HDI产品UV雷射制程制程参数与系统机器以经过持续性的改善后，波长355nm的UV雷射，将可使未来高密度封装载板类，能够继续得到支援与实现。一、 前言在有机制封装与HDI电路领域中，过去数年中UV雷射的用途已呈现现显着的增加，其主要的推手应归功于微盲孔用途的扩增。此外在还有其他用途的出现，例如：精密切外形与精准烧蚀漆成像之工程，也都带动了UV雷的盛行。本文将举例某些系统机组之工作，以了解其钻孔能力，以及对一般性电路板在制程方面的可行性。二、理论与术语波长：可说明为横波中一种波峰到波峰的距离，在光谱为100nm-10，000nm的范围中，其波长与所显现的颜色有着直接的关系，故可用颜色来表达UV雷射的波长。例如：绿雷射，或紫外雷射等。下Figl即为光谱中颜色与波长的对应关系，而且也显示出某种基频例如波长为1064nm的Nd:YAG紫外雷射，与其谐频谐波之关系。光子：可视为无质量电磁射线的一种粒子，按波长的不同每个光子都有其能位。现就波长为1064nm基本波之Nd:YAG雷射而言，其能位可达1.16v，而其三次谐波之能位为3.49ev。至于另一种C02雷射基本波者，其波长为10600nm，所具有的能位为0.12ev。谐波：每一种雷射都会产生一种基本波长，有如细胞具有分裂的特性，该基本波可分裂成为不同倍率的谐波，例如Nd:YAG雷射的基本波长为1064nm，分裂为两个二次谐波之波长为532nm，三次谐波为355nm，四次谐波266nm。重复率（Repetition Rate或频率）：指每种受到能量激动而形成的连续性雷射光都会发出能量。此种连续波也可被进一步切割、加闸、或形成断续的脉冲，而成为分散式的区段，其每秒种所重复出现区段的次数即称为雷射之频率，但此种频率不宜与雷射波长的频率混为一谈。业界所使用脉冲雷射的重复率范围很大，但UV雷射最常用的355nm谐波，其重复率则多在10-100KHz之间。功率：此处所用每秒能量的单位仍为Watt，也就是雷射光源每秒种所辐射出来的总能量或总功能。现今355nm的UV雷射，其功率范围约在3W到10W之间。高期光束：凡雷射光束以TEMoo模式放射者则称为高斯模式，属基本模式或绕射模式。深入探讨时会涉及许多复杂的数学方程式，方得以说明此等共振横波的模式。本文将只简化说明高斯光事为一种表达能量强度的产体造形，特称为高斯分布。下Fig2中即表列出“横波型电磁模式”各种雷射的能量分布情形，Fig3即高斯光束两者在能量强度方面的产体造形所表达的画面。切形光束-系将高斯能量光束造形的峰部削平，而得到切峰后的能量造形，与同级能量强度的高斯造形相比较时，切峰者具有较大的光点半径，可采特殊设计的光学元件以取得此种切峰造形。能量密度：是指雷射光打在单位面积上所呈现的能量，当采用高斯造形或平顶造形的雷射光束加工时，此单位即成为极其重要的参数。每种雷射机器均有其功率与能量的上限，且其光束之大小将成为各种材料能否顺利加工的重要因素，每种材料进行加工时，均需到达起码的“能量密度”，否则加工效率将不够好。高斯光束即具有极大的能量密度，从其造形即可看出能量集中的效果，故可用以切铜箔与玻纤等材料。至于平顶式光束具备较大的总能量，得以在较大面积中有效施工。但其能量密度却低于高斯光束，故只可用于较均质的树脂，薄膜与绿漆以及微盲孔等制程的加工制程。三、有机板材概述均质材料：是指单一成份的材料而言，不含添加剂（Filler）与补强材，可能是一种混合式的聚合物，但整体上仍呈现均匀与稳定性质的材料。例如软质的聚亚醯胺薄膜、背胶铜箔（PCC）、铁氟龙以及液晶树脂等。添充式树脂材料：以高分了聚合物为主体母体，为了机械性与电性的良好起见，可另行加某些有机质或无机性之填充添加料，例如加入陶瓷料的Teflon，短玻纤或醯胺纤，或玻纤环氧树脂等材料。编织式补强材：常指树脂母体中为了机械强度而中加补强之生的复合材料而言，此等连续性或规律性的补强材料，多为无机性的织物（例如：玻纤布），标准的FR-4或BT板材等即为其典型例子。披覆与无披覆式材料：除了上述各种介质材料外，PCB板材还需要铜箔的披覆，做为成线与互连的基础。四、能量的吸收板材是否能顺利接受雷射加工，应端视其是否能对特定之波长进行吸收。当所发射之脉冲雷射光，虽具有很高的能量但却无法被板材吸收时，则所期待之加工定为之徒然。Fig4即列举出数种板材之等级，以及对波长的吸收范围。从电路板材料对雷射光的吸收曲线分析中可看出，并非每种板材均可吸收所有的波长，因而须对特定波长加以选择，以适应待加工的板材，此点已成为极其重要的基本知识。然而针对复合式板材而言，还须做好兼顾彼此的吸收性，做为制程开发的指标。五、雷射制程与热效应之关系UV雷射制程不但会产生化学反应，同时也会散发光与热的作用。至于波长较长的C02雷射，则在光热反应方面还占了更大的比率。此种事实对于无铅化的补强材尤为重要。