新CO2雷射直接铜箔加工技术

前言

　　 PCB基板的高密度化取决於层间连接的微小孔和线路之间，而且直接结合电子产品的性能，所以PCB基板的钻孔技术即成为制造PC8基板的主要关键技术之一。笔记型电脑及行动电话等携带式产品是最先采用高密度增层(BUILD Up)基板为基础的高科技消费性屋品。越来越要求低成本、高成品良率及高度能的需要，直接铜箔加工法可以补足现今雷射加工法之缺点，而开始被重视。
　　 1.雷射钻孔的现状及课题
　　 低成本、高成品良率、高产能
　　 在初期阶段所采用的雷射加工法大多是目前为大家所泛用的conformal mask方法(在RCC基材的表面铜箔上，利用化学蚀刻出需要的加工孔径（开铜窗），再以约大於开铜窗孔径的50～100μm的雷射光束来加工)，而且也是较适用现有制程上；然而burst（continue Pulse）加工为孔壁很容易变成圆弧状，所以一般都采用cycle（cycle Pulse）加工较适宜。
　　 因为这样的因素使得加工速度变的较慢。Large window法(在RCC基材的表面铜箔上,利用化学蚀刻出约大於加工孔径100μm的铜窗)，此工法的目的是为了解决conformal mask方法的高速化所开发出来的。
　　 因为可适用高速的burst加工，故现在已经成为生产的主流，而被广泛的应用。封装用基板则是利用高速burst加工，直接在纯树脂材料上加工，所以电镀前的表面处理等的高度技术及管理是必要的，因此也限定在一些特有的基板制造商。
　　 　　 Fig．1是加工法的详细。  

　　　  

Fig．2表示加工法及孔径的适用范围。
　　 几乎所有build up基板的BH（blind hole）钻孔都是使用CO2雷射来作成的，使用RCC材质的泛用build up基板，其孔径的主要尺寸约在100～125μm之间，封装相关的基板，其孔径约在100μm以下，最近也有要求在60μm左右的水准。最近FR-4材质的适用性也在继续的增加中。通孔TH（through hole）加工等新的应用要求也有增加中。
　　 　　 Fig．3表示孔径100μm以下的孔形成的例子。  

  

　　 根据CO2雷射试验水准可以钻孔到孔径30μm，而实用的界限约在4O～50um之间。build up基板在压合制程时，固有变形涨缩等现象，etching window和内层Pad的位置偏移会变大。因此，只要内层Pad径一变小，成品率就会下降，所以就会被极小的线宽/线距所限制。
　　 上述的window etching是同样和线路作成需要光阻涂布、曝光、显影、蚀刻而形成线路之制程，所以制程成本也是另一项课题。
　　 2.Cu direct加工法的特点
　　 Cu direct加工法是利用5～9μm薄铜箔表面处理之后，提高雷射吸收率，用CO雷射直接加工形成BH。
首先以CO雷射去除表面铜箔，露出内层上的对位点，再用CCD CAMERA来确认位置及自动补正。因为用内层对位基准来钻孔，孔位置的偏差较小而能拥有更高的精度。因此较小的Pad及fine Pitch是有可能做成的。作成铜窗的裂程也不必要，可省略蚀刻制程，所以可以降低制程的成本。电镀、线路的形成也适用CONFORMAL MASK法及LARGE WlNDOW法的制程。
　　 又因为可以2 PULSE加工，所以加工速度可以很快速。另外日立也开发出高PEAK power、短 PULSE的MODULATION STEPPULSE及TOP HAT BEAM，可得到和目前加工法一样的孔品质等特点。
　　 3.Cu direct如工法的课题
　　 在光泽面的铜表面有低的CO雷射吸收率（2～3%），所以在12～18m的表面铜箔导体层的增层上，很难形成实用的盲孔。也就是如此，必须要用大约10倍的绝缘层能量才有办法把表面铜箔分解去除。表面铜箔贯通后多余的能量会被绝缘层所吸收而在孔入口的铜箔表面下，形成undercut。另外因为要提高内层铜箔导体层Peeling的强度，内层铜箔表面被粗化，进而雷射吸收率变高、温度大大的上升而造成会贯通内层铜箔导体层。
　　 薄化表面铜箔及表面处理以提高雷射吸收率，利用接近绝缘层约分解能量，使用CO2雷射也可以在表面铜箔和绝缘层上顺利的作成盲孔。
　　 另外为了确保加工的信赖性，日立更是开发出适用的TOP HAT BEAM、MODULATION STEP PULSE等功能。
　　 4.cu direct加工用薄铜箔
　　 为达到直接铜箔加工孔形安定的必要因素即除去铜箔的能量和绝缘层的能量尽可能的接近。表面铜箔能量吸收会因表面粗化使得表面积和反射回数增加，也会因薄铜箔的低热容量化、低热传导层伴随著温度上升而吸收率增加。如Fig．4所示，是被应用在直接铜箔加工铜箔表面的实体。
　　 三井金属所制表面粗化MTM5m的薄铜箔，日矿
　　 METERIAL所制表面粗化、表面附加LD9μm低导热的薄铜箔。再者，5～9μm的薄铜箔，基板制造者也可以既有的蚀刻设备可由12～18μm的铜箔蚀刻（ETCHINGDOWN）取得。再者表面粗化也有可能透过基板制造者以既有的设备作内层表面粗化用的黑化处理、MULTI BOND处理、ETCHING BOND处理、α-Prep处理及BOND FILE处理做成，以波长9.4μm的雷射光照射时的能量吸收率依据表面材质的构造而有20～30%的差别。
　　 5.材料去除的特性
　　 铜表面在雷射光照射後，含在表面微小的凸部和凹部形成微小热污点，且有熔融现象产生，铜一到达蒸发温度後，将食有气化现象发生，且被微粒子化飞散到四周围，反应时间从数μs到10μs，由於这样铜箔几乎都会被直接除去，而在孔的入口处附近被熔融。因为已经被气化成粒状的飞散物会如同机械性剥落般的被去除掉，紧接著的光束在孔入口处继续加工。故而孔边的温度些许上升，而能量的分布是呈现急峻的，所以top hat beam的短脉冲加工是必要的。因而可以得到接近雷射光束的孔径又有较小的over hang现象。纵使添加filer或是Hi-Tg树脂的材料，也显现出较佳的加工效果。
　　 　　 Fig.5所示为不同的铜箔表面处理其脉冲能量与孔形成的状态。  

