專利名稱：在均質(zhì)和非均質(zhì)基材鉆穿孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及激光微加工，且具體涉及高功率激光器的使用，以實現(xiàn)基材和在穿孔形成期間所增加的熱能的有效移除。
背景技術(shù)：
0002穿孔鉆法是在微電子制造工業(yè)中所進(jìn)行的基本工藝。通常鉆穿孔的示例性目標(biāo)材料包括多芯片模塊(MCM)、球狀柵格陣列、針狀柵格陣列、電路板、玻璃布(包合FR4)、混合微電路、及半導(dǎo)體微電路。這些目標(biāo)材料通常包括金屬、有機(jī)電介質(zhì)、和/或強(qiáng)化材料的分離組分層。穿孔通常是機(jī)械式鉆孔；然而，對小直徑(例如小于150微米)穿孔日益增加的需求已造成其機(jī)械式鉆孔不再實用。當(dāng)對小直徑穿孔的需求增加時，隨之必然增加對高縱橫比穿孔(孔徑對孔深的比等于或小于1.0的穿孔)的需求。幾乎全部使用高功率激光鉆孔以形成這些穿孔。
0003用于鉆穿孔的示例性高功率激光器包括紫外線(UV)激光器、二氧化碳(CO2)激光器、及準(zhǔn)分子激光器。鉆孔包括引導(dǎo)激光在所需的光點(diǎn)撞擊目標(biāo)材料，并燒蝕目標(biāo)材料的整個厚度以在所需的光點(diǎn)形成穿孔。在鉆孔期間，已燒蝕的材料通過孔洞的頂部開口移除。一旦穿孔完全形成，剩余的燒蝕材料也可通過穿孔的底部開口移除。雖然激光鉆孔有助于小直徑穿孔的形成，穿孔激光鉆法依然是苦惱于各種問題的不完美方法。
0004在非均質(zhì)基材中有關(guān)激光鉆穿孔的一個問題是它們通常呈現(xiàn)不佳的壁面質(zhì)量。當(dāng)高功率激光更深地鉆入該目標(biāo)材料時，所增加的熱能比能通過該頂部開口逸離的熱能更多地留在該孔洞中，導(dǎo)致大量熱能通過該孔洞壁面擴(kuò)散進(jìn)入目標(biāo)材料基質(zhì)。此擴(kuò)散作用對位于受熱影響區(qū)內(nèi)的目標(biāo)材料造成明顯的結(jié)構(gòu)損壞。而且，未能通過該穿孔的頂部開口有效移除已鉆孔目標(biāo)材料，導(dǎo)致形成具有不需要的纖維突出部分和/或樹脂回蝕的穿孔。
0005有關(guān)激光鉆穿孔的第二個問題是在穿孔壁面上形成溝槽，這源自激光束及目標(biāo)材料之間的相互作用。例如，使用CO2激光以對鐵材料鉆孔，導(dǎo)致以下的周期性處理在該光點(diǎn)區(qū)域中發(fā)生放熱反應(yīng)，造成該熔化材料的快速膨脹；一旦該反應(yīng)前方區(qū)域離開該光點(diǎn)區(qū)域，該熔化材料再次凝固。這整個循環(huán)在各種深度重復(fù)，沿著切割表面縱深地建立周期性溝槽結(jié)構(gòu)。
0006有關(guān)激光鉆穿孔的第三個問題是該已鉆孔目標(biāo)材料的一部分可部分地阻斷隨后的激光脈沖或形成電漿卷流(plasma plume)。例如，在激光鉆孔期間留在該孔洞中的目標(biāo)材料的碎片通常著火和向外蝕刻進(jìn)入受熱影響區(qū)。因為氣體卷流通常在每一激光脈沖開始的10納秒內(nèi)著火，每一激光脈沖的大約八成包括電漿卷流。此事件通常導(dǎo)致不需要的樹脂回蝕。
0007另外，過熱碎片能由壓倒性地?zé)g至較少燒蝕及更多熱量地改變燒蝕處理的本質(zhì)，由此建立飽和深度，其在該高功率激光的功率密度及重復(fù)比率上不適宜地強(qiáng)加實際限制。限制該功率密度及重復(fù)比率將限制該燒蝕比率能增加的范圍。
0008當(dāng)在高異質(zhì)材料，諸如FR4布中形成穿孔時，發(fā)生有關(guān)激光鉆穿孔的第四個問題，該FR4布是夾在導(dǎo)電及導(dǎo)熱金屬層之間的充滿有機(jī)聚合物樹脂的玻璃布。因為對于每一個別層，不同的激光燒蝕特性，諸如熔化及蒸發(fā)溫度，激光處理穿孔是很難的。例如，編織玻璃強(qiáng)化物及聚合物樹脂基質(zhì)的蒸發(fā)溫度非常不同。二氧化硅(常用的編織玻璃強(qiáng)化物)具有大約1,970絕對溫度(K)的熔化溫度及大約2,503K的蒸發(fā)溫度。對比之下，有機(jī)樹脂(也即環(huán)氧基樹脂)在大約500K到大約700K之間汽化。蒸發(fā)溫度中的差異使得其難以激光燒蝕該玻璃成份，而不會燒蝕環(huán)繞個別玻璃纖維的樹脂或直接相鄰于纖維束的區(qū)域。
