專利名稱：采用激光束打微型孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在一個(gè)多層基底上打微型孔的方法，該多層基底具有一個(gè)第一金屬層和至少一個(gè)第二金屬層、并在每兩個(gè)金屬層之間設(shè)置一個(gè)電介質(zhì)層，所述打孔通過采用固體激光器的能量束的輻射來進(jìn)行，其中，輻射在兩個(gè)階段中這樣進(jìn)行，在第一階段中分別去除第一金屬層和一部分位于第一金屬層下面的電介質(zhì)層；在第二階段中將電介質(zhì)層整潔地一直去除到第二金屬層。
在電路基底小型化的進(jìn)程中，對(duì)制造直徑小于200微米的通孔以及盲孔的需求日益增長，而采用機(jī)械鉆頭或者沖針是幾乎不可能完成的。在該領(lǐng)域長期慣用的做法是借助于激光鉆孔來制造微型孔。然而，在這種情況下出現(xiàn)的問題是，一方面不同的材料、也就是導(dǎo)體材料例如銅和另一方面電介質(zhì)、例如具有或者沒有進(jìn)行玻璃纖維強(qiáng)化的聚合物對(duì)激光加工提出了截然不同的要求。絕對(duì)公知的是，哪些激光器在哪些波長范圍內(nèi)最適合于在金屬上打孔或者在塑料上打孔。如果多層基底采用同一個(gè)激光器打通孔，或者為產(chǎn)生與金屬中間層的電連接而設(shè)有盲孔的話，又會(huì)出現(xiàn)問題。在對(duì)這類不同材料層進(jìn)行打孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的熱效應(yīng)、例如金屬層和電介質(zhì)層之間的分離效應(yīng)，損壞電介質(zhì)本身、或者將本該與盲孔接觸的金屬層意外打穿。
在US 5 593 606 A中描述了一種多層基底上對(duì)微型孔進(jìn)行打孔的方法，其中，借助于具有同一個(gè)確定尺寸的UV-激光器將具有不同特性的至少兩層完全打穿。但如果激光束這樣確定尺寸，使它打穿第一金屬層，此后完全去除電介質(zhì)層，那么在沒有通過相應(yīng)的測量裝置確定達(dá)到要求的孔深和及時(shí)停止打孔過程的情況下，無疑會(huì)存在這樣的危險(xiǎn)，即它在第二金屬層處不能及時(shí)停住，此時(shí)第二金屬層或多或少會(huì)共同受到侵蝕。
為解決這一問題，US 5 841 099提出了(在對(duì)兩層進(jìn)行打孔時(shí))兩階段的方法，其中，在第一階段中將激光器調(diào)整到較高的能量密度而對(duì)第一金屬層打孔；其中，在第二階段中如此降低激光器的能量密度而對(duì)電介質(zhì)層進(jìn)行打孔，使其不超過金屬蒸發(fā)的界限。因此，激光器由于其降低的能量密度不會(huì)再打穿與電介質(zhì)層鄰接的第二金屬層。為了在第二階段調(diào)整這種降低的能量密度，在此處建議提高激光器的重復(fù)頻率。然而，按照這種方式不能最佳利用激光器能量并獲得最佳的加工速度。
因此本發(fā)明的目的在于，借助于一種激光器進(jìn)行打微型孔的上述已知的兩階段方法這樣完成，使得可以在最佳利用激光器功率的情況下，以高質(zhì)量和盡可能高的加工速度制造微型孔。
采用根據(jù)本發(fā)明的方法該目的得以實(shí)現(xiàn)，即在一個(gè)多層基底上打微型孔，所述多層基底具有一個(gè)第一金屬層和至少一個(gè)第二金屬層，并在每兩個(gè)金屬層之間分別設(shè)置一個(gè)電介質(zhì)層，所述打孔通過固體激光器以至少10千赫茲的重復(fù)頻率、小于1100納米的波長和小于50納秒的脈沖寬度的能量束的輻射來進(jìn)行，其中，輻射分兩個(gè)階段如此進(jìn)行在第一階段中分別去除第一金屬層和一部分位于所述第一金屬層下面的電介質(zhì)層；在第二階段中將電介質(zhì)層整潔地一直去除到第二金屬層，包括下列步驟-在第一階段中，將激光束調(diào)整到至少為15千赫茲的重復(fù)頻率并在第一金屬層上聚焦，以第一循環(huán)速度在與所要求的孔直徑相應(yīng)的圓周內(nèi)多次移動(dòng)，直至至少將第一金屬層切斷，其中，完全去除在孔范圍內(nèi)的金屬層；以及-在第二階段中，將激光束調(diào)整到等于或者小于第一階段的重復(fù)頻率上，在焦點(diǎn)之外對(duì)準(zhǔn)孔內(nèi)露出的電介質(zhì)層，以高于第一循環(huán)速度的循環(huán)速度在所要求的孔直徑內(nèi)部的一個(gè)或者多個(gè)同心圓周內(nèi)多次移動(dòng)，直至去除在孔范圍內(nèi)的電介質(zhì)層，其中，這樣調(diào)整散焦和/或者第二速度，以使有效能量密度在第二階段低于用于去除第二金屬層的界限。
