方法就是把激光光束经设备主控系统将光束的直径调制到与被加工印制电路板上的孔直径相同，在没有铜箔的绝缘介质表面上直接进行成孔加工。敷形掩膜工艺方法就是在印制板的表面涂覆一层专用的掩膜，采用常规的工艺方法经曝光/显影/蚀刻工艺去掉孔表面的铜箔面形成的敷形窗口。然后采用大于孔径的激光束照射这些孔，切除暴露的介质层树脂。现分别介绍如下：
(1)开铜窗法：
首先在内层板上复压一层RCC(涂树脂铜箔)通过光化学方法制成窗口，然后进行蚀刻露出树脂，再采用激光烧除窗口内基板材料即形成微盲孔：
当光束经增强后通过光圈到达两组电流计式的微动反射扫描镜，并经一次垂直对正(Fθ 透镜)而达到可进行激动的台面的管区，然后再逐一烧成微盲孔。
在一英寸见方的小管区内经电子快束这定位后，对0.15mm的盲孔可连打三枪成孔。其中第一枪的脉冲宽度约为15μs，此时提供能量达到成孔的目的。后再枪则利用来清理孔壁孔底的残渣和修正孔。
激光能量控制良好的0.15mm微盲孔的SEM横断面及45度的全图，此种开窗口的成孔工艺方法，当底垫(靶标盘)不大时又需大排版或二阶盲孔时，其对准度就比较困难。
(2)开大窗口工艺方法：
前一种工艺方法成孔的直径与所开的铜窗口相同，如果操作稍有不慎就会使所开窗口的位置产生偏差，导致成孔的盲孔位置走位致使与底垫中心失准的问题产生。该铜窗口的偏差产生的原因有可能是基板材料涨缩和图像转移所采用的底片变形有关。所以采取开大铜窗口的工艺方法，就是将铜窗口直径扩大到比底垫还大经 0.05mm左右(通常按照孔径的大小来确定，当孔径为0.15mm时，底垫直径应在0．25mm左右，其大窗口直径为0．30mm)然后再进行激光钻孔，即可烧出位置精确对准底垫的微盲孔。其主要特点是选择自由度大，进行激光钻孔时可选择另按内层底垫的程式去成孔。这就有效的避免由于铜窗口直径与成孔直径相同时造成的偏位而使激光点无法对正窗口，使批量大的大拚板面上会出现许多不完整的半孔或残孔的现象。
(3)树脂表面直接成孔工艺方法
采用激光成孔有几种类型的工艺方法进行激光钻孔：
A．基板是采用在内层板上层压涂树脂铜箔，然后将铜箔全部蚀刻去掉，就可采用CO2激光在裸露的树脂表面直接成孔，再继续按照镀覆孔工艺方法进行孔化处理。
B．基板是采用FR-4半固化片和铜箔以代替涂树脂铜箔的相类似制作工艺方法。
C．涂布感光树脂后续层压铜箔的工艺方法制作。
D．采用干膜作介质层与铜箔的压贴工艺方法制作。
E.涂布其它类型的温膜与铜箔覆压的工艺方法来制作。
4)采用超薄铜箔的直接烧蚀的工艺方法
内层芯板两面压贴涂树脂铜箔后，可采用“半蚀方法”将铜箔厚度17m经蚀刻后减薄到5微米，然后进行黑氧化处理，就可采用CO2激光成孔。
其基本原理就是经氧化处理成黑的表面会强烈吸光，就会在提高CO2激光的光束能量的前提下，就可以直接在超薄铜箔与树脂表面成孔。但最困难的就是如何确保 “半蚀方法”能否获得厚度均匀一致的铜层，所以制作起来要特别注视。当然可采用背铜式可撕性材料(UTC)，铜箔相当簿约5微米。
根据这种类型的板加工，目前在工艺上主要采取以下几个方面：
这主要对材料供应商提出严格的质量和技术指标，要确保介质层的厚度的差异在510μm之间。因为只有确保涂树脂铜箔基材的介质厚度的均匀性，在同样的激光能量的作用下，才能确保孔型的准确性和孔底部的干净。同时还需要在后续工序中，采用最佳的除钻污工艺条件，确保激光成孔后盲孔底部的干净无残留物。对盲孔化学镀和电镀层的质量会产生良好的作用。
三 Nd：YAG激光钻孔工艺方法
Nd： YAG是钕和钇铝柘榴石。两种固态晶体共同激发出的UV激光。最近多采用的二极管脉冲激励的激光束，它可以制成有效的激光密封系统，不需要水冷。这种激光三次谐波波长为355纳米(nm)、四次谐波波长为266纳米(nm)，波长是由光学晶体调制的。
这种类型的激光钻孔的最大特点是属于紫外光(UV)谱区，而覆铜箔层压板所组成的铜箔与玻璃纤维在紫外光区域内吸光度很强，加上此类激光的光点小能量大，故能强力的穿透铜箔与玻璃布而直接成孔。由于上种类型的激光热量较小，不会象CO2激光钻孔后生成炭渣，对孔壁后续工序提供了很好的处理表面。
