PCB微孔成孔技术的现状

杨宏强

（上海尚容电子科技有限公司，上海 201302）

0 前言

孔在印制电路板（PCB）中的主要作用是实现层间互连或安装元件，几乎所有的PCB需要孔。随着电子产品越来越复杂，PCB上的孔越来越密，技术难度越来越高，设备投入越来越大，因此成孔技术越来越重要，值得深入研究、分析。

业界常以导通与否把孔分为电镀孔（PTH）、非电镀孔（NPTH）两类；以孔两侧可见与否把孔分为通孔（Through hole）、盲孔（Blind via）、埋孔（Buried via）（见图1）。

就成孔方式来看，PCB业界采用过的成孔方式有：机械钻孔、机械冲孔、激光成孔、光致成孔、化学蚀孔、等离子蚀孔、导电柱穿孔等，目前应用相对较为广泛和成熟的成孔技术为：机械钻孔和激光成孔（注：业界常用“激光钻孔”，实际上“激光成孔”一词更要准确些，因为这是“光”加工的过程，本文采用“激光成孔”这一说法）。

就目前PCB的技术发展状况而言，一般将孔径在0.3 mm及以下的孔称为微孔（Micro-via），本文将对此类微孔进行探讨。对于微孔成孔，目前最常用的工艺有机械钻孔、CO2激光成孔、UV激光成孔三种。简单来说，微孔中的盲孔多采用激光成孔（CO2激光成较大孔，UV激光成较小孔）；通孔（含埋孔）则多采用机械钻孔。

图1 孔结构示意图

1 机械钻微孔技术现状

PCB机械钻微孔属超高速机械加工，目前主轴最高转速可达35万转/分。一般30万转/分的机械钻孔机每分钟可钻500个左右的ф0.1 mm的孔（注：此数据仅供参考，不同的加工条件钻孔速度差异较大）。一般机械钻孔可用于各种类型的PCB微孔加工（如HDI、芯片级封装载板、FPC等）。下文将从钻头（物料）、工艺和质量三方面展开阐述。

1.1 钻头

机械钻微孔中用到的主要物料为钻头（又名钻刀、钻针、钻嘴），它是机械钻微孔过程中用到的切削刀具。

PCB用钻头，一般刃部采用钨钴类合金（硬质合金材料），目前钻头的制造有整体式、插入式和焊接式三种，插入式和焊接式的钻头柄部为不锈钢；刃部多采用外周倒锥和钻心倒锥的设计结构。该合金以碳化钨（WC）粉末（88～94%，注：碳化钨已从原来的90%降到88%）[1]为基体，以钴（Co）（6`12%）为粘结剂，经高温、高压烧结而成，具有高硬度（碳化钨硬度在92.5 HRA以上，抗弯强度在4000 N/mm2以上）和高耐磨性。调整碳化钨和钴的配比和碳化钨颗粒度大小，可以改变钻头的性能，微孔钻头一般钴含量要较其他钻头多一些。钴含量变化引起钻头性能变化的状况（见表1）。

表1 钻头性能与钴含量的基本关系

目前，PCB常用微孔钻头（简称微钻）刃部直径规格有0.075、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3 mm等，也有0.05 mm及其他特殊直径规格，但相对较少。图2为日本佑能公司的钻头能力状况，其在2008年宣布可以试制ф0.007 mm的钻头，实际可供应的最小钻头直径为ф0.02 mm；中国大陆的金洲公司在2020年初宣布其突破ф0.01 mm的钻头。（注：成年人头发直径约ф0.07 mm，ф0.007 mm的钻头直径是头发直径的十分之一）。

图2 为日本佑能公司的钻头能力状况

微孔钻头柄径有两种：ф2.0和ф3.175 mm，一般主轴转速30万转/分及以上的钻孔机多使用ф2.0 mm的钻头柄径；钻头刃部多为UC型（对钻头刃部进行修磨，以减少棱刃与孔壁的摩擦）；为了分散微孔钻头的应力集中现象，一般在钻头柄部与刃部之间加入了缓冲段，做成阶梯状。