因此在根據(jù)本發(fā)明的方法中，不像現(xiàn)有技術(shù)中那樣，為降低有效能量密度在第二階段去除電介質(zhì)時(shí)提高重復(fù)頻率，而是最好降低或者最多保持在與第一階段相同的參數(shù)上。更確切地說，降低有效能量密度是通過散焦、因此也是通過擴(kuò)大由激光束所擊中的光點(diǎn)直徑來完成的，此外還通過提高循環(huán)速度，由此縮短單個(gè)激光脈沖對(duì)準(zhǔn)確定平面的作用時(shí)間。
為在第一階段中在金屬層(銅層)上的孔進(jìn)行打孔，一般可以將激光器在與所要求的孔直徑相應(yīng)的唯一圓周內(nèi)這樣反復(fù)移動(dòng)，直至將金屬層切出圓周狀就足夠了。在達(dá)到直徑150微米的情況下，切出的金屬芯由于熱效應(yīng)自動(dòng)脫開并從中彈出。在更大直徑的情況下，附加脈沖可以對(duì)切開的金屬芯進(jìn)行加熱。
為獲得金屬層上整潔的孔邊緣，在激光打孔的第一階段爭取達(dá)到構(gòu)成圓周的單個(gè)脈沖的高重疊(＞50％)。為此目的，為該第一階段選擇至少為15千赫茲、最好為20和30千赫茲之間的較高重復(fù)頻率。在該范圍內(nèi)，雖然可使用的激光器不再提供最大的平均功率，但是最好使用釹-釩酸鹽-激光器(NdVO4-激光器)，在更高的重復(fù)頻率下功率下降仍然相當(dāng)小。這樣，在焦點(diǎn)直徑為12微米的、3.5瓦的355納米-釹-釩酸鹽-激光器上可以達(dá)到大于175毫米/秒的線性循環(huán)速度。在更高功率的激光器上，由于更高的重復(fù)頻率也可以達(dá)到更高的速度。波長為532納米的釹-釩酸鹽-激光器使用效果也很好。
在第二階段中，電介質(zhì)材料可以通過引導(dǎo)激光器而在至少兩個(gè)同心圓內(nèi)去除，在這種情況下不要求相繼激光脈沖的重疊。在這里大致這樣選擇重復(fù)頻率，以便使用最大可使用的激光功率進(jìn)行材料去除。這種最大的功率已知在NdVO4-激光器上是在較低的重復(fù)頻率時(shí)、也就是在約為10至20千赫茲時(shí)產(chǎn)生的。在這種情況下，有效能量密度與低于金屬蒸發(fā)界限數(shù)值的匹配如上所述，通過擴(kuò)大輻射的光點(diǎn)直徑、也就是通過散焦或通過改變視準(zhǔn)管的放大率來完成。此外，最好這樣提高循環(huán)速度，使單個(gè)脈沖不再僅僅擊中與輻射直徑相應(yīng)的光點(diǎn)，而是其能量通過潤滑效應(yīng)分布到更大的面上。
在使用功率更高的釹-釩酸鹽-激光器的情況下也可以設(shè)想，在第二階段中不讓激光束在圓周內(nèi)循環(huán)，而是如此擴(kuò)張光束，使它覆蓋整個(gè)孔面。在這種情況下，利用光束的中心調(diào)節(jié)來去除電介質(zhì)，其中，在第一階段中從金屬層中切出的孔起到掩模的作用。
下面借助附圖的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。附圖示出

圖1采用用于根據(jù)本發(fā)明的方法的第一階段的調(diào)節(jié)方式的激光器裝置；圖2采用用于根據(jù)本發(fā)明的方法的第二階段的調(diào)節(jié)方式的圖1的激光器裝置；圖3A至3C在根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實(shí)施方式中對(duì)微型孔進(jìn)行打孔時(shí)，不同階段中基底的剖面圖；圖4為了制造根據(jù)圖3A和3B的孔在根據(jù)本發(fā)明的方法的第一階段控制激光束的示意圖；圖5為了制造根據(jù)圖3C的孔在根據(jù)本發(fā)明的方法的第二階段控制激光束的示意圖；圖6A至6C在根據(jù)本發(fā)明的方法的第二實(shí)施方式中制造微型孔時(shí)，不同階段中基底的剖面圖；圖7為了制造根據(jù)圖6A和6B的金屬層上的微型孔的激光束控制的示意圖；圖8為了制造根據(jù)圖6C的微型孔在電介質(zhì)層上激光束控制的示意圖；圖9用于說明不同半導(dǎo)體激光器根據(jù)重復(fù)頻率的平均輸出功率的曲線圖；以及圖10用于說明355納米波長的釹-釩酸鹽-激光器根據(jù)脈沖重復(fù)頻率的平均輸出功率和脈沖寬度的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1和2中簡要地和并非按正確比例示出的設(shè)置表明，一個(gè)激光器1具有一個(gè)致偏部分2和一個(gè)光學(xué)投影部分3，激光束4通過它們對(duì)準(zhǔn)基底10。