　　 　　 Fig.6所示为铜箔表面处理对加工性的改善。  

　　 以multi bond处理後5～7μm厚度的铜箔，加工120～123μm的孔，脉冲能量约在10～15ml，其孔径变不大且非常安定。能量若超过15ml，加工孔壁会有较膨胀的现象发生。
　　 6.孔周围的温度上升由于加工能量会在材料内部产生热，但几乎都会蒸发掉，只有一部份会扩散至孔的周围。孔入口周围及孔底的温度上升，在表面的能量吸收率和脉冲模式有很大的影响，较短的脉冲宽度影响较小。而在孔入口周边产生的铜箔突出，可藉由铜蚀工程将之去除掉。  
　　 7.TOP HAT分布
　　 　　 Fig．7是top hat的分布模拟呈现。  

  

　　 使用TOP HAT PULSE，较大能量的第一脉冲是适用于表面铜箔和绝缘层的去除，较小能量的第二脉冲是被使用于孔形的修整与孔底残留绝缘层的除去。利用独特专利的modulation step pulse加工技术，短脉冲高能量加工是可被应用的，因此可以抑制孔入口处周边的温度上升速度。
　　 8.Modulation step pulse
　　 RF雷射的激发震荡是非常安定的，但有所谓的脉冲扬起与脉冲下缘时之能量变化的物理现象，因此一般CO2雷射将其最小实用之脉冲设定在5μs以上；又脉冲能量是从脉冲扬起区和稳定区以及30～40μs的脉冲尾端而形成，因此实际最小的脉冲也有30～40μs。利用modulation step pulse技术，可以控制实用最小脉冲幅度在1μs。而5-10us的脉冲宽幅有较以往的脉冲能量奇更高且更有效的能量。换而言之，即使同样的脉冲宽幅可以除去量亦变大，但事实上短脉冲能减少热影响。
　　 　　 Fig．8所示代表
　　 　　 MODE A（BURST加工MODE）采STEP PULSE2 PULSE加工于树脂。
　　 　　 MODE B是CYCLE MODE；
　　 　　 MODE C是CYCLE/BURST CONBINATION MODE。
　　 　　 可设定脉冲宽幅、脉动SHOOT数、第一个SHOT、第二个SHOT脉动以及第三个SHOT。
　　 　　 高速加工的MODE A主要是用来作树脂直接加工、LARGE WXNDOW等用途。
　　 　　 MODE B、MODE C主要是用来CONFORMAL加工之用。  

  

　　 9．直接铜箔加工成孔之结果
　　 （TOP HAT BEAM和MODULATION STEP PULSE）如 Fig．9所示对於MTM材料盲孔加工的结果。
　　 　　 Fig.10所示是孔径O.1mmFR-4材料用直接铜箔TH加工BT的例子和孔径400μm直接加工例子。
　　 和玻璃纤维密度无关、孔形安定、无纤维突出物及溶解状况、粗糙度良好。  

  

　　 10.高效能雷射加工
　　 实际的加工时间中，GALVANO移动时间和台面移动时间是占大部分，但若是采用最佳化的轴间距的双光束构造的雷射加工机，其实际加工时间会因而减半。以分光方式输出成两光束，能量的差异含成为加工信赖性的变因；日立双轴雷射加工机器由于采用脉冲整形器作光的转换切换，两光束的能量是固定不变的，加工条件亦同于单轴机器。由于从树脂直接加工至FR-4的材料皆适用的特点因而急遽地被多数厂商开始采用。
Fig.11是Two Beam CO2 System的示意图。