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紫外UV激光加工FPC鉆盲孔技術


UV紫外激光加工多層FPC鉆盲孔技術研究分析

FPC多層線路板鉆盲孔技術采用哪種工藝更為有效,下面就UV紫外激光技術以及CO2激光兩種激光鉆盲孔的方法加以實驗論證

紫外激光由于波長短,聚焦光斑小,能量密度高,能直接熔化和蒸發材料,無需采用其它方法就可直接對銅層和絕緣材料進行加工,因而相對于CO2激光加工具有工藝程序簡單、流程短和效率高的優勢,在薄型高密度的微孔板特別是在疊層多芯片組件的高密度互連板和具有埋、盲孔結構的高密度互連多層板中得到廣泛應用。


利用紫外激光進行多層FPC鉆盲孔的難點在于盲孔深度的控制和盲孔底部表面絕緣材料完全去除一致性,采用傳統同心圓掃描或螺旋線掃描方法進行加工在微盲孔中心區域容易出現絕緣材料去除不干凈或者造成內層銅箔剝離等問題。

本文章為此提出了創新的定點一同心圓掃描結合加工方式,解決了傳統直接采用同心圓掃描或螺旋線掃描鉆盲孔加工方法中盲孔底部表面高度不均勻的問題。

 

隨著電子產品向著小型化、輕型化和功能多樣化以及高效化趨勢不斷發展,同時半導體集成電路的集成度不斷提高,速度不斷加快,對PCB密度要求也不斷提高,使得PCB上的導線越來越細,微孔也越來越小。當印制板上需要大量直徑小于200μm的小孔時,傳統機械數控鉆孔,由于鉆頭太細,故障率大大提高。對于孔徑小于100μm的盲孔加工,數控鉆孔已經無能為力,激光鉆孔幾乎成了唯一的選擇。  激光鉆盲孔主要集中在采用CO2激光和紫外激光兩種方法,這兩種方法約占到微孔加工的85%左右。CO2激光常用于加工PCB板中的樹脂和PI等非金屬材料,但由于材料吸收率低無法直接對銅層進行加工。盲孔加工前須對表面銅層進行“黑化”處理或采用紫外激光開窗口,工藝流程長而復雜,制作成本高。并且,由于基板材料漲縮和圖像轉移所采用的底片變形,可能產生窗口位置偏差,影響加工精度。此外,CO2激光以熱加工形式去除高分子聚合物材料,無法避免燒焦碳化現象,加工質量較差,嚴重時可能引起短路。而紫外激光波長短,聚焦光斑小,能量密度高,能直接熔化和蒸發銅層和樹脂或PI絕緣材料,無需采用其它方法就可直接對銅層和絕緣材料進行加工,去除銅層和絕緣材料形成小孔,使鉆孔直徑降到30μm以下,具有工藝程序簡單、流程短和效率高的優勢,在薄型高密度的微孔板特別是在疊層多芯片組件(MCM-L)的高密度互連(HDI)板和具有埋、盲孔結構的高密度互連多層板中得到廣泛應用。      目前,紫外激光鉆盲孔的方法主要有如下三種:定點脈沖(包含單脈沖或多脈沖鉆孔、螺旋線掃描和同心圓掃描鉆盲孔方法。激光定點脈沖鉆孔方法主要應用于盲孔直徑尺寸不大于紫外激光聚焦光斑尺寸的鉆盲孔方法。對于孔徑尺寸大于激光聚焦光斑的盲孔,則必須釆用螺旋線或同心圓掃描鉆盲孔方法,即紫外激光束從加工盲孔的圓心出發,分別以螺旋線或同心圓軌跡,按照設定的掃描間距向外運動,掃描整個加工孔徑以去除表面銅層和絕緣層的材料形成盲孔。      利用紫外激光進行多層FPC鉆盲孔的難點在于盲孔深度的控制和盲孔底部表面絕緣材料完全去除一致性,采用傳統同心圓掃描或螺旋線掃描方法進行加工在微盲孔中心區域容易出現絕緣材料去除不干凈或者造成內層銅箔剝離等問題。

本章針對現有鉆盲孔加工方式的不足提出了創新的定點一同心圓掃描結合加工方式,解決了傳統直接采用同心圓掃描或螺旋線掃描鉆盲孔加工方法中盲孔底部表面高度不均勻的問題。并結合PI和銅材料的單脈沖刻蝕率公式和掃描光斑等效脈沖數公式,給出了采用定點一同心圓掃描結合方式加工FPC盲孔時激光脈沖能量密度、激光頻率、掃描速度、同心圓掃描間距與材料厚度之間的關系式。根據該關系式對多層FPC鉆一階盲孔參數進行了優化,獲得了底部整潔光澤,錐度小,結構理想的盲孔。 2 材料特性      實驗中所用材料為PI覆蓋膜(厚度100μm)、紫銅箔(厚度37μm)和某公司生產的4FP。其中4FPC板的剖面結構包含壓延銅層(厚度18μm)、PI絕緣層(厚度12.5μmPI粘結層(厚度10μm、15μm兩種),去除材料為表面18μm銅層和一、二層銅之間的50μmPI材料(包含絕緣層和粘結層)。銅、PI的物理特性參數如表4-1所示,可見這兩種材料的比熱容和導熱系數等熱物理性質差別非常大,因此給多層FPC的微加工帶來一定難度。 3 定點一同心圓掃描結合鉆盲孔方式 (a)定點一同心圓掃描盲孔加工的方法

 

 

