HDI产品UV雷射制程

HDIHDI 产品产品 UVUV 雷射制程雷射制程 制程参数与系统机器以经过持续性的改善后 波长 355nm 的 UV 雷射 将可使未来高 密度封装载板类 能够继续得到支援与实现 一 一 前言前言 在有机制封装与 HDI 电路领域中 过去数年中 UV 雷射的用途已呈现现显着的增加 其主要的推手应归功于微盲孔用途的扩增 此外在还有其他用途的出现 例如 精密切外形与精准烧蚀漆成像之工程 也都带动 了 UV 雷的盛行 本文将举例某些系统机组之工作 以了解其钻孔能力 以及对一般性电 路板在制程方面的可行性 二 理论与术语二 理论与术语 波长 可说明为横波中一种波峰到波峰的距离 在光谱为 100nm 10 000nm 的范围 中 其波长与所显现的颜色有着直接的关系 故可用颜色来表达 UV 雷射的波长 例如 绿雷射 或紫外雷射等 下 Figl 即为光谱中颜色与波长的对应关系 而且也显示出某种基 频例如波长为 1064nm 的 Nd YAG 紫外雷射 与其谐频谐波之关系 光子 可视为无质量电磁射线的一种粒子 按波长的不同每个光子都有其能位 现就 波长为 1064nm 基本波之 Nd YAG 雷射而言 其能位可达 1 16v 而其三次谐波之能位为 3 49ev 至于另一种 C02 雷射基本波者 其波长为 10600nm 所具有的能位为 0 12ev 谐波 每一种雷射都会产生一种基本波长 有如细胞具有分裂的特性 该基本波可分 裂成为不同倍率的谐波 例如 Nd YAG 雷射的基本波长为 1064nm 分裂为两个二次谐波 之波长为 532nm 三次谐波为 355nm 四次谐波 266nm 重复率 Repetition Rate 或频率 指每种受到能量激动而形成的连续性雷射光都会 发出能量 此种连续波也可被进一步切割 加闸 或形成断续的脉冲 而成为分散式的区 段 其每秒种所重复出现区段的次数即称为雷射之频率 但此种频率不宜与雷射波长的频 率混为一谈 业界所使用脉冲雷射的重复率范围很大 但 UV 雷射最常用的 355nm 谐波 其重复率则多在 10 100KHz 之间 功率 此处所用每秒能量的单位仍为 Watt 也就是雷射光源每秒种所辐射出来的总能 量或总功能 现今 355nm 的 UV 雷射 其功率范围约在 3W 到 10W 之间 高期光束 凡雷射光束以 TEMoo 模式放射者则称为高斯模式 属基本模式或绕射模 式 深入探讨时会涉及许多复杂的数学方程式 方得以说明此等共振横波的模式 本文将 只简化说明高斯光事为一种表达能量强度的产体造形 特称为高斯分布 下 Fig2 中即表列 出 横波型电磁模式 各种雷射的能量分布情形 Fig3 即高斯光束两者在能量强度方面的产 体造形所表达的画面 切形光束 系将高斯能量光束造形的峰部削平 而得到切峰后的能量造形 与同级能量 强度的高斯造形相比较时 切峰者具有较大的光点半径 可采特殊设计的光学元件以取得 此种切峰造形 能量密度 是指雷射光打在单位面积上所呈现的能量 当采用高斯造形或平顶造形的 雷射光束加工时 此单位即成为极其重要的参数 每种雷射机器均有其功率与能量的上限 且其光束之大小将成为各种材料能否顺利加工的重要因素 每种材料进行加工时 均需到 达起码的 能量密度 否则加工效率将不够好 高斯光束即具有极大的能量密度 从其造 形即可看出能量集中的效果 故可用以切铜箔与玻纤等材料 至于平顶式光束具备较大的 总能量 得以在较大面积中有效施工 但其能量密度却低于高斯光束 故只可用于较均质 的树脂 薄膜与绿漆以及微盲孔等制程的加工制程 三 有机板材概述三 有机板材概述 均质材料 是指单一成份的材料而言 不含添加剂 Filler 与补强材 可能是一种混 合式的聚合物 但整体上仍呈现均匀与稳定性质的材料 例如软质的聚亚醯胺薄膜 背胶 铜箔 PCC 铁氟龙以及液晶树脂等 添充式树脂材料 以高分了聚合物为主体母体 为了机械性与电性的良好起见 可另 行加某些有机质或无机性之填充添加料 例如加入陶瓷料的 Teflon 短玻纤或醯胺纤 或 玻纤环氧树脂等材料 编织式补强材 常指树脂母体中为了机械强度而中加补强之生的复合材料而言 此等 连续性或规律性的补强材料 多为无机性的织物 例如 玻纤布 标准的 FR 4 或 BT 板 材等即为其典型例子 披覆与无披覆式材料 除了上述各种介质材料外 PCB 板材还需要铜箔的披覆 做为 成线与互连的基础 四 能量的吸收四 能量的吸收 板材是否能顺利接受雷射加工 应端视其是否能对特定之波长进行吸收 当所发射之 脉冲雷射光 虽具有很高的能量但却无法被板材吸收时 则所期待之加工定为之徒然 Fig4 即列举出数种板材之等级 以及对波长的吸收范围 从电路板材料对雷射光的吸收曲线分析中可看出 并非每种板材均可吸收所有的波长 因而须对特定波长加以选择 以适应待加工的板材 此点已成为极其重要的基本知识 然 而针对复合式板材而言 还须做好兼顾彼此的吸收性 做为制程开发的指标 五 雷射制程与热效应之关系五 