0009迄今，使利用高功率激光器形成穿孔所導(dǎo)致的有害影響減至最小的主要工業(yè)解決方法是，最佳化切割參數(shù)，及特別是使用界定的激光脈沖。然而，使用該方法所產(chǎn)生的改善程度是相對最小的，因為參數(shù)的最佳化通常對于穿孔形成的分開的方面是有害的。
0010雖然高功率激光鉆孔半導(dǎo)體微加工技術(shù)的不可缺少部分，沒有發(fā)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)效率的激光鉆孔方法，用以鉆出具有平滑壁面的穿孔，而減少發(fā)生切割表面溝槽形成、纖維突出部分、或纖維回蝕。本發(fā)明處理該需求，以使用高功率激光鉆出具有平滑壁面的穿孔。

發(fā)明內(nèi)容
0011因此，本發(fā)明的目的是提供在非均質(zhì)基材中使用高功率激光形成穿孔的有效率且經(jīng)濟(jì)的方法，以實現(xiàn)控制下的目標(biāo)材料及熱能移除。該結(jié)果的穿孔呈現(xiàn)平滑壁面及最小的熱損壞。全部結(jié)果是進(jìn)行激光操作的方法，其以處理質(zhì)量、技術(shù)結(jié)果的再現(xiàn)性、鉆出高縱橫比穿孔的能力、及在低額外成本的有效性的方面提供改善的性能。
0012本發(fā)明是一種相異直徑孔洞的鉆孔方法，通過該方法可在目標(biāo)材料中形成已改善孔壁質(zhì)量的穿孔。該方法包括鉆出具有比所需穿孔直徑小的直徑的定位孔，然后鉆出具有所需直徑的穿孔。
0013該定位孔形成通道，而在激光鉆孔期間所產(chǎn)生的熱能可通過該通道擴(kuò)散進(jìn)入環(huán)境，由此減少擴(kuò)散進(jìn)入周圍目標(biāo)材料基質(zhì)的熱能數(shù)量及對目標(biāo)材料基質(zhì)的受熱影響區(qū)的熱損壞程度。定位孔直徑及鉆孔參數(shù)的小心選擇，在其形成期間明顯減少了對包圍該穿孔的受熱影響區(qū)的熱損壞數(shù)量，且增強(qiáng)了所鉆穿孔的壁面質(zhì)量。
0014該定位孔也形成通道，而所鉆出的目標(biāo)材料可通過該通道移除，由此增加整個穿孔產(chǎn)量。因為作為該穿孔形成工藝的一部分，總目標(biāo)材料的必須移除部分在定位孔的形成期間已被燒蝕及移除，移除目標(biāo)材料的剩余部分所需的熱能減少。當(dāng)需要更少的熱能以形成該穿孔的剩余部分時，對該周圍的目標(biāo)材料基質(zhì)導(dǎo)致更少的熱損壞。
0015在本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例中，一高功率激光器的激光輸出熱燒蝕目標(biāo)材料的一部分，以形成定位孔?？摄@出該定位孔，使得其完全延伸穿過該目標(biāo)材料的厚度或使得其僅僅部分延伸穿過該目標(biāo)材料的厚度，以形成未貫穿所有層和/或材料的盲孔。而且，該定位孔及該穿孔可形成在該目標(biāo)材料之間主要表面上或在該目標(biāo)材料的相向主要表面上。
0016本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例是一種形成具有所需直徑的穿孔的三步驟方法。該三步驟方法的第一步驟包括引導(dǎo)第一激光輸出以便入射在該目標(biāo)材料上，以用盲孔形式形成該穿孔的一部分，該盲孔具有與該所需穿孔相同的直徑。該穿孔部分可形成在該目標(biāo)材料的任一主要表面上。在該第二步驟中，第二激光輸出被引導(dǎo)，以便入射在該目標(biāo)材料上，進(jìn)而形成具有直徑的定位孔，該直徑小于該穿孔部分或最終穿孔中的任一直徑。該定位孔的底部優(yōu)選形成該先前形成穿孔部分的底部部分。該定位孔可形成在該目標(biāo)材料的任一主要表面上。在該第三步驟中，第三激光輸出被引導(dǎo)，以便入射在該目標(biāo)材料上，進(jìn)而完成具有該所需直徑的穿孔的形成。該第三激光輸出可引導(dǎo)在該目標(biāo)材料的任一主要表面上。引導(dǎo)該第一及第二激光輸出，以便該穿孔部分及該完成穿孔軸線向?qū)R，以及當(dāng)該所需穿孔具有一小直徑(小于150微米)時，該第二激光輸出優(yōu)選撞擊在該目標(biāo)材料上，以形成與該穿孔部分同軸線的定位孔。
