隨著智能手機和手表等小型移動電子設備、可穿戴設備以及新近先進汽車電子設備的普及，柔性印刷電路板(FPCB) 制造中，銅/聚酰亞胺/銅 (Cu/PI/Cu) 層壓板激光微鉆孔成為一項常見而又關鍵的工藝。所謂盲孔，就是將頂部銅箔和下面的聚酰亞胺層干凈地去除，留下?lián)p傷超小的底部銅層，這個基準流程確定激光鉆孔技術適用性。加工盲孔中的主要挑戰(zhàn)包括盡可能減少頂部銅開口處的毛刺以及對裸露底部銅層的損壞。此外，由于競爭激烈的微電子制造市場需要進行大量的鉆孔加工，高產(chǎn)量是另一硬性要求。隨著孔徑的縮小和產(chǎn)量的提高，紫外半導體泵浦固態(tài) (UV DPSS) 和/或紫外主控振蕩器功率放大器 (MOPA) 激光器的使用越來越廣泛。

成功的盲孔通常需要兩個步驟：步驟 1（頂部銅層開口）和步驟 2（中間聚酰亞胺薄膜燒蝕）， 這兩步分別采用不同的優(yōu)化激光參數(shù)。12/25/12 µm Cu/PI/Cu 層壓板中直徑為 50 µm 的孔，如下面圖 1 所示。

圖 1. 常見 FPCB Cu/PI/CU 層壓板中的兩步盲孔加工工藝示意圖。

由于銅和聚酰亞胺具有重要的工業(yè)意義，因此位居激光材料加工中研究較深入的材料之列。銅的去除需要相對較高的能量密度（光通量，單位為 J/cm2），并且在熔融銅重新凝固時容易形成毛刺。由于需要較高的光通量，因此很難用通常可用的激光脈沖能量去除大面積銅（數(shù) 10 微米以 上），而且容易形成毛刺，這也給銅電鍍和層壓板堆疊等下游工藝帶來了挑戰(zhàn)。

另一方面，聚酰亞胺能強烈吸收紫外波長，因此經(jīng)過光化學燒蝕（“光燒蝕”）后，紫外激光能夠產(chǎn)生熱影響最小的高質(zhì)量形貌。同時聚酰亞胺是一種熱彈性聚合物，因此可使用一系列的光通量值，在避免熔化、碳化或其他熱效應的同時，實現(xiàn)從溫和到非常強烈的燒蝕。另外，良好的燒蝕效果通常出現(xiàn)在低到中等的光通量水平，但是燒蝕率（每脈沖深度） 也往往偏低。因此，如果激光源能在較寬的脈沖重復頻率 (PRF) 范圍內(nèi)以較高的平均功率工作，既能獲得較高的脈沖能量，也能獲得較低的脈沖能量，并能對這兩種能量進行快速編程，有助于獲得出色的Cu/PI/Cu 層壓板鉆孔效果，同時實現(xiàn)高質(zhì)量和高產(chǎn)量。

MKS Spectra-Physics® Talon® Ace UV100 激光器可實現(xiàn)上述目標：這款激光器能夠在寬泛的脈沖能量和 PRF 范圍內(nèi)，提供 100 W 的紫外功率，包括 200 kHz 時的 500 µJ、 1 MHz 時的 100 µJ、以及介于兩者之間的一系列值。脈沖寬度可選，范圍從 <2 ns 到 >50 ns，內(nèi)置功能強大的TimeShift 可編程脈沖技術，可實現(xiàn)脈沖時間整形和定制脈沖串輸出。

我們使用 2 軸振鏡掃描儀/f-theta 物鏡系統(tǒng)測試了 Talon Ace 在 12/25/12 µm Cu/PI/Cu FPCB 層壓板上的兩步鉆孔工藝。聚焦條件為基本高斯光束，沒有使用平頂式或其他整形光學元件。另外我們使用了標準 f=330 mm 物鏡，來測試近似 50 µm 的孔直徑，并針對形成微孔所需的兩個步驟中的每個步驟， 優(yōu)化激光的脈沖時間輸出。圖 2（a、b、c）顯示了步驟 1 （銅開口）中孔特征的顯微鏡圖像和 3D 光學表面輪廓分析圖。

圖 2. 步驟 1 銅開口，(a) TimeShift 優(yōu)化后的激光輸出，(b) 單個 10 ns脈沖輸出， (c) 單個 2 ns 輸出，每個輸出的曝光時間為 40 µs。

