激光钻孔技术介绍

　　雷射成孔的商用机器，市场上大体可分为：紫外线的Nd：YAG雷射机（主要供应者为美商ESI公司）；红外线的CO2雷射机（最先为Lumonics，现有日立、三菱、住友等）；以及兼具UV/IR之变头机种（如Eecellon之2002型）等三类。前者对3mil以下的微孔很有利，但成孔速度却较慢。次者对4~8mil的微盲孔制作最方便，量产速度约为YAG机的十倍，后者是先用YAG头烧掉全数孔位的铜皮，再用CO2头烧掉基材而成孔。若就行动电话的机手机板而言，CO2雷射对欲烧制4~6mil的微盲孔最为适合，症均量产每分钟单面可烧出6000孔左右。至於速度较的YAG雷射机，因UV光束之能量强且又集中故可直接打穿铜箔，在无需“开铜窗”（Conformal Mask）之下，能同时烧掉铜箔与基材而成孔，一般常用在各式“对装载板”（Package Substrste）4mil以下的微孔，若用於手机板的4~6mil微孔似乎就不太经济了。以下即就雷射成孔做进一进步的介绍与讨论。
　　1．    雷射成孔的原理
　　雷射光是当：“射线”受到外来的刺激，而增大能量下所激发的一种强力光束，其中红外光或可见光者拥有热能，紫外光则另具有化学能。射到工作物表面时会发生反射（Refliction）吸收（Absorption）及穿透（Transmission）等三种现象，其中只有被吸收者才会发生作用。而其对板材所产生的作用又分为热与光化两种不同的反应，现分述於下：
　　1．1    光热烧蚀Photothermal Ablation
　　是指某雷射光束在其红外光与可见光中所夹帮的热能，被板材吸收后出现熔融、气化与气浆等分解物，而将之去除成孔的原理，称为“光热烧蚀”。此烧蚀的副作用是在孔壁上的有被烧黑的炭化残渣渣（甚至孔缘铜箔上也会出现一圈高熟造成的黑氧化铜屑），需经后制程Desmear清除，才可完成牢固的盲孔铜壁。
　　1．2    光化裂蚀Photochemical Ablation
　　是指紫外领域所具有的高光子能量（Photon Energy），可将长键状高分子有机物的化学键（Chemical Bond）予以打断，於是在众多碎粒造成体积增大与外力抽吸之下，使板材被快速移除而成孔。本反应是不含熟烧的“冷作”（Cold Process），故孔壁上不至产生炭化残渣。
　　1．3    板材吸光度
　　由上可知雷射成孔效率的高低，与板材的吸光率有直接关系。电路板板材中铜皮、玻织布与树脂三者的吸收度，民因波长而有所不同。前二者在UV 0.3mu以下区域的吸收率颇高，但进入可见光与IR后即大幅滑落。至於有机树脂则在三段光谱中，都能维持於相当不错的高吸收率。
　　1．4    脉冲能量
　　实用的雷射成孔技术，是利用断续式（Q-switch）光束而进行的加工，让每一段光敕 （以微秒us计量）以其式（Pulse）能量打击板材，此等每个Pulse（可俗称为一枪）所拥有的能量，又有多种模式（Mode），如单光束所成光点的GEMOO单束光点的能量较易聚焦集中故多用於钻孔。多束光点不但还需均匀化且又不易集中成为小光点，一般常用於雷射直接成像技术（LDI）或密贴光罩（Contact Mask）等制程。
　　1．5    精确定位系统
　　1.5.1    小管区式定位
　　以“日立微孔机械”公司（Hitachi via Machine，最近由“日立精工”而改名）之RF/CO2钻孔机为例，其定位法是采“电流计式反射镜”（Galvanometer and Mirro）本身的X.Y.定位，加上机种台之XY台面（XY Table）定位等两种系统合作而成。后者是将大板面划分成许多小“管区”（最大为50mm见方，一般为精确起见多采用30mm见方），工作中可XY移动台面以交换管区。前者是在单一管区内，以两具Galvanometer的XY微动，将光点打到板面上所欲对准的靶位而成孔。当管区内的微孔全部钻妥后，即快速移往下一个管区再继续钻孔。
　　所谓的Galvanometer是一种可精确微动±20°以下的铁制品，磁铁或线圈式所组合的直流马达，再装配上镜面即可做小角度的转动反射，而将雷射光束加以快速（2~4ms）折射而定位。但此种系统也有一些缺点，如：①所打在板面上的光束不一定都很垂直，多少会呈现一些斜角，因此还需再加一种“远心透镜”（Telecentric Lense）来改正斜光，使尽可能的垂直於孔位；②电流计式反射镜系统所能涵盖的区域不大，最多只能管到50mm*50mm，故还须靠XY Table来移换管区。其管区越小当然定位就越精准，但相对的也就牺牲了量产的时间；③大板面上管区的交接无法达到完全的天衣无缝，免不了会出现间隙或重叠等“接坏错误”（Abutment Errors），对高密度布孔的板子可能会发生漏钻孔或位失准等故障。此时可加装自动校正系统以改善管区的更换，或按布孔的密度而机动自行调整管区的大小与外形。