微孔钻头的发展趋向是碳化钨晶粒度由目前的0.2 μm向纳米级减小，结构上由双排屑改为单排屑（或者改为单刃型设计），增大螺旋角度，减小钻尖角等，以提高抗扭矩力和韧性，并保证硬度。另外，为了提高钻头硬度，减小摩檫，降低切削温度，目前正在开发微孔钻头表面强化（或者涂层）技术（此技术在大钻应用比较成熟），具体有电弧离子镀、离子注入、化学气相沉积（将特硬的碳化钛或氮化钛等化学沉积到碳化钨基体表面）和磁控溅射等技术[2]。

1.2 工艺

机械钻微孔中需要关注的工艺参数主要有以下6个：

（1）转速/切削速度。

转速：每分钟主轴旋转的圈数

切削速度：每分钟切削距离

（2）进刀速度/进刀量。

进刀速度（也称落速）：每分钟主轴下降的距离

进刀量：主轴每旋转一圈所钻入的距离

（3）退回速度。

退回速度（也称提速）：每分钟主轴提升的距离

（4）叠板数。

影响叠板数的因素有：板层数、板厚、最小钻孔孔径、孔位公差要求、内层铜厚、孔环等，主要需要关注板层数、板厚、最小钻孔孔径。

（5）钻头状态。

钻头状态包括钻头的研磨次数和钻孔数。随着微孔钻头的研磨次数增加，钻孔质量将逐渐变差，故钻孔数需要减少。由于更小的微孔钻头（如ф0.1 mm和ф0.075 mm的钻头）比较难研磨，故PCB厂家多数情况下使用一次就报废处理（最多可研磨一次，但相应的孔数要减少）。

（6）有效行程。

有效钻孔行程是钻头下限值（Down值）和上限值（Up值）之间的差值；这一点有时易被忽略，但应注意：增加0.5 mm的无效钻孔行程，对微孔钻孔可能会造成15%以上的产能损失。

机械钻孔工艺参数（钻削条件）对微孔加工、加工质量的影响见表2和3。

曾经有些公司推出了可进行盲孔加工的机械钻孔机（最精准的孔深精度控制在±12 μm，见图3），但是随着激光成孔机的技术成熟和效率大幅提升，机械钻盲孔的应用愈来愈少（注：控制深度机械钻孔技术目前应用愈来愈多，但孔深精度要求不如钻盲孔高）。

1.3 质量缺陷

表2 钻削条件对微孔加工的影响

机械钻微孔常见的质量缺陷有：孔大、孔小、多钻、漏钻、未钻透、偏孔、钉头（内层铜面两侧延伸的厚度大于铜厚的100%）、孔壁粗糙度超标、孔内毛刺、内层拉盘、内层破盘等。

表3 钻削条件对微孔加工质量的影响趋势

图3 机械钻盲孔例

质量缺陷常用的检验工具有：

（1）塞规：检查孔径大小；

（2）标准胶片/底片：检查钻孔位置及有无多钻、少钻；

（3）放大镜：检查孔口、孔壁状况；

（4）检孔机：检查孔数量、孔径、孔位置精度。

一般用在高层次PCB（例如载板）上的机械钻微孔的孔形（如孔壁粗糙度控制在≤25 μm）、孔径（如孔径公差控制在+10 μm/-20 μm以内）、孔位（如孔位精度控制在≤±40 μm，甚至≤±30 μm）等质量要求普遍比较高。

2 激光成孔技术现状

激光（Laser）是英语Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（通过受激辐射实现光放大）的缩写。世界上第一台激光器诞生于1960年。60多年来，激光技术已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，在PCB行业应用也非常成熟。激光成孔兴起的主要原因是PCB布线越来越密，但传统的机械钻孔无法快速、稳定量产微盲孔的加工（减少通孔，增加盲孔是提高PCB密度的有效的方法）等。下文将从激光原理、工艺和质量缺陷三方面展开阐述。

2.1 激光原理

2.1.1 激光分类

（1）按输出的连续性与否分为：连续波和断续脉冲式（Q开关）激光；

（2）按产生激光的主要介质分为：气体激光（如CO2分子、准分子）、固体激光（如Nd：YAG激光，为掺钕钇铝石榴石晶体，钇铝石榴石晶体为其激活物质，钕原子含量0.6～1.1%，可激发脉冲激光或连续式激光）、液体激光、半导体激光（GaAs）；