0017本發(fā)明的方法有助于高縱橫比穿孔的形成，因為該穿孔的深度能增加，而不會招致穿孔壁面熱損壞增加。另外，該方法能夠使該材料的移除率增加，及由此減少制造成本及增加整個通孔/秒產(chǎn)量。本發(fā)明的方法也避免或使該穿孔側(cè)壁上不需要的溝槽結(jié)構(gòu)的形成、粘著至該切割的底部邊緣的殘渣沉積、以及對該周圍目標(biāo)材料基質(zhì)的熱損壞減至最低。因此，本發(fā)明的方法增進(jìn)了穿孔品質(zhì)及產(chǎn)量。
0018本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將由優(yōu)選實施例的以下詳細(xì)敘述而變得明顯，并以參考附圖開始。


0019圖1a和1b以及圖2a和2b是按照本發(fā)明第一實施例的目標(biāo)材料在通過最初通過該目標(biāo)材料的厚度分別完全或部分地鉆出一定位孔所進(jìn)行的穿孔形成的不同階段中的片段橫截面視圖。
0020圖3a及3b是按照三步驟工藝所進(jìn)行的按照本發(fā)明第二實施例的穿孔形成的不同階段中的目標(biāo)材料的片段橫截面視圖，該三步驟工藝包括最初鉆出所需直徑的盲孔、鉆出較小直徑的定位孔、及鉆孔至完全形成所需直徑的穿孔。
0021圖4及5是分別按照現(xiàn)有技術(shù)及本發(fā)明的方法在同等倍率所拍攝的掃描電子顯微圖片(SEM)，及呈現(xiàn)在多層電子電路板中所形成的穿孔壁面的橫截面視圖的比較關(guān)系。
具體實施例方式
0022本發(fā)明是使用高功率激光器以實現(xiàn)控制下的目標(biāo)材料移除進(jìn)而在目標(biāo)材料中形成穿孔的有效方法。特別地是，該方法包括鉆出直徑小于穿孔的所需直徑的定位孔，及此后鉆出該穿孔。通過小心選擇鉆孔參數(shù)，包括該定位孔的直徑，定位孔形成減少了對包圍該孔洞的受熱影響區(qū)的熱損壞的程度及數(shù)量，由此顯著地改善該鉆穿孔的孔壁表面質(zhì)量。
0023參考圖1a及1b，在本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例中，通過一高功率激光器4所發(fā)射的激光輸出光束2在一位置引導(dǎo)在目標(biāo)材料8上。為討論的目的，在圖1a，1b，2a，2b，3a及3b中所示的目標(biāo)材料8是均質(zhì)材料，但本發(fā)明也適用于非均質(zhì)或?qū)訝畈牧?。激光?燒蝕一部分目標(biāo)材料8以形成具有直徑11的定位孔10。如圖1a及2a的橫截面?zhèn)纫晥D所示，可鉆出定位孔10，使得其完全延伸穿過目標(biāo)材料8的厚度12(如圖1a中的定位孔10a所標(biāo)示)，或使得其僅僅部分延伸穿過目標(biāo)材料8的厚度12(如圖2a中的定位孔10b所標(biāo)示)，以形成不會貫穿所有層和/或材料的盲孔。該激光器參數(shù)的適當(dāng)選擇允許某些目標(biāo)材料層8保持不受影響，即使它們包括與燒蝕層相同的成份。
0024在形成定位孔10之后，第二激光輸出在該位置被引導(dǎo)到目標(biāo)材料8上，以形成具有大于直徑11的直徑15的穿孔14。穿孔14延伸穿過目標(biāo)材料8的厚度12?？赏ㄟ^形成定位孔10的相同高功率激光或通過不同激光形成穿孔14。穿孔14干凈及平均地貫穿目標(biāo)材料8的所有層及材料，且由其上端16至其底部端點(diǎn)18呈現(xiàn)可以忽略的錐形。如圖1a及1b所示，形成定位孔10a，以使得該燒蝕目標(biāo)材料可在形成穿孔14之前由定位孔10a的上端16或底部端點(diǎn)18移除。如圖2a及2b所示，形成定位孔10b，以使得該已燒蝕目標(biāo)材料可在形成穿孔14之前通過定位孔10b的上端16移除。為便于未來的參考，僅僅部分鉆穿目標(biāo)材料8的厚度12的孔洞稱為盲孔。