定點一同心圓掃描結合一階盲孔加工的具體加工過程:第一步采用定點紫外激光脈沖鉆盲孔方式對中心區域進行處理,去除圓心周圍區域激光光斑直徑范圍內的

第一銅層材料和部分第一絕緣層材料;

第二步采用紫外激光同心圓掃描方式向外運動,去除外圍區域的第一銅層和部分第一絕緣層材料,直到設定的盲孔直徑為止;

第三步采用定點紫外激光脈沖鉆盲孔方式去除中心區域剩余的第一層絕緣材料;

四步采用紫外激光同心圓掃描方式向外運動去除外圍區域剩佘的第一層絕緣層材料,改進后的鉆孔方式示意圖如圖

1

   

 

  1 定點一同心圓掃描盲孔加工步驟  (b)紫外激光定點一同心圓掃描結合方式鉆孔結果      2-1所示為實驗所用FPC材料一階盲孔的理論結果和實驗結果對比。通過實驗確定去除銅層的定點脈沖鉆孔個數為9,略小于理論值9.7,原因在于計算理論值時未考慮多脈沖加工的溫度累積以及金屬材料高溫下吸收率的提高,因此理論值偏大。在去除絕緣材料PI時,盡管部分PI以蒸發形式排出孔外,但孔底由“冷”加工形成的微細顆粒和熱作用形成的熔融材料仍難以去除。為保證孔底絕緣材料去除干凈,經過實驗得到去除PI脈沖定點鉆孔所需的個數為25,高于理論值21.1。  此外,表1中計算得到的掃描去除銅的掃描間距實驗值小于理論值,其原因是計算等效光斑數時假設光斑大小范圍內能量密度平均,而實際光斑能量分布為高斯分布,因此光斑親合部分的激光能量理論值比實際值偏大,圓周方向理論等效光斑數偏大,推導出的光斑直徑方向的等效光斑數理論值偏小。雖然能量分布誤差造成的直接影響使得直徑方向等效光斑數理論值偏大,但由于圓周方向的光斑重疊率比直徑方向重疊率高很多,因此圓周方向誤差的影響占主要地位,綜合影響使得光斑直徑方向的等效光斑數理論值偏小,造成掃描間距理論值偏大。而掃描去除PI的掃描間距實驗值小于理論值,其原因是盲孔底部較表面深約70μm,激光離焦后光斑直徑增加,激光能量密度降低。經過計算可知當光斑直徑增加50%時,N 定點 增加 24.72%,N圓周增加41.83%,可見綜合各因素影響后N徑向下降12.1%,可算得此時理論掃描間距為8.14μm與實驗值更為接近。


采用傳統同心圓掃描方式鉆孔結果如圖2(a)所示,靠近圓心的位置激光作用范圍小,能量集中,刻蝕深度比遠離圓心的范圍大,工藝參數很難控制,容易出現將第二層銅刻穿與下一銅層連接或者中心區域絕緣材料未去除干凈等現象。利用改進后的定點一同心圓掃描結合方法加工盲孔的顯微照片如圖2(b)所示,可見微孔中心沒有過蝕發黑區域,孔底中心區域干凈平整。



 圖3(a)所示為紫外激光加工FPC—階盲孔的SEM圖,可以看到,中心沒有加工過深的問題也沒有明顯的掃描刻槽,底部整潔光澤,錐度小,結構理想。圖3(b)所示為盲孔三維掃描圖,盲孔入口處有一圈重熔層,最高處距離表面為13.36μm。圖3(c)所示為盲孔剖面二維輪廓圖。從檢測結果可知,盲孔底面最大高度差為7.16μm3(c)B區域為重鑄層粗槌度檢測區域,其值為0.89μm,A區域為孔底粗糙度檢測區域,其值為1.06μm符合電子行業要求。


 

      (a)盲孔底部形貌圖         (b)盲孔三維掃描輪廊圖     (c)育孔剖面二維輪廊圖  3紫外激光定點一同心圓掃描結合方式鉆FPC盲孔形貌和輪廓掃描照片

  

3 總結     

1)定點一同心圓掃描結合加工方式解決了直接采用同心圓掃描或螺旋線掃描鉆盲孔加工方法中盲孔底部表面高度不均勻的問題。 

2)通過對多層FPC鉆一階盲孔參數進行優化設置,可以獲得底部整潔光澤,錐度小,結構理想的盲孔(直徑200μm),測得盲孔底面最大高度差為7.16μm,孔底表面粗糙度Ra1.06μm,符合電子行業要求。 

 4 參考文獻  [1]  邵丹,胡兵(拓普銀激光CEO),鄭啟光編著. 激光先進制造技術與設備集成。(第一版).北京:科學出版社,  2009 

 [2]  俞君,曾智江,朱三根等. 紫外激光在微細加工技術中的優勢研究. 紅外,2008,29(6)  9~13 

 [3]  張菲,段軍,曾曉雁,李祥友.355nm紫外激光器加工多層柔性線路板盲孔. 紅外與激光工  程,2010, 39(1)143-146 

 [4]  鄭啟光. 激光先進制造技術[M]. 武漢:華中科技大學出版社,2002.  

[5]  張菲,段軍,曾曉雁,李祥友. 355nm紫外激光器加工多層柔性線路板盲孔. 紅外與激光工       程,2010, 39(1)143-146 

 [6]  張菲,曾曉雁,李祥友,段軍. 355nm1064nm全固態激光器刻蝕印刷線路板. 中國激光, 2008,35(10)1637-1643

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