專利名稱：采用固態(tài)紫外高斯激光束成孔的波束成形和投射成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二極管注入泵式固態(tài)激光器，尤其涉及采用這樣一種激光器來形成具有TEM00非散射空間模式的紫外激光波束以進行打孔的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在美國專利文獻US5,593,606和US5,841099中描述了一種采用UV激光系統(tǒng)在優(yōu)選參數(shù)范圍內(nèi)形成激光輸出脈沖并在多層設(shè)備的至少兩個不同層上形成通孔或盲孔的技術(shù)以及該技術(shù)的優(yōu)點。這些參數(shù)通常包括瞬時脈沖寬度小于100ns的非激勵輸出脈沖，點域的直徑小于100μm，并且該點域在重復(fù)速率大于200Hz時其平均強度或照度大于100mW。
這里所述的激光器僅以紫外(UV)二極管注入泵式(DP)固態(tài)(SS)TEM00激光器為例來進行，該激光器可生成圖1所示標(biāo)準(zhǔn)高斯照度輪廓10，但其說明與幾乎所有生成高斯輸出的激光器都密切相關(guān)。采用任何一種激光器特別是UV DPSS激光器來燒蝕特定的材料時，只要輸送到工件上的激光通量或能量密度(通常以J/cm2為單位)達到對象材料的燒蝕閾值之上即可發(fā)生。通過物鏡的聚焦作用，原始高斯波束的激光點可做得非常小(通常在1/e2直徑點處為10-15μm的量級上)。這樣，能量在很小的聚焦點上很容易超過普通電子電路組裝材料的燒蝕閾值，特別是普通用作金屬導(dǎo)體層的材料銅的閾值。因此，該UVDPSS激光器在用于原始聚焦波束的結(jié)構(gòu)配置時，是一種非常優(yōu)秀的、在電子電路組裝件的一或多個銅層上打孔的方法。由于聚焦點通常都小于所需孔的尺寸，因此聚焦點要沿著螺旋、同心圓、或者“環(huán)鋸”的路徑移動以去掉多余的材料從而獲得所需尺寸的孔。這種方法通常被稱為原始聚焦波束螺旋打孔法或環(huán)鋸法。為了方便，螺旋法、環(huán)鋸法以及同心圓加工法通常被稱作“非沖孔法”。
現(xiàn)有技術(shù)中，另一種公知方法是使具有高斯照度輪廓的TEM00激光波束穿過預(yù)定直徑12的一個圓形孔眼或一個掩膜。然后用一個或多個普通的光學(xué)折射透鏡將該亮孔的像投射到工作面上。成像圓點的尺寸取決于孔的尺寸以及成像折射鏡的光學(xué)匯聚倍數(shù)。這種技術(shù)就叫作投射成像技術(shù)或者簡單地說叫成像技術(shù)，其通過對孔尺寸或光學(xué)匯聚倍數(shù)的調(diào)節(jié)或者對二者同時進行調(diào)節(jié)來使成像點的尺寸與所需孔的尺寸相配，由此即可獲得所需的孔徑。由于高斯照度輪廓中低強度的“翼部”被孔眼的邊緣掩膜去掉或剪切去掉，因此這種技術(shù)還被稱作剪切高斯成像技術(shù)。
用成像點打孔時，激光波束駐留于某一孔位并發(fā)出多個脈沖直到去掉足夠的材料。這種打孔方法通常被稱作“沖孔”，其不需原始聚焦波束環(huán)鋸法或螺旋法在打孔時激光點在孔內(nèi)移動時所需的極高的準(zhǔn)確度和速度。因此采用剪切高斯波束打孔可減少對高速波束定位器的要求，因為其消除了與孔內(nèi)運動有關(guān)的復(fù)雜的小半徑弧形路徑及其附帶的高加速度。由于沒有什么加工參數(shù)需被優(yōu)化，因此投射成像技術(shù)的開發(fā)也更為容易。
剪切高斯處理還可生產(chǎn)出更圓并且重復(fù)性更好的孔，這是因為激光器之間的激光點在圓度上所固有的偏差不再決定孔的形狀，成孔的圓度更多地是由孔眼的圓整度以及用來將孔像投射到工作面的光學(xué)組件的質(zhì)量來決定。其次，圓度還會受到產(chǎn)量的影響和原始高斯輸出翼部被剪除程度的影響。圓度或圓整度可被量化為最小直徑與通常在孔頂所測的最大直徑之比，即R＝dmin/dmax。由于只有激光波束高斯照度輪廓的中心部分才能通過孔眼，因此有可能獲得很圓的點，這樣高斯波束低照度的外部區(qū)域就被孔眼掩膜阻擋或剪切掉了。