Fig5中即列出数种板材的熔融或裂解温度，表中所列举铜箔基板的三种材料，其熔点范围却都相距很远。六、各种板材雷射钻孔的实例以聚亚醯胺薄膜与液晶树脂等均质性基板为例，说明雷射钻孔。多数PI基质的薄膜都很容易被355nm的UV雷射所烧蚀加工。此种材料所需的能量密度相当低，并可采用较大型的光点进行快速作业，对于软质电路板已可轻松进行切外形的工作，并对保护膜的开口与板材的导通孔等也都容易加工。针对软板其较困难者不在PI薄膜本身，而是在复合板材结合用的接着层或铜箔层。业界常用的接着剂有环氧树脂与亚克力树脂，前者较易被烧除，但亚克力接着层则对UV雷射却很敏感，须小心找出正确的加工条件，以减少加工边缘的退缩与形成侧蚀。只要找以正确的作业参数，此二缺点即可避免。多层软板的材料叠构中，含PI薄膜以及环氧树脂与亚克力树脂等两种接着剂层。 而且UV雷射也可用于微波板类，且某种可耐高温及吸瀝率很低的新型“液晶树脂”，也正在进行UV雷射加工的评估工作。并确知也可利用355nm的UV雷射去进行加工，右Fig9即为例。七、具有填充料的聚合物板材用于覆晶载板的ABF薄膜即为填充者之一例，所谓ABF是指其某种配方，曾在其环氧树脂中另行填充有二氧化矽的粒子（Silica Particle），做为增层用途的补强板材。可利用平顶造形的雷射光束对此种板材进行微盲孔的加工，也就是有如衡切式的做法，即可取得高品质的导孔。其现行口径50m的微盲孔，平均有95%以上是利用平顶造形光束的UV雷射所制作的。Fig10即为典型（50m微盲孔）在电子显微镜中的俯视画面。由于板材中的二氧化矽粒子比起孔径来仍然非常微小，故采平顶造形光束的衡切（Punch）方式，即可快速进行加工，每秒种可得到900孔的极高速率。八、编织工补强材以FR-4与BT板材为例，其复合组成的数种材料，在熔点与气化温度方面都有着极大的差距。玻璃的熔点可达1700，但环氧树脂却只到260而已。此等在热性方面的巨大差异，不免会对雷射钻孔带来技术上的烦恼。再加上玻纤在编织材料上的复杂性，而使得雷射烧蚀或钻孔的工程变得十分复杂。为了了解IC载板上常见微盲孔的制作难度起见，特将其玻纤布的结构加以说明。Fig11为典型1080玻纤布结构之外观，画面中出现6个小红圈处，即分别代表6个50m微盲孔的位置，因而可看出此等微盲孔可能会落在玻纤纱交织区（Glass Knuckle）的正中央（亦即含有两层玻纤纱），但也可能会落在全无玻纤的树脂区，或介乎两者之间不同密度玻纤纱的组配状态区。而此种局部出现玻纤的配合区，其成孔生的孔壁品质，想要在底铜面上呈现良好圆度与玻纤免于突出两种品质上，做到完美无缺者并不容易。九、铜箔基板铜箔对远红外线领域的C02雷射光，其吸收情况并不好，为了让C02雷射也能直接钻通铜箔基板起见，其铜箔表面必须另备能够吸收雷射的处理层才行。然而UV雷射光却极易被铜面所吸收而得以钻通，即使得厚的铜箔也可利用强大能量的高斯光束予以钻通。事实上在铜箔基板上钻出小径通孔并不困难，由于移除铜材质所需雷射的能量密度，比起一般树脂来要高出很多，因而在完工生其孔壁几乎不会呈现有机物的残留。下Fig14即为铜箔与PI软板中所钻出直径仅30m的通孔，此等对铜箔的高效切除法，已使得在钻孔之外还可在其领域执行加工，例如切外形或对封装板测试线路的切除工作等。UV雷射不但可以烧穿铜箔，而且也可烧透各种介质补强材料，因而经常会被问到：当UV雷射烧透介质而到达内层铜垫表面之际，如何能及时停止而不致伤及铜面？答案就是对UV雷射在能量方面的良好控制，需执行数种不同的步骤，每个步骤均须对其能量密度小心控制。其第一步是利用甬一密度很高的高斯光束，对表面铜箔与下层补强材进行切除。第二步则换成光点较大能量密度降低，且攻击性不强的雷射光清除剩余的树脂，进而得到清洁甚至便于电镀的底铜表现。下两图Fig15及Fig16即为铜箔基板经过两段步骤所完成盲孔的切片图。十、其他用途 UV雷射的其他用途中，以对绿漆烧蚀成像最为成功，此种无需任何底处与沥式化学步骤，而直接以雷射光的能量将无需绿漆的区域直接烧蚀开来，因而可达到高精度的成像水准。而且还可进行绿漆重工，其品质也远超过其他各种困难方法，此乃由于绿漆非常容易吸收UV的波长，并在很低的能量密度下即能完成工作。实做中可采能量密度较低的平顶光束，进行绿漆的加工以防铜面受伤，并可在其较大光点中获致更均匀的能量分布。例如在封装工业中，某些铜垫上进行局部绿漆精准小面积的开窗方面，UV雷射即可驾轻就熟精确施工。下Fig17即呈现铜垫上绿漆被精准移除的画面，请注意铜面的刷痕仍清楚可见，即表UV雷射并非对铜面造成任何伤害，而此等洁净的铜面也大大方便了后续的表面处理工作。且当SMT之脚距愈来愈密时，其各间距处所必须的绿漆阻堤也变得异常困难。Fig18即为UV雷射所烧蚀成像的绿漆阻堤画面，由于并未经过沥式化学品的反应，不但狭窄绿漆对板面的附着力仍然十分良好，且精准度更是令了激赏。