0025定位孔10及穿孔14最初在目標(biāo)材料8的相同主要表面20或不同主要表面20上鉆出。例如，定位孔10的形成可在目標(biāo)材料8的第一主要表面20a上開始。相比定位孔10具有較大直徑的穿孔14的形成，則能在目標(biāo)材料8的第一主要表面20a開始。替代性地，能在目標(biāo)材料8的第一主要表面20a上開始定位孔10的形成。相比定位孔10具有較大直徑的穿孔14的形成，則能在目標(biāo)材料8的第二主要表面20b上開始。如上述，定位孔10可為穿孔或盲孔。
0026參考圖3a及3b，本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例是一種形成具有所需直徑的穿孔的三步驟方法。該三步驟方法的第一步驟包括最初在目標(biāo)材料8的第一主要表面20a上形成穿孔14的縱深部分22，該穿孔呈現(xiàn)具有軸線30的盲孔形式且與所需穿孔具有相同的直徑。在第二步驟中，具有比穿孔部分22的直徑還要小的直徑11的且僅僅部分延伸穿過目標(biāo)材料8的厚度12的定位孔10，最初形成在目標(biāo)材料8的第二主要表面20b上，使得該定位孔10延伸穿過事先形成穿孔部分22的一部分底部。該第二步驟的完成導(dǎo)致在穿孔部分22的底部中形成直徑11的孔洞。在第三步驟中，具有所需直徑的穿孔14通過最初鉆穿目標(biāo)材料8的第二主要表面20b所形成。該穿孔具有軸線34，其優(yōu)選與軸線30同軸對齊，以有助于均勻的熱分布。當(dāng)該所需的穿孔具有小于30微米的直徑時，該工藝通常是優(yōu)選的。
0027技術(shù)人員將認(rèn)識到，當(dāng)使用不同目標(biāo)材料的主要表面以鉆出穿孔部分、定位孔、和/或穿孔時，基準(zhǔn)的標(biāo)記(對齊目標(biāo))可放置在該目標(biāo)材料上，以有助于激光輸出與該目標(biāo)材料的對齊。該激光光學(xué)地定位該基準(zhǔn)標(biāo)記及使用本領(lǐng)域技術(shù)人員通常熟悉的圖案辨認(rèn)技術(shù)對齊激光輸出與該基準(zhǔn)標(biāo)記之一。
0028技術(shù)人員將進(jìn)一步認(rèn)識到，可實現(xiàn)第二優(yōu)選實施例的很多變化。例如，穿孔14的部分22及定位孔10兩者可貫穿目標(biāo)材料8的第一主要表面20a，并且穿孔14可貫穿目標(biāo)材料8的第二主要表面20b。替代性地，穿孔14的部分22可貫穿目標(biāo)材料8的第一主要表面20a，定位孔10可貫穿目標(biāo)材料8的第二主要表面20b，并且穿孔14可貫穿目標(biāo)材料8的第一主要表面20a。技術(shù)人員將也認(rèn)識到，本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的定位孔10可為盲孔。
0029可在定位孔形成期間或在隨后的處理期間移除燒蝕目標(biāo)材料。由本發(fā)明的方法所給予的基材保護(hù)及較小的重要尺寸是優(yōu)于傳統(tǒng)穿孔處理方法的顯著改善。穿孔可例如由其他穿孔或鄰接的電路結(jié)構(gòu)隔開達(dá)大約2微米。而且，將本來作為形成該穿孔工藝的一部分而移除的整個目標(biāo)材料的一部分在該定位孔的形成期間移除。因此，定位孔形成減少了移除目標(biāo)材料的剩余部分所需的熱能，并導(dǎo)致對該周圍的目標(biāo)材料基質(zhì)減少熱損壞。
0030該定位孔結(jié)構(gòu)的選擇是基于特定的目標(biāo)材料及所需的穿孔縱橫比的。技術(shù)人員應(yīng)明白可重復(fù)該第一及第二激光輸出以通過復(fù)數(shù)層組產(chǎn)生階梯狀、錐形、或垂直邊緣的通孔。
0031可用各種方式實現(xiàn)本發(fā)明方法的使用，以實現(xiàn)在目標(biāo)材料上鉆出穿孔。在一個優(yōu)選實現(xiàn)中，激光用于在該目標(biāo)材料中鉆出所有定位孔。接著，使用以不同操作參數(shù)操作的相同激光或不同激光在該目標(biāo)材料中鉆出所有定位孔。在另一替代性中，在形成下一定位孔及穿孔之前形成每一個別的定位孔及穿孔。可通過使用沿著相同路徑行進(jìn)的二個分開的激光器或使用一個雙頭激光器來達(dá)到此實現(xiàn)。