該基底具有一個(gè)上部第一金屬層(銅層)11以及一個(gè)第二金屬層12，其間設(shè)置一個(gè)電介質(zhì)層13。該電介質(zhì)層由一種例如RCC的聚合材料或者例如FR4的玻璃纖維強(qiáng)化的聚合材料制成。與一般由銅制成的金屬層為了加工或去除始終要求使用相同的能量(在相同厚度和相同體積情況下)相反，電介質(zhì)上需要的能量完全取決于其成分。還要提及的是，基底10也可以由多于所述的三層組成，其中，其它金屬層分別通過電介質(zhì)層彼此隔開，可以選擇通過相應(yīng)的孔相互并與最上部的金屬層11連接。
在該實(shí)施例中，第一金屬層11通過盲孔14與第二金屬層12連接，而無需將層12打穿。該孔14的直徑例如為約100到120微米，但也可以增大或者減小。
根據(jù)本發(fā)明，在兩個(gè)階段中完成打孔。圖1示出第一階段的設(shè)置，其中，激光束4在層11的表面焦點(diǎn)F1上聚焦。在這種情況下，激光束的能量對(duì)準(zhǔn)一個(gè)直徑為f1的光點(diǎn)(斑點(diǎn))，以便使能量盡可能地聚焦而去除金屬層11。在這種情況下，如圖4所示，激光束在直徑為D1的圓周內(nèi)移動(dòng)。在該圓周D1內(nèi)的循環(huán)速度這樣選擇，使單個(gè)脈沖例如以大于60％進(jìn)行重疊。按照這種方式，從金屬層中切出一個(gè)光滑的邊緣。根據(jù)金屬層的厚度，需要一定數(shù)量的圓周循環(huán)，直至金屬層完全切斷。圖3A和3B示出不同狀態(tài)下該階段1在時(shí)間上的變化。金屬根據(jù)圖3A環(huán)狀切出，直至金屬層斷開。.比后，(至少在孔直徑小于150微米的情況下)分離的芯由于熱效應(yīng)自動(dòng)彈出，從而產(chǎn)生圖3B的狀態(tài)。
在打穿金屬層11后，將激光器根據(jù)圖2這樣調(diào)節(jié)，使焦點(diǎn)F2處于所要打孔的孔范圍的外面，也就是例如銅層12上面的s為2毫米處。在所要打孔層的部位上，激光束因.此擊中直徑為f2的光點(diǎn)。此外，最好降低重復(fù)頻率，以便利用最大的激光能量?，F(xiàn)在再次使這樣調(diào)整的激光束在圓內(nèi)移動(dòng)，具體地說，先在直徑為D1的圓內(nèi)、此后在直徑為D2的同心圓內(nèi)移動(dòng)。對(duì)于正常的孔直徑和材料厚度來說，此時(shí)較少的循環(huán)就足夠按照這種方式將電介質(zhì)材料完全和整潔地一直去除到第二金屬層12。即使在激光束循環(huán)時(shí)沒有重疊整個(gè)孔面的情況下，剩余的電介質(zhì)也會(huì)由于析熱而同時(shí)蒸發(fā)。根據(jù)材料、材料厚度和所要求的孔直徑，當(dāng)然也可以采用激光束來完成更多同心圓。在這種情況下循環(huán)速度這樣選擇，使有效能量密度低于第二金屬層12的蒸發(fā)的界限。最終產(chǎn)生根據(jù)圖3C的盲孔14。
如借助圖1和2可以看出的那樣，首先為所有打孔14完成第一階段，也就是說，為所有設(shè)置的孔首先打穿金屬層，從而達(dá)到根據(jù)圖3B的狀態(tài)。此后將激光器調(diào)節(jié)到第2階段，通過去除電介質(zhì)層而完成所有的孔。
對(duì)于圖3A至3C以及4和5中示出的實(shí)施例來說，采用波長355納米的NdVO4-激光器進(jìn)行打孔，具體地說直徑為110微米。在這種情況下按照下列條件進(jìn)行加工

在這種調(diào)節(jié)中，第一階段產(chǎn)量為每秒130個(gè)孔，第二階段產(chǎn)量為每秒305個(gè)孔。