　　1.5.2    全板面定位
　　除了上述的“Galvo XY”与“小管区移换”式的定位外，还可将Galvo XY之镜面另装在一组“线性马达（Liner Motor）上，令其中做全板面的X向移动。别将台面加装线性马达而只做Y移动，如此将可免除接坏错误。此法与传统机械钻孔机的钻轴X左右移动，加上台面Y前后动的定位方式相同。此法可用於UV/YAG光束能较强者之定位，对线外线CO2光束能较弱者，则因其路径太长能量不易集中而反倒不宜。
　　2．    二氧化碳CO2雷射成孔的不同制程
　　2．1    开铜窗法Conformal Mask
　　是在内层Core板上先压RCC然后开铜窗，再以雷射光烧除窗内的基材即可完成微盲孔。详情是先做FR-4的内层核心板，使其两面具有已黑化的线路与底垫（Target Pad），然后再各压贴一张“背胶铜箔”（RCC）。此种RCC（Resin Coated Copper Foil）中之铜箔为0.5 OZ，胶层厚约80~100um（3~4mil）。可全做成B-stage，也可分别做成B-stage与C-stage等两层。后者於压贴时其底垫上（Garget Pad）的介质层厚度较易控制，但成本却较贵。然后利用CO2雷射光，根据蚀铜底片的座标程式去烧掉窗内的要树脂，即可挖空到底垫而成微盲孔。此法原为“日立制作所”的专利，一般业者若要出货到日本市场时，可能要小心法律问题。
　　2．2    开大铜窗法Large Conformal mask
　　上述之成孔孔径与铜窗口径相同，故一旦窗口位置有所偏差时，即将带领盲孔走位而对底垫造成失准（Misregistration）的问题。此等铜窗的偏差可能来自板材涨缩与影像转移之底片问题，大板面上不太容易彻底解决。
　　所谓“开大窗法”是将口径扩大到比底垫还大约2mil左右。一般若孔径为6mil时，底垫应在10miL左右，其大窗口可开到12mil。然后将内层板底垫的座标资料交给雷射使用，即可烧出位置精确对准底垫的微盲孔。也就是在大窗口备有余地下，让孔位获得较多的弹性空间。於是雷射光是得以另按内层底垫的程式去成孔，而不必完全追随窗位去烧制明知已走位的孔。
　　2．3    树脂表面直接成孔法
　　本法又可细分为几种不同的途径，现简述如下：
　　2.3.1    按前述RCC+Core的做法进行，但却不开铜窗而将全部铜箔咬光，若就制程本身而言此法反倒便宜。之后可用CO2雷射在裸露的树脂表面直接烧孔，再做PTH与化铜电铜以完孔与成线。由於树脂上已有铜箔积而所踩出的众多微坑，故其后续成垫成线之铜层抗撕强度（Peel Strength），应该比感光成孔（Photo Via）板类靠高锰酸钾对树脂的粗化要好得很多。但此种牺牲铜皮而粗麻树脂表面的做法，仍不知真正铜箔来得更为抓地牢靠。
　　本法优点虽可避开影像转移的成本与工程问题，但却必须在高锰酸钾“除胶渣”方面解决更多的难题，最大的危机仍是在焊垫附著可靠度的不足。
　　2.3.2    其他尚有采用：① FR-4胶片与铜箔代替RCC的类似做法；②感光树脂涂布后压著牺牲性铜箔的做法；③干膜介质层与牺牲性铜箔的压贴法；④其他湿膜树脂涂布与牺牲性铜箔法等，皆可全部蚀铜得到坑面后再直接烧孔。
　　2．4    超薄铜皮直接烧穿法
　　内层核心板两面压贴背胶铜箔后，可采“半蚀法”（Half Etching）将其原来0.5OZ（17um）的铜皮咬薄到只剩5um左右，然后再去做黑氧化层与直接成孔。
　　因在黑面强烈吸光与超薄铜层，以及提高CO2雷射的光束能量下，将可如YAG雷射般直接穿铜与基材而成孔，不过要做到良好的“半蚀”并不容易。於是已有铜箔业者在此可观的商机下，提供特殊的“背铜式超薄铜皮”（如日本三井之可撕性UTC）。其做法是将UTC棱面压贴在核心板外的两面胶层上，再撕掉厚支持用的“背铜层‘，即可得到具有超薄铜皮（UTC）的HDI半成品。随即在续做黑化的铜面上完成雷射盲孔，并还可洗耳恭听掉黑化层进行PTH化铜与电铜。此法不但可直接完成微孔，而且在细线制作方面，也因基铜之超薄而大幅提升其良率，当然这种背铜式可撕性的UTC，其价格一定不会便宜。