0032通孔直徑的范圍優(yōu)選在大約25微米至大約300微米之間，但高功率激光器4可產(chǎn)生具有大約5微米及大約1毫米之間的直徑的通孔。因為輸出光束2的優(yōu)選光點(diǎn)尺寸在大約5微米及75微米直徑之間，通常通過環(huán)鋸、同心圓處理、或螺旋處理產(chǎn)生大于25微米的通孔，其中該第一及第二激光束是在重迭連續(xù)的位置中沿著螺旋工具路徑至外圍連續(xù)地被引導(dǎo)到目標(biāo)材料8。該第一及第二激光器輸出優(yōu)選在一速度下連續(xù)地移動通過每一位置，該速度足以使該激光輸出傳送許多所需的光束脈沖以達(dá)到所需的切割深度。
0033圖4及5是分別按照現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的方法在同等倍率下所拍攝的掃描電子顯微圖片(SEM)，以及顯示在多層電子電路板中所形成的穿孔壁面的橫截面視圖。更特別地是，圖4及5顯示60微米直徑穿孔的橫截面視圖，該穿孔使用階梯環(huán)鋸在具有420微米厚度的二層銅涂附FR4平板50上鉆出。平板50包括通過二個相向銅層56所局限的(bounded)玻璃布52和玻璃纖維樹脂54的交替層。圖4及5的SEM的比較，清楚示出了實行本發(fā)明的方法所必然改善的壁面質(zhì)量。特別地是，圖4的穿孔呈現(xiàn)不佳的壁面質(zhì)量，因為發(fā)生了大量的玻璃布的樹脂凹縮。當(dāng)加至該穿孔的熱能通過該孔壁擴(kuò)散進(jìn)入包圍玻璃布的樹脂時，發(fā)生樹脂凹縮，在包圍該穿孔的受熱影響區(qū)中對包圍該玻璃布的樹脂造成顯著的結(jié)構(gòu)損壞。對比之下，圖5的穿孔呈現(xiàn)優(yōu)異的壁面質(zhì)量及最小的樹脂凹縮。
0034因為對于多層電路板中所使用的以變化玻璃為主的材料的玻璃轉(zhuǎn)換溫度不同，關(guān)于本發(fā)明的所有實施例可使用縱深差異功率配置，其對于待鉆孔的每一多層電路板有所變化。對于每一目標(biāo)材料，其優(yōu)選的縱深地差異功率配置由經(jīng)驗決定。例如，玻璃布大約在攝氏1700度熔化，而樹脂大約在攝氏280度熔化。因此，在鉆孔期間，當(dāng)該目標(biāo)材料由玻璃布改變?yōu)闃渲瑫r，有很大量的過多能量置于該穿孔中。如上所述，這可造成各種不需要的結(jié)果，包括樹脂凹縮及電漿卷流的形成，此兩者導(dǎo)致所完成穿孔的壁面質(zhì)量不佳。當(dāng)該激光鉆穿在非常低溫度下熔化的樹脂層時，在該目標(biāo)材料中的定位孔的形成，允許相當(dāng)大部分的過多熱能逸離。如此，本發(fā)明的方法大幅改善結(jié)果穿孔的壁面質(zhì)量。
0035本發(fā)明對于在廣泛的多種目標(biāo)材料上施行激光操作是有用的，包括均質(zhì)及非均質(zhì)材料，該材料包括各種金屬及諸如玻璃、硅、以及陶瓷的脆性材料、MCM、球狀柵格陣列、針狀柵格陣列、電路板、以及混合與半導(dǎo)體微電路。優(yōu)選的目標(biāo)材料是多層玻璃纖維強(qiáng)化印刷電路板。印刷電路板通常包括金屬、電介質(zhì)、和/或強(qiáng)化材料的分離組分層。
0036示例性的金屬組分層包括鋁、銅、黃金、鉬、鎳、鈀、鉑、銀、鈦、鎢、或其組合。雖然這些層可具有任何適當(dāng)?shù)暮穸?，其厚度通常在大約9微米及大約36微米之間。
0037示例性的有機(jī)介電層包括雙馬來酰亞胺三嗪(BT)、紙板、氰酸鹽酯、環(huán)氧基樹脂、酚醛塑料、聚酰亞胺、或聚四氟乙烯(PTFE)。雖然這些層可具有任何適當(dāng)?shù)暮穸?，它們通常具有大約50微米到大約400微米之間的厚度，并且大于該金屬組分層的厚度。
0038示例性的強(qiáng)化組分層包括纖維墊、芳族聚酸胺纖維的散布微粒、陶瓷、或玻璃(編入或散布進(jìn)入該有機(jī)電介層)。雖然這些層可具有任何適當(dāng)?shù)暮穸?，其厚度通常在大約1微米到大約150微米之間，并且小于該有機(jī)介電層的厚度。技術(shù)人員應(yīng)明白，強(qiáng)化組分層可作為粉末導(dǎo)入該有機(jī)介電層。所導(dǎo)致的粉末層可為非相鄰和不均勻的。技術(shù)人員也應(yīng)明白，金屬成份、有機(jī)電介質(zhì)、以及強(qiáng)化組分層可為內(nèi)部非相鄰、不均勻、及非分層的。