現(xiàn)借助圖6A-6C、7和8介紹具有略有變化的調(diào)節(jié)的另一實(shí)施例。如上述實(shí)施例那樣，金屬層也由銅制成，而電介質(zhì)層現(xiàn)在由采用玻璃纖維進(jìn)行強(qiáng)化的FR4制成。為了在這種情況下也可以盡可能有效地制造孔，在第1階段采用比僅用于切斷金屬層11所需要的激光束4更多的循環(huán)。按照這種方式，在第一階段至少是在邊緣范圍內(nèi)就已經(jīng)很深地切入電介質(zhì)層12(圖6B)。為了使用盡可能高的激光能量，在這種情況下選擇更低的重復(fù)頻率，即20千赫茲。由此少于上述實(shí)施例中的單個(gè)脈沖相切，如在與圖4對(duì)照的圖7中所示的那樣。但是這通過更大的循環(huán)數(shù)量得到補(bǔ)償，從而盡管如此銅內(nèi)仍形成平滑的邊緣。在第二階段內(nèi)，將激光器調(diào)節(jié)到與第一實(shí)施例中相同的10千赫茲的重復(fù)頻率。當(dāng)然，這里的(在兩個(gè)同心圓D1和D2內(nèi)的)激光束循環(huán)已經(jīng)足夠去除剩余的電介質(zhì)。具體說，在該實(shí)施例中適用于下列參數(shù)

在該第二實(shí)施例中，第一階段產(chǎn)量為每秒77個(gè)孔，第二階段產(chǎn)量為每秒543個(gè)孔。
圖9示出具有355納米或532納米的釔鋁石榴石激光器(NdYAG-激光器)與NdVO4-激光器在某種重復(fù)頻率情況下其功率的對(duì)比。在這里可以明顯看出，NdVO4-激光器在其平均功率上明顯上升到重復(fù)頻率為10千赫茲處的上面，在20和30千赫茲之間達(dá)到其最大值，而NdYAG-激光器的最大值為在5千赫茲時(shí)，此后劇烈下降。由此表明，NdMO4-激光器為根據(jù)本發(fā)明的方法提供了明顯的優(yōu)點(diǎn)。
圖10再次示出在取決于具有波長355納米的NdVO4-激光器的重復(fù)頻率的情況下，功率與脈沖寬度共同的變化。由此表明，在10和40千赫茲之間的重復(fù)頻率的優(yōu)選利用范圍內(nèi)，激光器的平均輸出功率處于最大范圍內(nèi)，而脈沖寬度低于約35納秒。
權(quán)利要求
1.一種用于在一個(gè)多層基底(10)上打微型孔(14)的方法，該多層基底具有一個(gè)第一金屬層(11)和至少一個(gè)第二金屬層(12)，并在每兩個(gè)金屬層之間設(shè)置一個(gè)電介質(zhì)層(13)，所述打孔通過固體激光器(1)以至少10千赫茲的重復(fù)頻率、小于1100納米的波長和小于50納秒的脈沖寬度的能量束的輻射來進(jìn)行，其中，輻射分兩個(gè)階段進(jìn)行，在第一階段中分別去除第一金屬層和一部分位于第一金屬層下面的電介質(zhì)層；在第二階段中將電介質(zhì)層整潔地一直去除到第二金屬層，包括下列步驟-在第一階段中，將激光束(4)調(diào)節(jié)到至少為50千赫茲的重復(fù)頻率，并在第一金屬層(11)上聚焦，以第一循環(huán)速度在與所要求的孔直徑(D1)相應(yīng)的圓周內(nèi)多次移動(dòng)，直至至少將第一金屬層(11)切斷，其中，完全去除在孔范圍內(nèi)的金屬層；以及-在第二階段中，將激光束(4)調(diào)整到等于或者小于第一階段的重復(fù)頻率上，在焦點(diǎn)之外對(duì)準(zhǔn)孔(14)內(nèi)露出的電介質(zhì)層(13)，并以高于第一循環(huán)速度的循環(huán)速度在所要求的孔直徑內(nèi)部的一個(gè)(D1)或者多個(gè)(D2)同心圓內(nèi)多次移動(dòng)，直至去除在孔范圍內(nèi)的電介質(zhì)層，其中，調(diào)整散焦(s)和第二速度，以使有效能量密度在第二階段中低于第二金屬層去除的界限。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用波長為355納米的釹-釩酸鹽-激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用波長為532納米的釹-釩酸鹽-激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第一階段中將重復(fù)頻率調(diào)節(jié)到約15千赫茲和約40千赫茲之間，在第二階段中將重復(fù)頻率調(diào)整到約10千赫茲和20千赫茲之間，其中，第二階段的重復(fù)頻率始終等于或者小于第一階段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在所述兩個(gè)階段中將重復(fù)頻率調(diào)節(jié)到15千赫茲。