Nd：YAG激光技术在很多种材料上进行徽盲孔与通孔的加工。其中在聚酰亚胺覆铜箔层压板上钻导通孔，最小孔径是25微米。从制作成本分析，最经济的所采用的直径是25125微米。钻孔速度为10000孔/分。可采用直接激光冲孔工艺方法，孔径最大50微米。其成型的孔内表干净无碳化，很容易进行电镀。同样也可在聚四氟乙烯覆铜箔层压板钻导通孔，最小孔径为25微米，最经济的所采用的直径为25125微米。钻孔速度为4500孔／分。不需预蚀刻出窗口。所成孔很干净，不需要附加特别的处理工艺要求。还有其它材料成型孔加工等。具体加工中可采用以下几种工艺方法：
(1)根据两类激光钻孔的速度采取两种并用的工艺方法
基本作业方法就是先用YAG把孔位上表面的铜箔烧蚀，然后再采用速度比YAG钻孔快的CO2激光直接烧蚀树脂后成孔。
四 实际生产中产生的质量问题
激光钻孔过程中，产生的质量问题比较多，不准备全面讲述，只将最易出现的质量问题提出供同行参考。
(1)开铜窗法的CO2激光钻孔位置与底靶标位置之间失准
在激光钻孔中，光束定位系统对于孔径成型的准确性极关重要。尽管采用光束定位系统的精确定位，但由于其它因素的影响往往会产生孔形变形的缺焰。生产过程中产生的质量问题，其原因分析如下：
1．制作内层芯板焊盘与导线图形的底片，与涂树脂铜箔(RCC)增层后开窗口用的底片，由于两者都会因为湿度与温度的影响尺寸增大与缩小的潜在因素。
2．芯板制作导线焊盘图形时基材本身的尺寸的涨缩，以及高温压贴涂树脂铜箔(RCC)增层后，内外层基板材料又出现尺寸的涨缩因素存在所至。
3．蚀刻所开铜窗口尺寸大小与位置也都会产生误差。
4．激光机本身的光点与台面位移之间的所造成的误差。
5．二阶盲孔对准度难度就更大，更易引起位置误差。
根据上述原因分析，根据生产所掌握的有关技术资料与实际运作过程的经验，主要采取的工艺对策有以下几个方面：
1．采取缩小排版尺寸，多数厂家制作多层板排版采取450×600或525×600(mm)。但对于加工导线宽度为0．10mm与盲孔孔径为0．15mm的手机板，最好采用排版尺寸为350×450(mm)上限。
2.加大激光直径：目的就是增加对铜窗口被罩住的范围。其具体的做法采取“光束直径＝孔直径+90~100μm。能量密度不足时可多打一两枪加以解决。
3．采取开大铜窗口工艺方法：这时只是铜窗口尺寸变大而孔径却未改动，因此激光成孔的直径已不再完全由窗口位置来决定，使得孔位可直接根据芯板的上的底垫靶标位置去烧孔。
4．由光化学成像与蚀刻开窗口改成YAG激光开窗法：就是采用YAG激光光点按芯板的基准孔首先开窗口，然后再用CO2激光就其窗位去烧出孔来，解决成像所造成的误差。
5．积层两次再制作二阶微盲孔法：当芯板两面各积层一层涂树脂铜箔(RCC)后，若还需再积层一次RCC与制作出二阶盲孔(即积二)者，其“积二”的盲孔的对位，就必须按照瞄准“积一”去成孔。而无法再利用芯板的原始靶标。也就是当“积一”成孔与成垫时，其板边也会制作出靶标。所以，“积二”的RCC压贴上后，即可通过X射线机对“积一”上的靶标而另钻出“积二”的四个机械基准孔，然后再成孔成线，采取此法可使“积二”尽量对准“积一”。
2．孔型不正确
根据多次生产经验积累，主要因为所采用的基材成型所存在的质量问题，其主要质量问题是涂树脂铜箔经压贴后介质层的厚度难免有差异，在相同钻孔的能量下，对介质层较薄的部分的底垫不但要承受较多的能量，也会反射较多的能量，因而将孔壁打成向外扩张的壶形。这将对积层多层板层间的电气互连品质产生较大的影响。
由于孔型不正确，对积层多层印制电路板的高密度互连结构的可靠性会带来一系列的技术问题。
所以，必须采用工艺措施加以控制和解决。主要采用以下几种工艺方法：
(1)严格控制涂树脂铜箔压贴时介质层厚度差异在510μm之间。
(2)改变激光的能量密度与脉冲数(枪数)，可通过试验方法找出批量生产的工艺条件。
(3)孔底胶渣与孔壁的破渣的清除不良。
这类质量问题最容易发生，这是由于稍为控制不当就会产生此种关型的问题。特别是对于处理大拚版上多孔类型的积层板，不可能百分之百保证无质量问题。这是因为所加工的大排板上的微盲孔数量太多(平均约6~9万个孔)，介质层厚度不同，采取同一能量的激光钻孔时，底垫上所残留下的胶渣的厚薄也就不相同。经除钻污处理就不可能确保全部残留物彻底干净，再加上检查手段比较差，一旦有缺陷时，常会造成后续镀铜层与底垫与孔壁的结合力。