飞秒激光钻孔是PCB制造紧迫的技术课题

林金堵

本刊名誉主编

近10年来，电子产品持续走向小型化的同时、特别突出的是其功能更多、速度更快地向前发展着。在电子产品多功能化、信号传输高频化（或高速数字化）的冲击下，作为电子产品的基础部件印制板（PCB）必然要急剧地向高密度化、高精细化发展。而PCB高密度化、高精细化的 发展主要是要求“线”、“孔”、“层”等三大要素（结构）做小（细）、做精（尺寸精度）、做准（结构精准），才能满足要求。

目前，PCB高密度化正以封装（IC）基板为主体向前发展中，而PCB高精细化正以微小、高精度的线、孔和层等“三大要素”向前推动着。其中，将过去以“线”为主体发展转变为孔为主体的发展！因此，重视和抓好提高孔的质量制造已经排在PCB制造业的日程上来！

1 信号高频化带来的冲击

1.1 信号传输快速走向高频化

电子产品不仅迅速走向小型化和多功能化，更突出地是其信号传输急剧地走向高频（或高速数字）化发展。目前电子产品的信号传输频率已经从过去的兆（MHz）、十兆、百兆为单位发展到几个G（即千兆、GHz）、几十GHz、几百GHz，甚至上千GHz为单位的传输速度。尤其是在航天航空和国防军事等的电子工业产品上，其电子通信频率大多数为40～100 GHz之间，有的已经超过千千兆（1000 GHz），而且还在继续快速地提高着。可以这样说：那个国家的电子通信频率最高（电子通信最快），那个国家信息和国防最安全！

1.2 信号高频化的趋肤效应。

电子产品信号传输高频（高速数字）化必然带来趋肤效应（集肤效应）严重化。趋肤效应是指信号的频率传输越快，信号传输就越来越接近导体的表面进行，趋肤效应的结果是要求导体表面走向完美（无缺陷、特别是无粗糙度等）性。导体表面粗糙度是如何影响信号传输？若信号传输的表层厚度δ（趋肤深度skin depth）为1/e（36.97%），则趋肤效应的公式：

其中δ—表层厚度；σ—导电率；ω—角频率（=2πf，f为频率）；μ—导磁率。很显然，随着信号传输频率的提高，在导体内信号传输不仅只能集中在导体表面层δ厚度内进行，而且其表面层传输厚度将越来越薄（见表1）。

从表1中可看出，随着信号传输高频化（或高速数字化）的发展与进步，信号在导体中的信号传输表面厚度越来越薄，当信号传输高频化（或高速数字化）的发展达到一定数值（100 M）以后，传统的导体表面粗糙度便遇到了挑战，因此，必须根据信号传输频率和高速数字化程度来制造合适的粗糙度铜表面（如进行特性阻抗值大小控制），才能满足要求。

趋肤效应的程度是与高频化成正比的 ，越来越严重化（见表1）[1]，趋肤效应已经明显影响着信号传输效果。值得注意的是，不仅要求覆铜箔板的铜导体表面的粗糙度越来越小，而且其发展方向是无粗糙度（无轮廓）的铜毛面要求。

1.3 传统的铜表面粗糙度遇到挑战。

由于信号传输高频化的发展使其在铜表面传输厚度越来越薄，特别是传输信号≥1 G频率时，其信号传输仅在2.1 μm表面层内进行，这已经是在传统的粗糙度内进行传输信号，由于粗糙度会给传输信号引起“駐波”、“反射”、“散射”等的损失而带来信号减弱或失真。因此不仅传统的覆铜板的板材无法采用（主要是毛面粗糙度，见表2）。而且在PCB中的“线”、“孔”的传统表面粗糙度也不能采用了，这将是目前和今后对“孔”、“线”的最大的挑战！

从表2中看到，即使选定V（甚低粗糙度）级的覆铜箔层压板（特别是毛面轮廓）也不能满足高频（高速）化、特别是≥1 G的传输信号（见表1）的要求。因此，覆铜箔层压板工业要与印制电路板工业要一起共同进行创新、转型、发展，才能满足信息技术、电子工业发展的要求！可喜的是，目前我国采用化学方法（加入氧化石墨烯材料）已经得到毛面低粗糙度（轮廓）和很好的结合强度的覆铜箔层压板产品[3]。

2 “孔”将成为PCB制造的主题

2.1 PCB的孔、线和层的发展与进步

2.1.1 “孔”的走向。

PCB中“孔”变得越来越小、越来越密，目前导通孔直径已经小到50 μm或更小，同时以“孔”不断取代“线”（叠孔）的连接、使“孔”的数量越来越多，甚至全部成为“孔”（或含有“盘”而无“线”）的连接结构。如：封装基板SUB（Substracte）结构中，线越来越短、越来越少，而“孔”的数量越来越多。如：ALIVH（Any layer interistitial via hole的任意层互连孔结构）、B2it（Burted bump interconnection technology埋凸块互连技术）和FVSS（Free via stracked up structure任意叠孔）结构等的产品都不再含有“线”的连接，而是仅用“孔”进行“层”间的连接。