然而，剪切高斯波束的問題在于波束中心明顯亮于邊緣部分。這種不一致性反過來會影響該波束形成的孔的質(zhì)量，特別是盲孔的質(zhì)量，其會使孔的底部很圓但邊緣部分不齊并且有可能會損傷下層的或者旁邊的基質(zhì)。
采用剪切高斯技術(shù)的激光系統(tǒng)在使用時需用孔眼將不同比率的高斯波束阻擋掉。如果高斯照度輪廓被剪切的非常多從而僅使中心一小部分輸出波束穿過孔眼，那么成像在工作面上的照度輪廓則會更加一致。這種一致性是以大部分能量被孔眼掩膜去掉不能輸送到工作面為代價的。浪費掉大部分的波束能量會影響打孔的速度。
另一方面，如果允許大部分波束能量穿過孔眼，那么會有更多波束通量輸送到工作面上。然而，點中心的照度Ic與點邊緣的照度Ie之間的差會更大。穿過孔眼的能量比率通常被稱為發(fā)射水平T。對于高斯波束來說存在下面的數(shù)學(xué)關(guān)系式T＝1-Ie/Ic比如說，如果70％的波束能量穿過孔眼，那么成像點邊緣的照度和通量都將只有成像點中心值的30％。Ie和Ic之間的這種差值就要求在打孔中進行比較權(quán)衡。
如果為了打得更快采用了更高功率的激光，點中心的通量Fc有可能會超過孔底的銅開始燒蝕并回流的通量值。同時，如果T很大(這樣在點內(nèi)，邊緣與中心的通量比Fe/Fc很小)，成像點邊緣的通量很低則不能使有機絕緣材料快速的燒蝕掉。圖2為剪切高斯輸出在典型的孔加工參數(shù)下邊緣通量與孔眼直徑的關(guān)系曲線。這樣，就需要許多的脈沖才能將絕緣材料(環(huán)氧樹脂)從孔底邊緣去掉，并獲得所需的孔底直徑。然而，施加這些脈沖時，由于孔心區(qū)域的通量很高會使底部的銅燒蝕，因此會損傷孔的中心部分。
因此，剪切高斯技術(shù)必須在高脈沖能量和低能量脈沖之間進行權(quán)衡。其中高能量脈沖打孔快但會損傷孔底中心，低能量脈沖值雖然低于使銅產(chǎn)生再流動的通量閾值但打孔慢并需要許多脈沖來清理孔的邊緣。通常，根據(jù)孔尺寸的不同，發(fā)射水平定在30％到60％之間，這樣可在激光能量的浪費(阻擋)和成像點內(nèi)通量不均勻引起的不好加工現(xiàn)象之間取得一個可接受的折衷結(jié)果。小孔能以較低的發(fā)射水平(如25-30％)在所能接受的速度下打取，這樣成像點會有更高的一致性。然而，在許多場合下，最好使50％＜T＜60％從而使速度達到可接受的水平，但孔的質(zhì)量會由于底部銅的損傷而受到影響。
由此，需要一種能量更多和速度更快的打孔方法。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面是提供一種方法和/或系統(tǒng)，其在提高成孔質(zhì)量的同時可提高高斯波束打孔的速度或效率。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種方法或系統(tǒng)，其采用UV、二極管注入泵式(DP)、固態(tài)(SS)激光器。
本發(fā)明能夠提高投射成像技術(shù)。在本發(fā)明的一個實施例中，UVDPSS激光系統(tǒng)配有一個光學(xué)衍射組件(DOE)從而將原始激光高斯照度輪廓變形為“頂帽”式或基本均勻的照度輪廓。然后將所形成的成形激光輸出用一個孔眼或掩膜剪切以提供成像成形輸出波束。該成像成形的輸出波束具有從中心到邊緣強度基本均勻一致的激光點，這樣就能以很快的速度打出高質(zhì)量的孔而不會對孔底有任何損傷。
傳統(tǒng)的采用波束成形、投射成像、或光學(xué)衍射組件的系統(tǒng)都采用低亮度非UV激光器或高散射多模式激勵激光器，并廣泛用于材料加工以外的許多場合中。
