激光鉆孔技術(shù)在PCB行業(yè)的應(yīng)用

【摘要】隨著PCB上的孔越來越密集，激光鉆孔技術(shù)變得越來越重要。本文收集了柔性電路板、HDI板和IC載板的鉆孔技術(shù)要求;從原理、技術(shù)特點和使用情況三方面對UV激光鉆孔、CO2激光鉆孔和超快激光鉆孔三種激光鉆孔機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)地分析;同時，展望了超快激光器在PCB行業(yè)的應(yīng)用前景。

前言

PCB是電子信息產(chǎn)業(yè)重要的配套，PCB行業(yè)技術(shù)的發(fā)展需要適應(yīng)下游電子終端設(shè)備的需求。

目前，電子產(chǎn)品主要呈現(xiàn)出兩個明顯的趨勢：輕薄短小和高速高頻，下游行業(yè)的應(yīng)用需求對PCB的精密度和穩(wěn)定性都提出了更高的要求。

近年來，隨著智能終端、智能可穿戴設(shè)備、5G及云計算等產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，柔性板及剛撓結(jié)合板、HDI板、IC載板市場需求保持持續(xù)增長。PCB導(dǎo)體線、孔的數(shù)量、大小和結(jié)構(gòu)等將會發(fā)生大的變化;導(dǎo)線越來越小、越少化，甚至無線化;導(dǎo)通孔會越來越小、越多化，甚至全導(dǎo)通孔化。因此，信號在PCB導(dǎo)體內(nèi)的傳輸過程會越來越多的在孔中進(jìn)行[5]。由于導(dǎo)通孔的尺寸、表面狀態(tài)等會直接影響到PCB板信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率。因此如何制造出高質(zhì)量的微孔將成為PCB制造中急需解決的問題。

表1：2019-2023年P(guān)CB產(chǎn)品最小線寬要求演進(jìn)(μm)

一、市場上主流的PCB鉆孔機(jī)

在線路板上微孔加工最常用方法有數(shù)控機(jī)械鉆孔和激光鉆孔。

目前對于直徑大于150μm的通孔主要使用數(shù)控鉆床加工。當(dāng)孔徑/孔間距大于150μm/100μm時，機(jī)械鉆孔的效率會比較高。但是機(jī)械式微孔加工方式在孔尺寸和位置精度方面已逐漸不能滿足微孔加工的要求。主要原因：(1)直徑微小的鉆頭剛性弱，在高速旋轉(zhuǎn)鉆孔時極易彎曲，造成鉆孔位置偏差;(2)鉆頭極細(xì)，壽命短，易折斷，在鉆150μm以下的微孔時，成本大幅提高[1]。

孔徑小于150μm的微孔和盲孔大多采取激光鉆孔的方法。

PCB行業(yè)中的激光器鉆孔機(jī)以用于軟板鉆孔的UV激光鉆孔機(jī)和用于硬板鉆孔的CO2激光鉆孔機(jī)為主，以超快激光鉆孔機(jī)和配置有兩種波長激光器的復(fù)合波長激光鉆孔機(jī)作為輔助。

二、激光鉆孔的技術(shù)需求

2.1 柔性板

柔性線路板廠量產(chǎn)雙面板盲孔和通孔的孔徑都以100μm和75μm為主，也有量產(chǎn)50μm的孔，但生產(chǎn)數(shù)量和頻率都很少。

有些廠商為生產(chǎn)密度更高的FPC做準(zhǔn)備，已經(jīng)開始驗證能鉆30μm微孔的機(jī)器。現(xiàn)有的UV鉆孔機(jī)基本能滿足柔性線路板行業(yè)的鉆孔需求，但隨著5G的大量使用，一些復(fù)合材料開始出現(xiàn)，傳統(tǒng)UV激光器無法滿足鉆孔需求，需要使用超快激光鉆孔機(jī)進(jìn)行鉆孔。

2.2 HDI板

HDI板，使用微盲埋孔技術(shù)的一種線路分布密度比較高的電路板，介電層中參雜有玻纖紗層，是硬板的一種，在PCB中占有很大的比例。目前量產(chǎn)的HDI板通孔孔徑以75-150μm為主[2][7]。

2.3 IC載板

IC載板是近年來興起的新型高端PCB產(chǎn)品，被稱為PCB皇冠上的明珠。IC載板在HDI板的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是適應(yīng)電子封裝技術(shù)快速發(fā)展的技術(shù)創(chuàng)新，具有高密度、高精度、高性能、小型化以及輕薄化等優(yōu)良特性。

目前量產(chǎn)的微孔孔徑主要在50-100μm，最小量產(chǎn)孔徑可以達(dá)到30μm。

IC載板的介電層分兩大類：BT和ABF。BT層主要含有玻纖紗層，目前以CO2激光鉆孔機(jī)為主，也有一些使用綠光超快激光器可以鉆40μm的微孔。據(jù)報道ABF載板上，激光鉆孔的最小孔徑可以達(dá)到5μm。

三、激光鉆孔的原理

激光器的波長可以從紫外到紅外(如圖1)，目前工業(yè)上常用的有UV激光器、可見光激光器、IR激光器、CO2激光器等。激光器按脈沖長度可以分為：連續(xù)激光器、準(zhǔn)連續(xù)激光器、納秒激光器、皮秒激光器，飛秒激光器等。不同類型激光與材料作用的機(jī)理和效果有很大差別。

目前，業(yè)內(nèi)普遍使用的激光鉆孔機(jī)根據(jù)光源可以分為兩類：355nm波長的UV納秒激光鉆孔機(jī)和9400nm波長的CO2激光鉆孔機(jī)。

圖1 激光器的波長分布(資料來源：華秋電子)

