关于二阶激光孔钻孔加工技术的研究与应用

纪龙江

（大连崇达电路有限公司，大连 116600）

1 前言

随着PCB技术水平的不断提高和大规模和超大规模集成电路的广泛应用，对于大量HDI电路中的埋/盲孔，普通机械数控钻床不能满足要求，必须采用激光钻孔加工技术。目前业界激光钻孔加工普遍使用CO2激光钻孔机，CO2激光钻孔是热烧蚀工艺原理。然而，由于CO2激光能量受脉冲周期、脉冲波形、脉冲宽度、PCB表面处理工艺、激光发射器状态、激光孔的类别/结构、PCB介质层材质、厚度、包括环境温度、湿度等因素的影响，孔底树脂残留、孔形异常、孔底铜箔击穿、孔壁玻璃丝布突起等一系列品质问题随之而来，这其中，以“击穿爆孔”问题最为突出、危害最大。现主要针对击穿爆孔的问题展开技术研究与改善。

2 激光成孔简介

2.1 激光定位原理

如下图1所示，由激光振动器发射出来的激光在经过整形变径处理后，通过光学系统折射至工件表面一定范围的加工区域内。在此区域内，电流计式反射镜能够在伺服电机的驱动下，根据程序中孔的XY位置指令，左右旋转以达到指定位置角度，形成闭环控制。而机械伺服台面需要根据程序指令需求，以50 m/min ～ 60 m/min的速度提前快速移动至指定的加工区域范围内等待激光钻孔，在激光钻孔的过程中，只有当区域内的孔全部加工完毕后，机械伺服台面才能移动到下一个区域继续加工。激光数控钻床的定位系统由光学定位与机械定位组合而成，机械伺服系统的定位原理与机械数控钻床相同。

图1 激光数控钻床定位原理示意图

2.2 激光成孔原理

利用红外激光特有的热效应及直线特性，使用CO2气体在增加功率及维持放电时间下，产生9 400 nm ～ 10 600 nm的脉冲式红外激光，该激光能够穿透树脂/玻璃丝布等有机物质层表面达到其内部，介质层树脂/玻璃丝布有强烈吸收红外线波长而提高能量的特性，最终被烧灼形成连通性盲孔。下图2所示为几种常见激光孔类型。

图2 激光孔类型

说明：

图2（1）：Largewindow 1阶激光孔，光束直径与成品孔径相同，天窗径大于光束直径20 μm ～ 30 μm。

图2（2）：Conformal 1阶激光孔，业界加工能力一般φ75 μm ～ φ300μm。

图2（3）：Conformal 2阶激光孔，外层天窗径一般可以做到φ150 μm ～ φ300 μm，次外层窗径一般可以做到φ120 μm ～ φ220 μm，激光钻孔一般采用11模式加工。

图2（4）：LDD 1阶激光孔，不需要开天窗，可直接成孔。

2.3 加工模式介绍

激光钻孔加工模式主要有以下2种，如下图3所示。

图3 激光钻孔加工模式

说明：

图3（1）：逐孔加工法，该方法一般适用于介质层在100μm以内，孔径≤φ150 μm的激光孔。

图3（2）：逐循环加工法，即在加工区域内，先每个孔加工1shot，然后每个孔再增加1shot……，该方法适用于介质层厚度在100 μm以上，孔径大于φ150 μm的激光孔。

2.4 光束模式介绍 (图4)

图4 光束模式

说明：

激光钻孔加工过程中，光波时域方面的波长和空域方面的模式对其能量密度分布起着主要的影响，根据郎伯-比尔定律：

式中：I0，——入射光及通过样品后的透射光强度；

A——吸光度（absorbance）旧称光密度（optical density）；

C——样品浓度；

d——光程；

k——光被吸收的比例系数；

T——透射比，即透射光强度与入射光强度之比。

其物理意义是，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时, 其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度d成正比。激光钻孔过程中激光能量密度会随着孔深的增加而衰减，G模式与T模式能量在加工不同孔径时会有较明显不同的效果，在实际生产过程中要注意选择与应用，一般情况下，G模式主要用来加工φ150 μm以下小孔，T模式激光主要用来加工φ150 μm以上大孔。

2.5 激光种类

PCB生产用得多的是UV激光和CO2激光。UV激光因其波长短、能量高，在加工过程中无需要对印制板进行表面处理就能用光化学裂蚀的方式打断基材物质中的化学键，使基材分解。但是其加工时间长，不能大量的生产，因此，很多厂家倾向于运用CO2进行微盲孔的加工，CO2钻孔速度快、成本低、效率高，在短时间内可以处理大量的板件。

