激光钻孔原理讲解

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C02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。

、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、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。

2、光化裂蚀Photochemical Ablation

是指紫外领域所具有的高光子能量（Phot on 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 Proces s孔壁上不至

产生炭化残渣。

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。

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。

5、精确定位系统

a、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”（Galva no meter and Mirr 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

Galva nometer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孑L。

所谓的Galva nometer是一种可精确微动±0°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 Lens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。

b、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,加上台面丫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C02光束能较弱者，则因其路径太长能量不易集中而反倒不宜。

二、二氧化碳C02雷射成孔的不同制程

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孑L。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、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。

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：

a、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