0039通過高壓壓制諸如氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AIN)的微米或次微米等級普通陶瓷的粉末形成的未烘培的“綠色”陶瓷基材是另一優(yōu)選的目標(biāo)材料。該粉末微粒以提供足夠的機(jī)械完整性的有機(jī)黏合劑黏合，以允許施行機(jī)器操作，諸如通孔鉆孔。以下的鉆孔，在高溫烘焰該綠色材料，并趕走黏合劑并將該粉末微粒融化或燒結(jié)成非常堅固且耐用的基材。
0040雖然關(guān)于本發(fā)明的方法可使用任何高功率激光器，示例性的優(yōu)選激光器包括含有固態(tài)激光器及準(zhǔn)分子激光器的紫外線(UV)激光器，及CO2激光器。技術(shù)人員應(yīng)明白，能通過按照傳統(tǒng)技術(shù)操作的脈沖式Q切換激光器或通過連續(xù)波激光器擴(kuò)大該激光脈沖，該連續(xù)波激光器與一定期打開的快門配合以對指定時間提供連續(xù)波發(fā)射，由此形成激光脈沖。頂層燒蝕對于激光源提供更多選擇，其可基于其它標(biāo)準(zhǔn)，諸如波長、光點(diǎn)尺寸、及有效性選擇激光源。選擇每一激光器輸出脈沖的參數(shù)，以基本上有助于清潔在上述目標(biāo)材料中的鉆孔及通孔形成。因為有關(guān)每一類型的激光器的優(yōu)選鉆孔參數(shù)在變化，每一類型的激光器將在下文更詳細(xì)地討論。
0041有關(guān)本發(fā)明方法所使用的優(yōu)選激光器是一種UV、Q切換、固態(tài)激光器，其優(yōu)選包括固態(tài)的激光材料(lasant)，諸如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)、摻釹磷酸鹽玻璃(Nd:YLF)、摻釹鋁酸銘(Nd:YAP)、摻釹釩酸釔鐿(Nd:YVO4)、摻鈦釔鋁石榴石(Yb:YAG)、摻鈦藍(lán)寶石(Ti:Sapphire)、或摻鈥或鉺的釔鋁石榴石水晶(YAG crystal)。使用UV的優(yōu)點(diǎn)是該焦距容差有助于不均勻厚度目標(biāo)的機(jī)械加工。優(yōu)選波長包括、但不限于具有主要TEM00空間模式配置的532納米(兩倍于Nd:YAG的頻率)、355納米(三倍于Nd:YAG的頻率)、以及266納米(四倍于Nd:YAG的頻率)。額外的優(yōu)選波長為152納米，且技術(shù)人員應(yīng)明白，有關(guān)本發(fā)明的方法也可使用發(fā)射其它合適波長的激光器。示例性的市售激光器由加州山景市光波電子公司(Lightwave Electronics ofMountain View，California)所銷售的模型210UV-3500激光器。該激光器優(yōu)選在大約1微米到大約7微米之間的小量尺寸提供成像、仿形輸出。
0042UV、Q切換、固態(tài)激光器輸出的示例性參數(shù)包括在該光束點(diǎn)區(qū)域上方測量的平均能量密度，其大于約5微焦耳(μJ)、更優(yōu)選大于30μJ；小于約100微米的光點(diǎn)尺寸直徑或空間主軸，且優(yōu)選在約1微米至約50微米之間；大于約1千赫(kHz)、且優(yōu)選大于約20kHz的重復(fù)率；以及在該光點(diǎn)區(qū)域上方大于100毫瓦(mW)的平均強(qiáng)度或輻照度。選擇優(yōu)選參數(shù)，以意圖通過利用短暫脈沖寬度避開熱損壞效應(yīng)，該脈沖寬度小于大約300納秒，且優(yōu)選由約0.1皮秒(ps)至150納秒(ns)，且更優(yōu)選在約1ns和約100ns之間。在特定波長用于目標(biāo)材料的激光處理的功率需求與所使用的光點(diǎn)尺寸成比例。技術(shù)人員應(yīng)明白，這些參數(shù)將會變化，并能對待處理的材料最佳化，且可使用不同參數(shù)以處理不同目標(biāo)層。