在波束成形以獲得近乎一致照度的許多場合中，加工工藝要求照度的空間分布具有一致性。如果不具有，那么激光通量在工作表面的不一致性會導(dǎo)致聚焦點或成像點的點心過度加工而其邊緣則加工不足。在本發(fā)明中，波束成形不僅能打孔，而且其能提高加工工藝使其更快并具有更高的可控性。因此本發(fā)明提供的UV激光打孔工藝能提高打孔的質(zhì)量、速度以及強度。
盡管已有其它許多類型的設(shè)備與激勵激光器一起來形成近乎一致或“均勻”的材料加工波束，然而這種均質(zhì)器不能與一致性高、接近TEM00空間分布模式的DPSS高亮度激光器一起工作。此外，不同于激勵激光器波束所固有的成像點很大的性質(zhì)，TEM00空間模式具有很高的聚焦性，因此本發(fā)明能利用更高比例的入射能量。
參照附圖，從本發(fā)明下面優(yōu)選實施例的詳細說明中能夠清楚地了解本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點。


圖1為現(xiàn)有典型DPSS激光脈沖所具有的三維高斯照度輪廓的立體圖；圖2為剪切高斯輸出以典型打孔參數(shù)打孔時，孔眼直徑與邊緣通量之間的關(guān)系曲線；
圖3為在普通激光加工件的一部分材料打出的孔的、放大了的側(cè)面剖視圖；圖4為本發(fā)明用來提高打孔能力的一例激光系統(tǒng)的、部分示意的簡化側(cè)視圖；圖5A-5C為激光波束穿過圖4激光系統(tǒng)中的各個系統(tǒng)組件時，其照度輪廓變化的簡化序列圖；圖6A-6D為幾例照度基本一致的方形或圓形照度輪廓圖；圖7A-7D為成像點尺寸變化時，波束成形系統(tǒng)的三個不同示例的、部分示意的簡化側(cè)視圖；圖8為采用了輔助檢流鏡通路從而可利用原始聚焦波束的激光系統(tǒng)的部分示意的平面簡圖；圖9為成像成形輸出和剪切高斯輸出在典型孔加工參數(shù)下、在幾個典型發(fā)射水平時，孔眼平面處理想通量分布曲線的對比圖；圖10為剪切高斯打孔技術(shù)和成像成形打孔技術(shù)生產(chǎn)能力的對比曲線圖；圖11為孔的錐度比與工作面相對于標(biāo)稱成像平面的位置的關(guān)系曲線圖；圖12為孔徑與工作面相對于標(biāo)稱成像平面的位置的關(guān)系曲線圖；圖13為孔的圓度與工作面相對于標(biāo)稱成像平面的位置的關(guān)系曲線圖；圖14為在45μm厚的環(huán)氧樹脂上打取75μm孔的電子顯微圖的拷貝；圖15為在150μm厚、經(jīng)預(yù)先蝕刻的銅口內(nèi)，在45μm厚的環(huán)氧樹脂中打取75μm孔的電子顯微圖的拷貝。
優(yōu)選方案的詳細描述圖3為加工出的、通常激光加工件22如MCM、電路板或半導(dǎo)體微電路組件上的通孔20a和盲孔20b(通稱為孔20)放大了的、側(cè)面剖視圖。為了方便起見，工件22在這里僅具有四層24、26、28和30。
層24和28可含有比如說標(biāo)準(zhǔn)的金屬，如鋁、銅、金、鉬、鎳、鈀、鉑、銀、鈦、鎢、金屬氮化物或者它們的組合物。通常，金屬層24和28在厚度上有所變化，其通常在9-36μm之間，但也可小于或等于72μm。
層26可含有比如說標(biāo)準(zhǔn)的有機絕緣材料如苯環(huán)丁烷(BCB)、雙馬來酰亞胺三氮雜苯(BT)、紙板、氰酸酯、環(huán)氧樹脂類、酚醛塑料、聚酰亞胺、聚四氟乙烯(PTFE)、各種聚合物合金或者它們的組合物。通常，有機絕緣層26在厚度上可有較大變化，并且通?？偸潜冉饘賹?4和28要厚許多。作為舉例，有機絕緣層26的厚度可在大約30-400μm之間，堆疊在一起時可達1.6mm。
