PCB的激光钻孔技术_蔡积庆

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PCB用激光加工机
图3表示了PCB材料加工用激光的波长。
2.3
FCBGA用模组PCB
FCBGA（倒装芯片球栅阵列）用模组PCB
中，为了适应个人电脑（ PC ）用 CPU 等的高速高功 能化的需要，现在发展到线路最高密度化。旨在适 应微细线路化的电路形成正在采用半加成法。现在 正在采用树脂上直接照射 CO 2激光和 UV 激光形成加 工孔的树脂直接加工法进行量产化。今后利用树脂 直接加工的工程方式也不会变化，但是预计孔径将 会从现在的 50 m ~ 60 m 移行到适应高性能化 的50 m以下的小径化。
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2.1
常规基层板
便携电话的母板等使用的常规基层板中，以适
的激光加工法。表1表示了PCB的现状和小径化加工 动向的预测。
应高密度化和低成本为目的的工程方式正在发生变 化。传统的量产化正在从表面铜箔上利用蚀刻形成 窗口（ Window ）并照射比窗口大的激光束进行加 工的敷形（Conformal）法移行到以提高与内层图形 的重合精度为目的，在比内层基准加工孔径大的窗 口内的树脂照射直接激光进行加工的大窗口（Large Window）法，而现在正在迅速移行到在表面铜箔上施 行吸收CO2激光的表面处理，采用激光直接在铜箔上 加工以便形成窗口或孔加工（Cu Direct Drilling）法。 目前量产化的各工程方式可以加工 75 m ~ 200 m的孔径，为了适应下一代的高密度化的需要， 预计将会移行到下一代利用铜直接加工法的50 m ~ 75 m的孔径。
-源自文库7-
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图6 电流速度路线图
图8 通用积层板激光加工法的动向
图7表示了孔加工位置精度路线图。下一代PCB 中，对于伴随着高密度化的加工孔数的增加，有必要 谋求提高电流速度的生产性提高，与此同时伴随着内 层焊盘的小径化，反过来又要求提高孔加工位置精 度。为了适应孔加工位置精度的提高，进行了电流伺 服（Galvanoservo）静定（Statically Determinate）技 术，电流位置修正技术和工作台位置确定精度提高等 方面的改善，是孔径加工位置精度达到0.010 mm以下 的高精度化，谋求生产性和高精度化兼顾的同时正在 研究更高的精度提高。
图9 铜直接量产加工的表面处理动向
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铜直接加工的动向
图8表示了通用积层板的激光加工法的动向。如
图 10 表示了铜直接量产加工的小径化加工动 向。如上所述的加工动向预测，通用积层板的量产 孔径为75 m ~ 200 m，但是生产量最多的便携电 话用的母板中以100 m ~ 125 m的孔径为主流。 随着以智能电话为代表的最近的便携电话的高功能 化，母板发展成为高密度化和高多层化，加工孔径 以更加小径化的25 mm左右为主流。瞄准下一代的 50 m 的孔加工也开始研究。在这些智能电话用的 母板中不仅朝着孔径的小径化，而且为了适应以高 密度线路化为目的薄铜箔化高多层基板的整体基板 厚度的薄板化，正在朝着减少绝缘层厚度的方向。 加工条件中，为了适应伴随着高密度化高多层化而 产生的每一枚PCB的孔数增加，即使在小径孔加工中
法实施75 m ~ 200 m的量产化。预计今后逐渐移 行到使用UV激光的铜直接加工法。图2表示了代表性
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激光几乎全部被反射，吸收率降低为1.2%~3%，而不 能加工，所以盲孔加工时，到内层铜箔就会停止。 其次是波长355 nm的紫外（UV，Ultra Violet） 激光对于绝缘层，玻璃和铜的吸收率都高，而适用 于PCB加工用。由于铜的UV激光吸收率高而不同于 CO2激光，可以直接加工铜。但是通过调整加工能量 和电子束方式也可以控制到不会加工内层铜箔的状 态，从而可以进行盲孔加工。 图 4 表示了 PCB 小径孔加工所需要的激光加工 装置的主要技术。激光加工机是由（ 1 ）与加工目 的重合的加工点的激光电子束模式可以选择高斯 （ Gauss ）分布，园顶（ Rouncl Top ）分布和顶环 （ Top Hat ，顶帽）分布的瞄准透镜（ Collimation Lens）； （2）由电子束整形器（Beam Shaper）和进 行加工径调整的孔（Aperture）等构成的电子束整形 光学系统； （ 3 ）维持脉冲能量的状芯进行高速多电 子束化的电子束开关（Beam Switching）； （4）高速 高精度确定位置的电流扫描器（Galvanoscanner）； （5）电子束在扫描范围内均匀成像的f透镜等构成 的。另外，通过独特的阶跃脉冲（Step Pulsel）控制 来控制个别加工发射的脉冲幅度（最小 1 m ），使 得适合于加工的电子束能量最佳化，从而可以确保 实出物（Overhang）和玻璃的熔融，突出的控制和减 轻孔壁面粗糙度等孔品质。
径的小径化，积层层数增加的同时大幅度引起加工孔 数的增加。为此激光加工机必须适应孔径小径化的同 时还要适应小径化内层焊盘上加工位置重合的位置精 度提高和孔数的增加，还要求确保生产性。
图4 PCB钻孔用激光加工装置的主要技术
图6表示了电流速度路线图。决定激光加工速度 的电流扫描器的速度数年前约为1000 Hz，但是使用 现在标准的电流镜（ Galvanomirror ）尺寸的通用积 层，BGA和CSP规格的加工及的电流扫描器的速度为 2400 Hz以上，使用小径用的大型电流镜的FCNGA规 格的加工机的电流速度为1700 Hz以上，大幅度改善 的激光加工机的钻孔速度飞跃的提高，更高的速度 提高正在研究中。