（3）按波长分为：紫外激光（波长248～355 nm）、红外激光（波长9300～10600 nm）。

2.1.2 激光加工原理

光照射到物体时，一部分被表面反射（反射率大小与物体表面形貌、被加工物质特性有关），一部分透过表面进入物体内部，被物体吸收（光的吸收率与材料属性直接相关，吸收的光对物体产生热效应），还有一部分穿透过物体。

光要对物体产生作用，物体必须尽可能多的吸收光。物体对光的吸收不仅与光的波长有关，同时与物体自身属性有关，图4是PCB主要原材料对光的吸收率。从图4可以看出：树脂对不同波长的光的吸收率没有明显差异，它在紫外光和红外光区域的吸收率都较高；玻璃纤维对不同频率光的吸收率差异较大，它在紫外光和波长较长的红外光区域的吸收率较高；铜箔仅在紫外光区域的吸收率高（故红外光很难直接加工铜箔）。

图4 PCB主要原材料对光的吸率 （资料来源：ESI）

20纪80年代末，业界出现了用于PCB成孔的CO2激光成孔设备，使用的是波长为9400 nm的红外激光，成孔速度快，但只能加工树脂、玻璃纤维，无法直接加工铜箔。90年代后，出现了以惰性气体为光源的成孔设备（如ArF、KrF、XeF等），其波长达到了193、266、351 nm，该类激光设备可直接加工铜箔，但成孔速度慢，同时需要提供惰性气体。之后出现了采用Nd：YAG的激光成孔设备，波长355 nm，其峰值功率可达十几千瓦，这种强功率的紫外激光可直接加工铜箔，且速度较快。目前研发的有紫外混合光纤（耦合）激光和飞秒（10～15 s）激光成孔设备[5]。

2.1.3 激光光束模式

通常，为了使得激光成微孔的孔型更好，一般都会将最初的高斯状分布的激光光束（Gaussian beam mode）变换为扁平式分布的激光光束（Top hat beam或称作Shaped beam），见图5所示。

图5 激光光束模式（左图为高斯分布，右图为扁平式分布）

2.2 激光成微孔工艺

目前业界常用的激光成孔有CO2（属红外光，用CO2做激光源）和UV（紫外激光，用Nd：YAG做激光源）两类（两者基本性能比较见表4）。最新的激光成孔机多为两台面两束激光或者两台面四束激光（采用分时或分光的方式将一束激光变换成两束激光以提高加工效率）。

表4 CO2和UV激光基本性能比较表

2.2.1 CO2红外激光工艺

其加工过程是：被加工件吸收CO2红外激光能量后，分子做剧烈热运动，当加热温度达到材料熔点时，材料发生熔化；若持续供给激光能量，材料上的温度在极短的时间内上升使材料气化，而后蒸发飞逸形成孔。因此有时把CO2红外激光加工称作热加工。

受CO2激光加工波长的限制，通过光学系统聚焦的CO2激光光束直径最小约35 µm左右，故可加工微孔的最小孔径为35 µm，见图6。

一般CO2红外激光常用于HDI板、芯片级封装载板的微孔加工。

图6 35 µm的激光孔（左：从顶部看，中：从底部看，右：切片图）

2.2.2 紫外激光工艺

其加工过程是：被加工件吸收紫外激光能量后，紫外激光的化学能就能破坏有机分子的分子键、金属晶体的金属键和无机物的离子键，形成悬浮颗粒或原子团、分子团或原子、分子，这在局部发生蓬松，施以吸力，可使小微粒逃逸或被强制吸走形成孔。因此有时把紫外激光加工称作冷加工。

一般PCB加工用的紫外激光的最小光斑尺寸为15 µm，理论上最小的成孔孔径可为15 µm（采用punch方式）；但应该注意，实际中多数情况下，紫外激光加工的孔径要大于15 µm，可参考图7的说明（图7中左图选择的是圆形路径，也可选择其他的激光行走轨迹路径）；若沿激光束轨迹的激光能量最大，最终打掉的底铜也深。