0043該激光系統(tǒng)輸出光束優(yōu)選產(chǎn)生具有小于約25微米直徑的光點(diǎn)區(qū)域。雖然該光點(diǎn)區(qū)域及直徑一般指得是1/e2大小，這些術(shù)語偶而用于意指出單一脈沖所建立的孔洞的光點(diǎn)區(qū)域或直徑。技術(shù)人員也應(yīng)明白該輸出光束的光點(diǎn)區(qū)域優(yōu)選大致上圓形。然而，也可通過類似工藝燒蝕非圓形通孔。此通孔可例如具有正方形、長方形、精圓形、像凹槽、或其它主要表面幾何形狀。假如特定的操作所需，技術(shù)人員也應(yīng)明白，該輸出光束可成像或修剪其翼部或尾端，特別是對于第一步驟的處理。
0044以下的表1是使用UV、Q切換、固態(tài)激光器，并使用本發(fā)明的第二優(yōu)選方法提供用于鉆出該穿孔的工藝參數(shù)及全部產(chǎn)量資料。該定位孔于該表的第五及第六步驟中鉆出，且鉆穿該目標(biāo)材料的整個厚度。該穿孔在步驟7及8中鉆出。
表1.工藝參數(shù)及全部產(chǎn)量資料

0045有關(guān)本發(fā)明也可使用二氧化碳激光器。普通二氧化碳微通孔鉆孔激光器包括RF激勵激光器、橫向激勵大氣(TEA)激光器、以及快速軸向流動激光器。然而，因為所有二氧化碳激光器的波長在大約9微米到大約11微米之間，該激光輸出通過金屬、諸如銅高度反射。因此，很難使用二氧化碳激光器對以重迭金屬層為特色的基材鉆孔。如此二氧化碳激光器優(yōu)選應(yīng)用于沒有重迭銅或一重迭銅層的層狀基材，其中通孔開口已通過標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)機(jī)構(gòu)所事先蝕刻。此“預(yù)蝕刻″或“共形光罩″多層基材也可沒有編織強(qiáng)化物，諸如在介電層中的玻璃纖維。例如，盲孔能夠通過金屬層形成在由覆蓋在任一主要表面上的一層介電材料所構(gòu)成的目標(biāo)材料中。該盲孔的形成可為自限的，使得在該光束切穿介電材料后停止形成通孔。其理由是該光束脈沖功率密度不足以縱深地前進(jìn)超出該介電材料，以汽化剩余的金屬層，即使光束脈沖持續(xù)撞擊目標(biāo)。盲孔形成中的縱深自限能力是有利的，因為多層目標(biāo)可呈現(xiàn)無法預(yù)測、不一致的目標(biāo)深度，其源自該安裝固定物的扭曲、不均勻?qū)雍穸?、或不均勻平坦性?br> 0046對本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯的是可對上述具體實施例的細(xì)節(jié)作很多變化，卻未脫離本發(fā)明的下列原理。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)僅僅通過以下的權(quán)利要求所決定。
權(quán)利要求
1.一種相異直徑孔洞的鉆孔方法，通過該方法，已改善壁面一致性和具有預(yù)定直徑的穿孔在具有厚度的目標(biāo)材料中形成，所述方法包括在第一空間光點(diǎn)尺寸上方產(chǎn)生具有足夠能量密度的第一激光輸出，以在由所述第一空間光點(diǎn)尺寸所界定的第一光點(diǎn)區(qū)域內(nèi)移除目標(biāo)材料；引導(dǎo)所述第一激光輸出撞擊所述目標(biāo)材料，由此形成具有第一直徑的定位孔，所述第一直徑對應(yīng)于所述第一光點(diǎn)區(qū)域的直徑，且小于所述穿孔的預(yù)定直徑；在第二空間光點(diǎn)尺寸上方產(chǎn)生具有足夠能量密度的第二激光輸出，以在由所述第二空間光點(diǎn)尺寸所界定的第二光點(diǎn)區(qū)域內(nèi)移除目標(biāo)材料；以及引導(dǎo)所述第二激光輸出撞擊所述目標(biāo)材料，使得所述結(jié)果的第二光點(diǎn)區(qū)域大于所述定位孔的第一光點(diǎn)區(qū)域，以形成具有所述預(yù)定直徑并延伸穿過所述目標(biāo)材料厚度的穿孔，所述穿孔的形成包括增加通過所述定位孔逸離的熱能，并由此限制所述穿孔壁面的熱扭曲變形及增強(qiáng)其表面一致性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