雷射制程与热效应之关系 UV 雷射制程不但会产生化学反应 同时也会散发光与热的作用 至于波长较长的 C02 雷射 则在光热反应方面还占了更大的比率 此种事实对于无铅化的补强材尤为重要 Fig5 中即列出数种板材的熔融或裂解温度 表中所列举铜箔基板的三种材料 其熔点范围 却都相距很远 六 各种板材雷射钻孔的实例六 各种板材雷射钻孔的实例 以聚亚醯胺薄膜与液晶树脂等均质性基板为例 说明雷射钻孔 多数 PI 基质的薄膜都 很容易被 355nm 的 UV 雷射所烧蚀加工 此种材料所需的能量密度相当低 并可采用较大 型的光点进行快速作业 对于软质电路板已可轻松进行切外形的工作 并对保护膜的开口 与板材的导通孔等也都容易加工 针对软板其较困难者不在 PI 薄膜本身 而是在复合板材 结合用的接着层或铜箔层 业界常用的接着剂有环氧树脂与亚克力树脂 前者较易被烧除 但亚克力接着层则对 UV 雷射却很敏感 须小心找出正确的加工条件 以减少加工边缘的 退缩与形成侧蚀 只要找以正确的作业参数 此二缺点即可避免 多层软板的材料叠构中 含 PI 薄膜以及环氧树脂与亚克力树脂等两种接着剂层 而且 UV 雷射也可用于微波板类 且某种可耐高温及吸瀝率很低的新型 液晶树脂 也正在进行 UV 雷射加工的评估工作 并确知也可利用 355nm 的 UV 雷射去进行加工 右 Fig9 即为例 七 具有填充料的聚合物板材七 具有填充料的聚合物板材 用于覆晶载板的 ABF 薄膜即为填充者之一例 所谓 ABF 是指其某种配方 曾在其环 氧树脂中另行填充有二氧化矽的粒子 Silica Particle 做为增层用途的补强板材 可利 用平顶造形的雷射光束对此种板材进行微盲孔的加工 也就是有如衡切式的做法 即可取 得高品质的导孔 其现行口径 50 m 的微盲孔 平均有 95 以上是利用平顶造形光束的 UV 雷射所制作的 Fig10 即为典型 50 m 微盲孔 在电子显微镜中的俯视画面 由于板 材中的二氧化矽粒子比起孔径来仍然非常微小 故采平顶造形光束的衡切 Punch 方式 即可快速进行加工 每秒种可得到 900 孔的极高速率 八 编织工补强材八 编织工补强材 以 FR 4 与 BT 板材为例 其复合组成的数种材料 在熔点与气化温度方面都有着极大 的差距 玻璃的熔点可达 1700 但环氧树脂却只到 260 而已 此等在热性方面的巨大 差异 不免会对雷射钻孔带来技术上的烦恼 再加上玻纤在编织材料上的复杂性 而使得 雷射烧蚀或钻孔的工程变得十分复杂 为了了解 IC 载板上常见微盲孔的制作难度起见 特将其玻纤布的结构加以说明 Fig11 为典型 1080 玻纤布结构之外观 画面中出现 6 个小红圈处 即分别代表 6 个 50 m 微盲孔的位置 因而可看出此等微盲孔可能会落在玻纤纱交织区 Glass Knuckle 的正中 央 亦即含有两层玻纤纱 但也可能会落在全无玻纤的树脂区 或介乎两者之间不同密 度玻纤纱的组配状态区 而此种局部出现玻纤的配合区 其成孔生的孔壁品质 想要在底 铜面上呈现良好圆度与玻纤免于突出两种品质上 做到完美无缺者并不容易 九 铜箔基板九 铜箔基板 铜箔对远红外线领域的 C02 雷射光 其吸收情况并不好 为了让 C02 雷射也能直接 钻通铜箔基板起见 其铜箔表面必须另备能够吸收雷射的处理层才行 然而 UV 雷射光却 极易被铜面所吸收而得以钻通 即使得厚的铜箔也可利用强大能量的高斯光束予以钻通 事实上在铜箔基板上钻出小径通孔并不困难 由于移除铜材质所需雷射的能量密度 比起一般树脂来要高出很多 因而在完工生其孔壁几乎不会呈现有机物的残留 下 Fig14 即为铜箔与 PI 软板中所钻出直径仅 30 m 的通孔 此等对铜箔的高效切除法 已使得在钻 孔之外还可在其领域执行加工 例如切外形或对封装板测试线路的切除工作等 UV 雷射不但可以烧穿铜箔 而且也可烧透各种介质补强材料 因而经常会被问到 当 UV 雷射烧透介质而到达内层铜垫表面之际 如何能及时停止而不致伤及铜面 答案就 是对 UV 雷射在能量方面的良好控制 需执行数种不同的步骤 每个步骤均须对其能量密 度小心控制 其第一步是利用甬一密度很高的高斯光束 对表面铜箔与下层补强材进行切 除 第二步则换成光点较大能量密度降低 且攻击性不强的雷射光清除剩余的树脂 进而 得到清洁甚至便于电镀的底铜表现 下两图 Fig15 及 Fig16 即为铜箔基板经过两段步骤所 完成盲孔的切片图 十 其他用途十 其他用途 UV 雷射的其他用途中 以对绿漆烧蚀成像最为成功 此种无需任何底处与沥式化学 步骤 而直接以雷射光的能量将无需绿漆的区域直接烧蚀开来 因而可达到高精度的成像 水准 而且还可进行绿漆重工 其品质也远超过其他各种困难方法 此乃由于绿漆非常容 易吸收 UV 的波长 并在很低的能量密度下即能完成工作 实做中可采能量密度较低的平 顶光束 进行绿漆的加工以防铜面受伤 并可在其较大光点中获致更均匀的能量分布 例 如在封装工业中 某些铜垫上进行局部绿漆精准