層26還可包含一層標(biāo)準(zhǔn)的加強組件或“層”30。層30可以是纖維锍，或者是比如芳香族聚酰胺纖維、陶瓷的分散顆粒，或者是織入或分散到有機絕緣層26中的玻璃材料。通常，加強層30要大大薄于有機絕緣層26，其厚度一般在1-2μm的量級上，最高可到10μm。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道加強材料能以粉末的形式加到有機絕緣體中。采用這樣的粉末加強材料所形成的層30可以是非連續(xù)的和非均勻的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也都知道，層24、26和28在內(nèi)部也可以是非連續(xù)的、不均勻的以及是不平的。由多層金屬、絕緣材料和加強材料構(gòu)成的堆件其厚度可大于2mm。
通孔20a通常從頂42到底44穿過工件22的所有層和材料，盲孔20b則不穿過所有的層和/或材料。比如在圖3中，盲孔20b停止于層28，不穿過去?？?0的錐度通常用底部直徑db與其頂部直徑dt的比來描述。在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，錐度比66％在當(dāng)前是可接受的，而67-75％則是很好的錐度比。本發(fā)明可使錐度比在最大生產(chǎn)能力時大于80％而不會損傷層28，并且在錐度比大于95％時也有可能，而且不損傷層28。
孔徑通常在25-300μm之間，但是激光系統(tǒng)50(在圖4中)可生產(chǎn)出孔徑小到5-25μm或者大到1mm的孔20a和孔20b?？讖叫∮?50μm的孔優(yōu)選由激光沖孔形成，而大于180μm的孔則優(yōu)選由環(huán)切法、同心圓法或者螺旋法加工形成。
參見圖4，圖4所示為本明激光系統(tǒng)50的一個優(yōu)選實施例，該系統(tǒng)包括Q轉(zhuǎn)換、二極管注入泵式(DP)、固態(tài)(SS)UV激光器52，該激光器優(yōu)選包括固態(tài)激射物如晶體NdYAG、NdYLF、NdYAP、或者NdYVO4、或者是有鈥或鉺摻雜的YAG晶體。激光器12優(yōu)選提供協(xié)調(diào)產(chǎn)生的、波長在355nm(三倍于NdYAG的頻率)、266nm(四倍于NdYAG的頻率)、213nm(五倍于NdYAG的頻率)的UV激光脈沖或者輸出54，并基本具有TEM00的空間模式輪廓。
盡管通常都采用高斯曲線來描述激光輸出54的輻射輪廓，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都知道大多數(shù)激光器12的輸出都不會與M2＝1的高斯輸出54完全一致。為了方便起見，術(shù)語高斯在這里包括M2小于或者約等于1.4的輪廓，其中M2優(yōu)選小于1.3或1.2。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道可由上面所列的其它激射物獲得其它的波長。激光腔的布置、諧波的生成以及Q轉(zhuǎn)換操作都是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的。其中一例激光器12的詳細內(nèi)容在Owen等人的美國專利NO5,593,606中進行了描述。
UV激光輸出54可經(jīng)光路64上各種公知的光學(xué)組件包括光束擴展器或者校準(zhǔn)透鏡組件56和58(其具有比如2倍的擴展系數(shù))轉(zhuǎn)換成經(jīng)擴展和校準(zhǔn)了的脈沖或輸出60。經(jīng)過校準(zhǔn)了的脈沖60再穿過一個成形成像系統(tǒng)70以形成校準(zhǔn)了的、過孔的成形脈沖或輸出72，然后該輸出72再經(jīng)一個光束定位系統(tǒng)74來定向，從而使校準(zhǔn)了的、通過孔的、成形了的輸出72通過掃描鏡頭80(該掃描鏡頭還被稱為“二次成像”、聚焦、剪切或物鏡)到達工件22成像平面上所要求的靶位82。