制造商）。激光光的吸收量优良的黑化处理此啊用 7 m ~ 12 m的铜箔厚度实施量产加工，与黑化处理 相比，激光光的吸收量较少些的H2SO4-H2O2系的粗化 处理中采用7 m ~ 9 m的比黑化处理薄一些的铜箔 厚度进行量产加工。由图9可知，采用A和B工制造商 的H2SO4-H2O2系粗化处理时的激光加工性相当而没有 差别。今后伴随着表面处理工程的自动化以及与内 层表面处理的工程共用化等的进步，预计将会增加 H2SO4-H2O2系粗化处理的比例。
上所述，伴随着PCB的高密度化要求，传统方法的敷 形和大窗口加工法正在变化，迅速移动到•施行吸收 CO2激光的表面处理并采用激光加工直接铜箔而形成 加工孔的铜直接加工法。目前的状况是通用积层板 的 60%~70% 以上已经量产采用铜直接加工。为了实 现铜直接加工量产化，必须施行吸收稳定的激光以 便均匀加工的表面处理。 图 9 表示了铜直接量产加工的表面处理动向。 目前利用铜直接加工法的量产加工中主要使用黑化 处理和H2SO4~H2O2系的粗化处理（主要的有A和B工
图2 代表性的激光加工法 表1 PCB的现状和小径化加工动向预测
2.2
BGA和CSP用模组PCB
BGA和CSP用模组PCB中，双面板占大多数，目
前以敷形法的加工为主流。但是为了适应微细线路的 要求，正在从传统的铜箔厚度9 m ~ 12 m，树脂厚 度约100 m和孔径中100 m发展到铜箔厚度7 m甚 至5 m的薄铜箔化，与此同时，树脂厚度约60 m， 孔径75 m的小径化。另外除了以双面板为主流以 外，还增加了适应高密度化需要的多层板，它的工 程方式与通用积层板同样，还在研究对表层薄铜箔 采用激光进行直接加工铜箔的加工法。
图5 小径孔钻孔用激光加工装置的主要技术
另外利用小径孔（Aperture）的光衍射扩展的电 子束导入f透镜和利用焦点距离短的f透镜的成像可 以实现小径化，除了这些光学系统以外还需要最适 合小径加工的加工能量和电子束模式控制技术。
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确保生产性和提高孔位置精度
下一代PCB中，孔径小径化的同时引起内层焊盘
来说，UV第3次高谐波中355 nm和UV激光具有优良 的小径孔加工性。但是目前的量产加工中的孔径为 50 m以上，如图5所示的铜直接加工和树脂直接加 工的小径加工例那样，利用CO2激光可以适应50 m 的加工，尤其是当 CO 2 激光输出功率大到 10 倍以上 时，由于生产效率高等关系，所以现在利用CO2激光 的加工成为主流。
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PCB的激光钻孔技术
蔡积庆 译 （江苏 南京 210018）
摘 要 概述了PCB激光钻孔技术的现状和下一代PCB激光钻孔技术的动向。 关键词 印制板（PCB）；激光钻孔；铜直接钻孔；铜直接钻孔的表面处理 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2012）03-0015-05
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激光加工的现状和小径化的动向
PCB制造中，贯通（TH）导通孔和盲孔导通孔
分别采用钻头钻孔机和激光钻孔机进行加工。随着 电子设备的轻量化和高性能化， PCB 发展到小径化
图1 PCB制造中钻孔机的任务
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Printed Circuit Board (PCB); Laser drilling; Cu direct drilling; Surface treatment for Cu
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前言
近年来以便携电话，笔记本 PC 和数字摄像等为
和高精度化，尤其是安装半导体等元件的外层积层 部迅速发展到导体宽度的微细化，BH导通孔的小径 化，孔数增加和多层化。图1表示了PCB制造中钻孔 机所担当任务。下面具体的叙述各种PCB的加工工程 和加工孔径等加工动向预测。
图3 PCB材料加工用激光的波长
2.4
FPC
FPC 利用现在的 CO 2激光敷形和 UV 激光铜直接
首先， PCB 材料加工激光振荡器中使用最多的 是波长9400 m的CO2激光。环氧树脂等绝缘层和玻 璃等被加工材料的CO2激光的吸收率高而促进激光加 工，与之相比，因为盲孔（ BH ）孔底部的铜的 CO 2
Laser Drilling Technology for Printed Circuit Board
Abstract board. Key words direct drilling
CAI Ji-qing This paper describes current status of laser drilling technology for next generation printed circuit
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图5表示了小孔径激光加工装置的主要技术。图 中设定激光波长，f透镜入射电子束经 d0，f透镜 焦点距离F，模式次数M2的情况下，加工点电子束径 标准束径 d为 d=（2.44F/ d）M2。激光的波长和f 透镜的焦点距离F越短加工点电子束经 d就越小，特 别是f透镜的入射电子束经 d0越大加工点电子束经d 就越小。关于激光的波长，相对于CO2激光9400 nm
代表的电子关联产品的高功能化迅速发展。为了实 现这些电子产品的高功能化，安装的半导体电子元 件的小型化和高性能化以及安装这些电子元件的PCB 的高密度化，多层化，导通孔的小径化和高精度化 都是不可缺少的。利用激光的PCB孔加工技术，随着 PCB的高密度化而开发的积层法的盲孔（BH，Blinel Hole）加工方法强力要求特别的小径化和高精度化。 本文就PCB的激光钻孔加工技术的现状和下一代PCB 的动向，以及目前量产加工量最多的使用提高激光 吸收率的表面处理的直接激光加工铜以便形成导通 孔的铜直接钻孔加工加以介绍。