圖 2a 所示的 Talon Ace 的 TimeShift 優(yōu)化結(jié)果是定制脈沖串輸出，完全可編程，可獲得出色的邊緣質(zhì)量（<2 µm 毛刺）和干凈的銅去除效果，僅需 40 µs 的曝光時間（在 150 kHz PRF 下，只需 7 個脈沖串）即可打穿底層聚酰亞胺。開口邊緣的碎屑和氧化物十分少，這表明整體加熱程度較低，而高效利用了可用的脈沖能量。當使用完全相同的功率、PRF 和曝光時間（圖 2b）與單個 10 ns 脈沖時，結(jié)果是銅去除不徹底、毛刺較高、碎屑和氧化明顯增多。這些在激光參數(shù)完全相同的情況下產(chǎn)生的明顯不同的加工效果，證實了 TimeShift 脈沖可編程在鉆孔加工中的優(yōu)異價值。最后，圖 2c 顯示了使用 2 ns 超短脈沖寬度時的結(jié)果。盡管銅被去除，但孔徑減小，邊緣毛刺之大（>10 µm），令人無法接受。

確定了步驟 1 的優(yōu)化參數(shù)后，剩下的步驟 2（聚酰亞胺去除）就相對簡單了，因為我們已經(jīng)知道：(A)無需對脈沖進行整形，就能得到很好的質(zhì)量，(B)要達到優(yōu)異質(zhì)量，就需要低光通量，因此低脈沖能量是佳選。因此，Talon Ace 以超高 PRF 運行，以維持 100 W 平均功率輸出（1 MHz 和 2 ns 脈寬）。圖 3 顯示了一個完整的微盲孔，在步驟 1 和步驟 2 中使用獨特的 TimeShift 脈沖輸出曲線進行加工。

圖 3. Talon Ace UV100 采用兩步法鉆出直徑約 50 µm 微孔的光學顯微鏡(a) ，和光學表面輪廓分析圖像(b)。

與僅采用步驟 1 的結(jié)果相比，頂部銅開口（圖 3a，頂部） 的質(zhì)量與步驟 1 相同或略有提高，裸露的底部銅層（圖 3a，底部）的質(zhì)量同樣出色。值得注意的是，步驟 2 中使用的短脈沖、低能量輸出也有利于使底部銅層最小。這就允許了更大的公差和一定量的過度加工，以確保完全去除聚酰亞胺。光學分析圖像證實，在聚焦高斯光束的中心位置，毛刺十分小（圖3b，上圖）且底部銅層的去除也非常輕微（圖 3b，下圖）。

去除聚酰亞胺所需的時間確定為 45 µs，即 1 MHz 下的 45 個脈沖。整個激光加工時間（步驟 1 和步驟 2 的總和） 為 40 + 45 = 85 µs，相當于每秒 > 11700 個孔。這是一個純理論數(shù)字，不包括在孔位置之間移動所需的時間。先使用步驟 1 的參數(shù)，然后，再使用步驟 2 的參數(shù)鉆出整個孔圖案，中間僅切換一次激光輸出的情況下，激光所能達到的吞吐量。使用 Talon Ace UV100 時的脈沖輸出切換速度也非常快（僅需 10 微秒），因此可以在鉆完每一個孔后再進行下一個鉆孔，鉆孔速度非常高，接近 10000 孔/秒。

由于燒蝕銅和聚酰亞胺的首選激光參數(shù)存在差異，因此在 Cu/PI/Cu FPCB 層壓板上進行盲孔鉆孔特具挑戰(zhàn)性。盡管 UV DPSS 激光器在這項任務中的應用非常廣泛，但它們通常都配有昂貴而復雜的光束整形和掃描設備。Talon Ace UV100 和 TimeShift 脈沖編程技術建立了在時域中形成脈沖能量的新機制，實現(xiàn)了快速、精確的特定材料工藝加工。

優(yōu)異的產(chǎn)品性能

• Talon Ace UV100 的高平均功率和高質(zhì)量高斯光束，可實現(xiàn)高速微孔加工，非常適用于柔性 PCB 制造。
• TimeShift 可編程脈沖功能可調(diào)整 Talon Ace 的輸出，以匹配疊層中每種材料的理想脈沖能量和時間強度曲線。
• 使用 TimeShift 技術解決了的工藝難題包括銅邊去毛刺、背面銅損傷以及聚酰亞胺相對較低的燒蝕率。
• Talon Ace 能夠在 10 微秒內(nèi)快速改變脈沖時間輸出曲線，這一特殊功能，減少或消除了對昂貴而復雜的光束整形和掃描設備的需求。

文章來源：MKS 光電解決方案

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