表1 信号传输频率与趋肤效应（趋肤深度）的关系

表2 覆铜箔层压板的铜箔表面粗糙度标准

2.1.2 “线”的走向。

PCB中“线”也变得越来越精细，而且变得越来越少、甚至变成无“线”的连接结构。因为过去PCB内连接是以“线”为主体的，当信号传输高频（高速数字）化后，必须进行特性阻抗值控制。但是，当导线小到50 μm以下（特别是小到20 μm）时，不仅导线本身制造成功率低，而更突出的是特性阻抗值变化范围的控制是非常困难的（如对20 μm导线进行特性阻抗值5%控制时，则要求导线尺寸变化或误差要在1 μm之内，在目前的生产设备及其工艺技术是很难做到的）。因此，导线在PCB中的主导地位被“孔”取代了，这也是PCB中变成无“线”连接结构走向的必然规律。

2.1.3 “层”的走向。

PCB内的“层”是起着绝缘、传导热和特性阻抗值等的作用，因此“层”将会长期存在，其厚度虽然也向越来越薄发展着，但是从绝缘、阻抗等角度来看，目前和今后的一段时间内，其厚度应该稳定在30 μm～50 μm之间，而其厚度和表面的精细度控制提高了，这是特性阻抗值和绝缘而要求的结果。所以从PCB板中“孔”、“线”和“层”的 发展上分析，可以看出，在今后和未来：“孔”将成为PCB发展的主导方向；“层”将会长期稳定存在着；而“线”是兔子尾巴长不了啦。

2.2 “孔”和孔 质量将主导着PCB的发展

从电子产品高频（高速数字）化的发展要求看，在目前进行数控机械钻孔和常规激光钻孔的两大类加工中，存在着不少问题，特别是孔壁粗糙度、钻污、热损（烧）伤和锥形（喇叭）孔等缺陷，这些缺陷将会给高频信号传输发生信号駐波、反射和散射等现象，当然会导致传输信号损失而使信号减弱或失真，这些缺陷越来越不能用于高频（特别是超高频）化信号传输的电子产品上。

2.2.1 数控机械钻孔。

传统的数控机械钻孔的钻孔直径ф≥0.1 mm，更小尺寸有困难或成本高。对于高频化应用场合，数控机械钻孔的质量存在两大问题：（1）是粗糙度大，其孔壁粗糙度都在8 μm左右（甚至更大）；（2）是热损伤使树脂钻污，必须进行去除钻污而带来孔壁表面改变（如粗糙度更大、表面能和不规则和缺陷等），其孔金属化后的表面铜更为复杂多变。这些对于高频信号传输（信号减弱或失真）的影响很大。因此，数控机械钻孔既不适用微小孔（特别是ф≤0.1 mm）加工场合，也不适用于高频化信号传输的领域。

2.2.2 传统激光钻孔。

传统的激光钻孔有红外激光钻孔（属于红外线区域，采用的波长为12.6 μm，后转为效率更高的9.6 μm波长）和紫外激光钻孔（属于紫外线区域，采用的波长是0.366 μm左右），由于紫外激光钻孔加工速度慢、成本高，因此紫外激光加工主要于切割，可获得较高精度和好的切割外观尺寸。而红外激光钻孔速度快、成本低，因此真正用于激光钻孔的是红外激光钻孔技术。

红外激光钻孔是采用红外线的“热效应”来完成的，由于是采用“微秒级”时间冲击（加工）的孔，因此“钻孔”不仅是“烧”出来的，而且还引起“热烧伤”，所以完成的孔是上大下小的“倒锥形”孔。同时，由于红外线的脉冲钻孔速度太慢（微秒级），引起严重的“热”传导（递）造成孔壁“热损伤”严重，不仅造成“倒锥形孔”，而且还使孔壁形成熔融物、残渣等复杂的表面，这对于孔金属化处理和信号传输是很不利的。采用紫外激光钻微孔，尽管是紫外线切割是“冷加工”的，但是由于是采用“微秒级”世界的冲击（加工）的孔，仍然会产生“热”而存在着“热”的传导（递）造成孔壁“热损伤”，尽管孔壁状况稍好于红外激光加工效果，但仍然不能达到满意结果。

2.3 无“热损伤”钻孔是实现高质量导通孔的根本出路

飞秒激光钻孔是指其脉冲激光光束每次冲击（“钻孔”）时间是在飞秒级[（1～100）×10-15s]内进行“钻孔”的，由于飞秒激光钻孔的时间远小于“热传导”时间，因此不会引起“热损伤”。而传统的红外激光钻孔或紫外激光钻孔的脉冲光束每次冲击时间是在“微秒级[（1～100）×10-6s）]”内进行钻孔的，远大于“热传导”的时间，必然导致严重的“热损伤”等缺陷。飞秒激光加工是以“飞秒级”时间进行加工的。1飞秒是1×10-15s，而“飞秒级”时间是指≤100飞秒（或1飞秒至100飞秒）的时间。