述目標(biāo)材料包含相向的第一及第二主要表面，且其中所述第一激光輸出撞擊所述目標(biāo)材料的第一主要表面，以形成所述定位孔，其后所述第二激光輸出撞擊所述目標(biāo)材料的第一主要表面，以形成所述穿孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述產(chǎn)生及引導(dǎo)所述第二激光輸出撞擊所述目標(biāo)材料包括在形成所述定位孔之前形成所述穿孔的一部分，所述穿孔的所述部分具有預(yù)定的直徑并且僅僅部分延伸穿過所述目標(biāo)材料的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述定位孔及所述穿孔分別具有定位孔軸線及穿孔軸線，且其中引導(dǎo)所述第二激光輸出撞擊所述目標(biāo)材料包括空間對齊所述穿孔及定位孔軸線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述定位孔僅僅部分延伸穿過所述目標(biāo)材料的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述定位孔延伸穿過所述目標(biāo)材料的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述穿孔具有小于150微米的直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述目標(biāo)材料包括非均質(zhì)材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述目標(biāo)材料包括多層電子電路板。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述多層電子電路板包括多層玻璃纖維強(qiáng)化的印刷電路板。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述第一及第二激光輸出是通過選自基本上由紫外線激光器、二氧化碳激光器、及非準(zhǔn)分子激光器所組成族群的激光器所產(chǎn)生的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述紫外線激光器是發(fā)射具有355毫米波長的激光光束的紫外線釔鋁石榴石(UV:YAG)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述第一及第二激光輸出是通過相同的激光器所產(chǎn)生的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相異直徑孔洞鉆孔方法，其中所述第一及第二激光輸出是通過分別的第一及第二激光器所產(chǎn)生的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相異直徑孔洞的鉆孔方法，已改善主要表面質(zhì)量的穿孔(14)通過該方法在目標(biāo)材料(8)中形成，該方法包括鉆出直徑小于所述穿孔的所需直徑的定位孔(10)，然后鉆出具有所述所需直徑的穿孔。所述定位孔形成通道，而在激光鉆孔期間所產(chǎn)生的熱能可通過所述通道擴(kuò)散到環(huán)境中，由此減少擴(kuò)散進(jìn)入周圍的目標(biāo)材料基質(zhì)的熱能數(shù)量以及對目標(biāo)材料基質(zhì)的受熱影響區(qū)的熱損壞程度。該定位孔也形成通道，通過所述通道可移除所燒蝕的目標(biāo)材料，由此增加總的穿孔產(chǎn)量。定位孔的形成減少了形成該穿孔剩余部分所需的熱能，由此對所述周圍的目標(biāo)材料基質(zhì)產(chǎn)生更少的熱損壞。
文檔編號B23K26/40GK1980767SQ200480043246
公開日2007年6月13日 申請日期2004年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者J·J·達(dá)維農(nóng), 類維生 申請人:電子科學(xué)工業(yè)公司