一般紫外激光常用于FPC（此类机台一般是一台面一束激光，紫外激光不易碳化FPC中的PI）、带有极小微孔的芯片级封装载板的微孔加工。

2.2.3 CO2红外和UV激光加工能力对比

CO2激光和UV激光加工能力对比见表5所示。

图7 紫外激光成孔（左为示意图，右为切片图）

表5 CO2和UV激光加工能力比较表

图8 Conformal Mask工艺（左为激光成孔后的切片，右为电镀后的切片）

图9 Large Window工艺（左为激光成孔后的切片，右为电镀后的切片）

图10 铜面减薄+处理+ CO2激光成孔（左为激光成孔后的切片，右为电镀后的切片）

图11 CO2激光成通孔（左图为二层通孔，一般呈“×”状，右图为三层通孔）

图12 UV激光成盲孔

图13 UV激光成通孔

图14 UV激光成锥形孔（下孔径为15 μm，左为激光成孔后的切片，右为电镀后的切片）

2.2.4 激光成孔的工艺参数

CO2激光成孔的主要工艺参数有：光束直径、脉冲宽度、脉冲数量和成孔模式。图15中右图为Via Mechanics公司新申请的一种CO2激光直接成孔模式的专利，不同的成孔模式，最终的成孔速度、孔形质量差异很大。UV激光成孔的主要工艺参数有：光束移动速度和行走轨迹、圈数、激光频率和激光功率等，较为复杂。

2.2.5 激光成孔的关键技术点

（1）加工工艺参数。

见图16，图中的六个圈所示的位置，理论上激光参数应该是不同的（特别是A和B处差异很大），但实际中只能选择一种，故设定参数时既要考虑去除掉位置A处的玻璃纤维，也要考虑不可过大损伤位置B处的底铜）。

（2）铜箔、介质层厚度。

厚度不均，公差过大，参数越难选取，应尽量控制铜箔、介质层的厚度不均、公差过大问题。

（3）对位。

对位问题涉及到两种对位：层间对位和整板对位。

对于激光成孔的层间对位，一般即使有偏差，大都在可接受的允许范围内，如图17的右图所示（注：对于机械钻通孔的对位标靶或者定位孔，通常是各层图形标靶综合后的中心位置，它兼顾了各层图形由于涨缩、偏移等因素导致的标靶偏位情况；对于激光成盲孔的对位标靶，多数仅是参考次外层图形上的标靶位置，所以不同层间的盲孔位置可能会有偏移）。

整板对位则是比较大的问题。如果前期未控制好（特别是涨缩较大的材料，或者非线性、非对称的扭曲变形），后续偏移可能会比较大；对此，一种方法是对位算法的优化（不能是简单的算术平均），另一种方法是分区域对位法（即多组标靶孔对位，一般为两分法或者四分法，主要是针对对位精度要求极高的PCB），如图18所示（注：后续工序也应该进行相应的分区域对位）。

图15 两种CO2激光直接成孔模式

图16 不同位置的激光参数选取差异

图17 层间对位（左图无偏移，右图有偏移）

图18 分区域对位法

2.3 质量缺陷

激光成微孔的质量标准一般要求较高，缺陷检查项目也较多。如孔壁粗糙度一般要控制在≤18 μm，孔径公差一般控制在≤±20 μm（为便于后续的盲孔电镀，一般激光微盲孔加工为倒梯形状，0.65ф（下孔径）≤ф≤1.1ф（上孔径）），孔位精度一般控制在≤±20 μm等。

具体来看，激光成孔常见的质量缺陷有孔径不符、偏孔、漏孔、多孔、孔壁侧蚀、鼓形、玻璃纤维突出、树脂残留、底铜损伤、孔底外沿微裂、底铜分离、孔口悬铜等。

3 结语

综上，目前来看：在HDI和芯片级封装载板领域，微孔孔径在0.15 mm及以上的通孔，多采用机械钻孔；孔径在0.05～0.15 mm之间的通孔，视工艺流程、规格要求、成本状况选择机械钻孔或者CO2激光成孔；孔径在0.05 mm以下的通孔多采用UV激光成孔。微孔孔径在0.05 mm及以上的盲孔多采用CO2激光成孔；0.05 mm以下多采用UV激光成孔。