从目前接触到的机械（数控）钻孔和激光打（蚀）孔上看：机械（数控）钻孔的时间，在12万转速/分至30万转速/分的钻床上按每秒钟加工（1～10）个（次）孔计算，则机械（数控）钻孔的加工时间是亚秒级（0.1 s～1 s）；而CO红外（或紫外）激光打（蚀）孔的激光脉冲是分多次（大多数是为三次）加工来完成的，每次加工时间为3微秒到9微秒之间，因此是属于“微秒级”的加工时间，必然会引起“热损伤”；飞秒激光加工是指激光的脉冲加工时间是处在“飞秒级”（1飞秒至100飞秒）时间进行激光加工的，其脉冲打击时间极短，小于“热传导”所需要的时间，因此不会引起“热损伤”。

3 飞秒级激光加工的特点和优势

3.1 具有无热损伤区和无热致内应力的加工效果

热损伤和热致内应力的程度是由激光加工时间长短来决定的，激光脉冲加工时间越长，热损伤和热致内应力的程度就越严重，反之，激光脉冲加工时间越短，热损伤和热致内应力的程度就越小，当激光脉冲加工时间短于热传导需要时间就不产生热损伤和热致内应力了！这说明热传导时间是随着激光脉冲加工时间减短而降低[6]。

由于飞秒激光加工的部位不会发生热损伤区和热致内应力，因而可达到极其精准的位置度、精细的尺寸和精致的表面光洁度（≥▽11）或极好的表（截）面粗糙度（≤0.1 μm）。

飞秒激光加工的表（截）面粗糙度≤0.1 μm相当于表面光洁度≥▽11。而目前很好的机械加工光洁度为0.63 μm（▽8），所以飞秒激光加工的表（截）面≤0.1 μm的粗糙度是目前其他所有加工技术无法达到的效果[6]。

3.2 飞秒激光可实现“精”、“准”地钻孔

采用飞秒激光钻孔可得到无热损伤和无热应力的效果，其加工的“孔”可以达到十分“完美”的结构。

3.2.1 飞秒激光可实现“精”、“准”地钻孔

采用不同激光时间钻孔的效果表明：采用连续（不间断）的激光脉冲钻孔的

质量是最差的；采用纳秒的激光脉冲钻孔也不好；采用皮秒的激光脉冲钻孔能得到勉强地接受；而采用飞秒的激光脉冲钻孔是可得到相当完美的效果，其孔尺寸、表面光洁度等是与设计一致的。

3.2.2 在飞秒激光钻孔基础上实现完美的导通孔

由于飞秒激光钻孔的质量是十分理想而光洁的表面，其表面能大、活性高，因此不用进行表面处理，可直接进行孔金属化而获得完美的导通孔的质量。

采用飞秒激光钻孔进行传统的孔金属化、石墨烯孔金属化或氧化石墨烯孔金属化都可获得好的效果。而更重要的是飞秒激光加工的导通孔，由于孔壁粗糙度（≤0.1 μm）很低，在高频化信号传输中可明显减少信号传输损失和失真，特别是在叠孔结构的封基板装中有着极好的信号传输性能。

3.3 可明显提高制造业加工质量等级和应用效果

由于飞秒激光脉冲加工消除了“热损伤”和“热致内应力”等的缺陷而得到精准位置度和极小的表（截）面粗糙度（或极好的光洁度），使加工的产品极大提高了质量等级！同时，飞秒激光几乎可适用于制造业中所有材料进行加工（如切割、异形加工、钻孔、焊接等），因此飞秒激光加工对于提高制造业的产品质量等级将会起着重要而关键的作用!

3.3.1 在PCB进行异形加工、修整和切割等的应用。

飞秒激光加工的粗糙度可达到0.1 μm，比目前各种加工的粗糙度小上百倍或更多，不会形成孔表面残渣等杂物，其“精”、“准”的尺寸、位置度和形状与设计一致，是非常理想的加工效果！

3.3.2 目前在燃油喷嘴等加工应用。

大家知道机动车（特别是汽车等）的燃油燃烧不完全的废气是大气污染主要来源之一（由于汽车多，加上燃油喷射孔精度低造成燃油燃烧效率不高，既耗油又废气排放多），因此节能减排的燃油喷射用的微喷射孔加工精度和尺寸完美度是提高燃油燃烧效率的关键。为了提高燃油的燃烧效率，其微喷射孔加工精度越来越高，甚至要求≤1 μm或更小，因为提高燃油效率是关系到国家和世界环境污染大问题！而军用各种飞机的燃油微喷射孔的精度要求达到≤0.1 μm，则可极大提高燃油效率或航程、其重要意义将关系到飞机作战的能力、甚至关系到“空战”的成败问题！