3 2阶激光孔加工存在问题分析

3.1 何为二阶激光孔

图5 2阶激光孔

如图5所示，二阶激光孔一般要具备并满足以下技术条件，具体如图中：

φd：外层孔底直径，一般不小于70%φD。

φd1：次外层孔底直径，一般不小于70%φD1。

φD：外层孔顶直径，一般150 μm ～ 300 μm。

φD1：次外层孔顶直径，一般120 μm ～ 220 μm。

H：介质层厚度，含铜厚

h1：介质层厚度

h2：次外层介质层厚度

二阶激光钻孔类型一般常见于8层以上（含）HDI板中，其最显著的特征就是2层叠孔在激光钻孔时一次加工成形，与传统的叠孔分2次激光钻孔工艺相比，具有工艺流程简单、加工速度快等优点。

3.2 二阶激光孔“爆孔”问题的探究

图6 二阶激光孔“爆孔”

图6（1）为正常的二阶激光孔加工效果，图6（2）、图6（3）为实际生产中发生的2阶激光孔爆孔与底铜击穿、孔形异常的问题。这种缺陷具有很大隐蔽性、危害性，目前所采用的切片或目视检测的方法很难被及时发现，当到电测工序被发现时已直接导致产品废弃。

3.3 分析产生原因

问题发生后，根据每个缺陷孔所在整个生产板的位置对应找到激光钻孔程序的BLOCK区域位置。

经过大量缺陷孔位置的确认与切片分析，我们发现所有的缺陷孔均发生在孤立的BCLOCK区域，孔类型均为2阶激光孔，缺陷板所用的加工参数如下表1所示。

根据以上调查分析，基本可以确定是由于激光能量过大导致的爆孔、击穿问题，但是除仅有孤立孔的BLOCK区域外，其它区域的激光孔都没有发现异常。通过进一步的分析得知，所有激光钻孔的生产板均需要通过激光钻床的程序转换软件对原程序进行转换，并将整个有效图形按预先设定区域大小分割成多个单独加工的BLOCK，激光枪对每个BLOCK内的所有激光孔间进行逐循环加工，使用的是逐循环加工模式，当BLOKC区域内只有1个激光孔时，则激光钻床会在非常短的时间内完成加工，如图7所示。

表1 二阶激光孔加工参数

图7 逐循环激光加工模式

2阶激光孔一般需要重复激光击打14～20shot左右，若BLOCK内设计孤立激光孔，则每次循环击打的延迟时间变短，即单位时间内孤立激光孔所受到的激光能量过高，孔底铜持续过热导致激光击穿、爆孔等问题发生。

3.3 采取措施改善

根据上面分析原因，再次使用相同加工参数对BLOCK内不同孔数的加工效果进行确认。实验结果：随着BLOCK内孔数的增加，激光孔形有明显改善，当孔数超过4个以上时，激光孔形状态达到正常水平，由此可以证明，在材料、加工参数、激光能量、孔类别一定的前提下，BLOCK内激光孔的数量对激光孔质量有直接影响，如何通过过程管理避免出现BLOCK内出现孤立孔的情况成为必然。

针对上面原因分析与效果确认，采取以下措施应对：

（1）首先在产品投产前对激光钻孔程序进行识别，如果发现有4个以下激光孔的BLOCK区域存在时，要及时进行调整，以保证BLOCK内激光孔的数量大于4。目前，我们通过自主研发的激光钻床孤立孔识别软件（该软件获得国家软件著作权）对以上过程进行确认，最后根据查询结果相应位置予以确认；

（2）通过激光技术手段调整激光钻孔程序，在有孤立孔的BLOCK区域内增加非功能激光孔，用以分散激光能量；

（3）对调整后的激光钻孔程序进行再次转换确认；

（4）对首件板的调整后的BLOCK区域内的激光孔加工效果进行重点确认；

（5）确认无异常后量产。

4 结论

以上是我们在二阶激光钻孔加工技术方面所积累的一点心得与体验，并且通过我们的努力目前为止已彻底解决二阶激光孔在实际生产过程中存在的各种问题，使产品质量得到稳步的提升与发展，并且针对此类爆孔、击穿问题的具体成因及措施，我们已经形成一套行之有效的管理体系与作业规范，确保不会再有类似问题发生。

从现有的加工技术看，激光技术在印制电路板加工中具有广阔的开发前景，如何利用激光技术、提升产品质量，将会成为PCB加工在高密度化趋势下发展的研究热点。

[1]韩荣第,周明. 金属切削原理与刀具, 哈尔滨工业大学出版社,1997,4.

[2]李旦,王广林,李益民. 机械制造工艺学, 哈尔滨工业大学出版社, 1997,10.

[3]胡友作等. CO2激光钻挠性板盲孔工艺参数的优化, 印制电路信息, 2012,4.

[4]黄雨新等. 激光在印制电路板制造中应用的新进展, 印制电路信息, 2012,4.