如圖2所示，PCB板中常用的基材有銅箔、樹脂和玻纖對不同波長的吸收率有很大的差異：銅箔對UV的吸收率很高，對CO2的吸收率很低;樹脂和玻纖對不同波長的吸收率差異很大，樹脂對UV和CO2的吸收率都很高，玻纖對CO2激光的吸收率較高。

圖2 PCB主要基材對光譜的吸收率(資料來源：華秋電子)

由于基材對不同波長的激光吸收差異很大，因此，使用什么波長的激光鉆孔機(jī)主要取決于介電層的材料：介電層只有樹脂基板使用UV激光鉆孔機(jī)，介電層中有玻纖基板使用CO2激光鉆孔機(jī)。

3.1 UV納秒激光鉆孔

圖3 杰普特UV激光鉆孔機(jī)鉆孔效果

UV激光鉆孔的機(jī)理主要是光化學(xué)燒蝕：短波長激光的光子具有很高的能量(超過2eV)。高能量的光子能破壞有機(jī)材料的長分子鏈，使其成為微粒，脫離加工材料。在持續(xù)外部UV激光的作用下，基板材料不斷逸出，形成微孔。

UV激光鉆孔主要特點：

以光化學(xué)燒蝕為主，熱燒蝕的反應(yīng)很少，產(chǎn)生的碳化物也很少，孔化前清理非常簡單;

能直接去除銅，可以直接進(jìn)行鉆孔，鉆孔前不需要對銅做前處理;

目前，常用的幾款UV激光鉆孔機(jī)能鉆的孔最小尺寸為25μm。

3.2 CO2光鉆孔

如果介電層材料有玻纖一般會選用CO2鉆孔機(jī)。CO2激光鉆孔的原理主要是光熱燒蝕：被加工的材料持續(xù)吸收高能量的激光，在極短的時間被加熱到熔化，然后溫度繼續(xù)上升使材料氣化，最后蒸發(fā)形成微孔。

在實際生產(chǎn)中一般是采用超薄銅箔直接燒蝕的工藝方法。步驟如下：

將銅箔厚度由12μm經(jīng)腐蝕減薄，控制在9μm左右;

對銅箔進(jìn)行棕化或黑化，使銅面粗糙且呈深色，有利于能量的吸收;

用激光先去除銅層，然后去除介電層，實現(xiàn)鉆孔。

CO2激光鉆孔速度遠(yuǎn)大于UV激光鉆孔。但鉆孔前后都需要做處理。

由于衍射極限存在，CO2激光通過光學(xué)透鏡最小只能被聚焦到35μm左右[3]。實際量產(chǎn)中一般會鉆75-150μm孔徑的孔。

圖4 CO2激光鉆孔機(jī)鉆35μm的孔

(資料來源：Via Mechanics官網(wǎng))

3.3 超快激光鉆孔

隨著超快激光器在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛和PCB行業(yè)對孔徑、孔型的要求越來越高，有設(shè)備產(chǎn)商開始嘗試使用超快激光器對PCB基材進(jìn)行鉆孔。

圖5 納秒和超快激光與材料作用機(jī)理對比

超快激光具有超高峰值功率、超短脈寬和作用時間短等特點，加工時在材料內(nèi)部的熱擴(kuò)散距離短，具有非熱熔加工特性，在微納加工方面有著獨特的優(yōu)勢[4]。超快激光器加工消除了“熱損傷”和“熱致內(nèi)應(yīng)力”等的缺陷，用于PCB鉆孔有3個明顯的優(yōu)勢：

幾乎可適用于制造業(yè)中所有材料進(jìn)行加工;

圖6 不同激光鉆孔機(jī)加工PTFE材料效果

如圖7所示，UV納秒激光鉆孔機(jī)完全無法用于介電層為PTFE的材料的鉆孔，UV皮秒鉆孔可以將膠內(nèi)縮控制在10μm內(nèi)。

鉆孔的質(zhì)量接近完美。如圖7所示，超快激光鉆孔解決了長脈沖激光器加工后，孔壁有熔融成球、火山口、孔底有殘膠、玻纖突出等問題;

圖7 不同脈寬激光器鉆孔效果(資料來源：松山湖材料實驗室)

加工的導(dǎo)通孔，由于孔壁粗糙度(≤0.1μm)很低，在高頻化信號傳輸中可明顯減少信號傳輸損失和失真，特別是在疊孔結(jié)構(gòu)的封基板裝中有著極好的信號傳輸性能[6]。

結(jié)束語

綜上，目前PCB制造中，大于150μm的通孔以機(jī)械在鉆孔為主;含有玻纖材料的50-150μm的導(dǎo)通孔以CO2激光鉆孔機(jī)鉆孔為主，不含玻纖的材料以UV激光鉆孔機(jī)鉆孔為主。UV和CO2兩種鉆孔機(jī)能勝任現(xiàn)階段絕大多數(shù)PCB導(dǎo)通孔的鉆孔。

但隨著PCB的尺寸向小型化發(fā)展和信號傳輸向高頻發(fā)展，需要鉆孔的孔徑越來越小，孔的質(zhì)量要求越來越高，介電層的材料不斷新增，傳統(tǒng)的激光鉆孔方式將會和數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)一樣逐漸無法滿足鉆孔需求。

超快激光鉆孔不會存在著對周圍區(qū)域熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)的現(xiàn)象，加工的導(dǎo)通孔孔壁沒有熔融成球、火山口、孔底有殘膠、玻纖突出等問題，幾乎能去除所有較薄的材料。這種鉆孔質(zhì)量接近完美的激光鉆孔方式將會在PCB制造中被廣泛應(yīng)用。