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，激光束(4)的循環(huán)速度在第一階段中處于200和300毫米/秒之間，在第二階段中處于200和600毫米/秒之間，但在任何情況下在第二階段中的循環(huán)速度都要高于第一階段中的循環(huán)速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，循環(huán)速度在第二階段中高于600毫米/秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在所要求的孔直徑大于150微米時(shí)，在第一階段中將激光脈沖的附加圓周對(duì)準(zhǔn)由激光束(4)所劃定的圓周(D1)內(nèi)部的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，首先為加工范圍的所有孔完成第一階段，然后使激光器的調(diào)節(jié)發(fā)生改變，為該范圍的所有孔實(shí)施第二階段。
10.一種用于在一個(gè)多層基底(10)上打微型孔(14)的方法，該多層基底具有一個(gè)第一金屬層(11)和至少一個(gè)第二金屬層(12)，并在每兩個(gè)金屬層之間設(shè)置一個(gè)電介質(zhì)層(13)，所述打孔通過固體激光器(1)以至少10千赫茲的重復(fù)頻率、小于1100納米的波長和小于50納秒的脈沖寬度的能量束的輻射來進(jìn)行，其中，輻射分兩個(gè)階段進(jìn)行，在第一階段中分別去除第一金屬層和一部分位于第一金屬層下面的電介質(zhì)層；在第二階段中將電介質(zhì)層整潔地一直去除到第二金屬層，包括下列步驟-在第一階段中，將激光束(4)調(diào)整到至少為50千赫茲的重復(fù)頻率，并在第一金屬層(11)上聚焦，以第一循環(huán)速度在與所要求的孔直徑(D1)相應(yīng)的圓周內(nèi)多次移動(dòng)，直至至少將第一金屬層(11)切斷，其中，完全去除在孔范圍內(nèi)的金屬層；以及-在第二階段中，將激光束調(diào)節(jié)到等于或者小于第一階段的重復(fù)頻率上，同心地對(duì)準(zhǔn)孔內(nèi)露出的電介質(zhì)層，其中，將射束這樣散焦，以使由所述射束輻射的光點(diǎn)與所要打孔的面積至少同樣大小，在第一階段從金屬層中所切出的孔起到掩模的作用。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，使用波長為532納米的釹-釩酸鹽-激光器。
全文摘要
使用一個(gè)固體激光器(1)在一個(gè)多層基底(10)上打微型孔，該多層基底具有一個(gè)第一金屬層和至少一個(gè)第二金屬層(11，12)，并在每兩個(gè)金屬層之間設(shè)置一個(gè)電介質(zhì)層(13)，利用所述固體激光器的光束在一個(gè)第一階段去除金屬層(11)，在一個(gè)第二階段去除電介質(zhì)層(13)直至第二金屬層(12)。在第一階段中，將激光束調(diào)節(jié)到至少為15千赫茲的重復(fù)頻率，在第一金屬層上聚焦，在與所要求的孔直徑相應(yīng)的圓周內(nèi)多次移動(dòng)，直至將該金屬層切斷。然后，在第二階段中，將激光束調(diào)節(jié)到最好更小的重復(fù)頻率上，在焦點(diǎn)之外對(duì)準(zhǔn)孔內(nèi)露出的電介質(zhì)層(13)，以高于第一階段的循環(huán)速度在一個(gè)或者多個(gè)同心圓內(nèi)移動(dòng)，直至去除掉孔范圍內(nèi)的電介質(zhì)。通過調(diào)節(jié)散焦和循環(huán)速度來選擇第二階段中的有效能量密度，使有效能量密度低于去除第二金屬層的界限。
文檔編號(hào)B23K26/38GK1511433SQ02810320
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2002年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月23日
發(fā)明者M·赫爾曼, E·雷蘭茨, H·德斯托伊爾, S·埃梅, M 赫爾曼, 即, 雇幸煉 申請(qǐng)人:西門子公司