光束定位系統(tǒng)74優(yōu)選包括一個轉(zhuǎn)換平臺定位器(translationstage positioner)76和一個快速定位器78。轉(zhuǎn)換平臺定位器76采用包括至少兩個平臺或者臺面來支撐比如X、Y和Z向定位鏡，并能在同一或者不同電路板或者芯片組的靶位82之間快速移動。在一優(yōu)選實施例中，轉(zhuǎn)換平臺定位器76是一個分軸系統(tǒng)，其中Y向平臺支撐并移動工件22，X向平臺支撐并移動快速定位器78和物鏡80，X和Y向平臺之間的Z向尺寸可調(diào)，并且通過激光器52和快速定位器78之間的任何轉(zhuǎn)動，折鏡75調(diào)整光路64b?？焖俣ㄎ黄?8比如可包括一對檢流鏡，其根據(jù)所提供的測試或者設(shè)計數(shù)據(jù)可形成獨特或者雙重的處理操作。這些定位器可響應(yīng)于預(yù)定或非預(yù)定的數(shù)據(jù)來單獨移動，也可協(xié)同起來一起移動。這樣一種優(yōu)選的可用來鉆孔20的光束定位系統(tǒng)74在Cutler等人的美國專利文獻NO.5,751,585進行了詳細的論述。
一種可對光束定位組件的移動進行導(dǎo)向的激光控制器優(yōu)選使激光器52的發(fā)射與光束定位系統(tǒng)74中組件的運行同步，如Konecny在美國專利No.5,453,594中所描述的“輻射光束的定位發(fā)射協(xié)同系統(tǒng)”。
包含上述許多系統(tǒng)組件的一例優(yōu)選激光系統(tǒng)50是采用美國Oregon州Portland市的Electro Scientific Industries公司在5200型激光系統(tǒng)中或者該系列的其它激光系統(tǒng)中使用的45xx型UV激光器(355nm)。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道也可采用其它任何具有高斯波束強度輪廓的激光器、或者其它波段的激光器如IR激光器或者具有其它波束擴展系數(shù)的激光器。
圖5A-5C(合起來為圖5)展示了激光束在穿過激光系統(tǒng)50各個系統(tǒng)組件時，發(fā)射輪廓92、96以及102所經(jīng)歷一系列變化的簡化圖。圖5Ba-5Bc所展示的是成形輸出94的簡化照度輪廓96a-96c同距離Z相對于Z0’的關(guān)系圖。Z0’為一距離，該距離處成形輸出94如照度輪廓96b中所示具有最平的照度輪廓。
再來參見圖4和圖5，成形成像系統(tǒng)70的一個優(yōu)選實施例包括一個或多個波束成形組件90，其在波束成形組件90下游的孔眼掩膜98附近將經(jīng)校準(zhǔn)的、具有原始高斯照度輪廓92的脈沖60轉(zhuǎn)換成成形(并聚焦的)脈沖或輸出94b，該輸出94b具有近乎一致的“頂帽”輪廓96b，或者是具有特殊的超級高斯照度輪廓。圖5Ba示例性地展示了一例照度輪廓94a，其中Z＜Z0’；圖5Bc示例性地展示了一例照度輪廓94c，其中Z＞Z0’。
波束成形組件90優(yōu)選為一光學(xué)衍射組件(DOE)，它能以很高的效率和精度完成復(fù)雜的波束成形。波束成形組件90不僅將圖5A的高斯照度輪廓轉(zhuǎn)變成圖5Bb的近乎一致的照度輪廓，而且它還能將成形輸出94聚焦到一個可確定的或特定的點尺寸中。成形后的照度輪廓94b以及所述的點尺寸在設(shè)計上出現(xiàn)在波束成形組件90下游的設(shè)計距離Z0處。在一優(yōu)選實施例中，Z0’接近于或等于Z0。盡管DOE優(yōu)選為單個的組件，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道DOE可包括多個不同的組件如Dickey等人在美國專利文獻No.5,864,430中所公開的相位片和轉(zhuǎn)換組件。該文獻還公開了出于波束成形目的來設(shè)計DOE的技術(shù)。適合的DOE可由美國Alabama州Huntsville市的MEMS Optical公司生產(chǎn)。
圖6A-6D(合起來為圖6)示例性地展示了如美國專利文獻No.5,864,430所描述的高斯波束穿過DOE所形成的基本均勻的照度輪廓。圖6A-6C所示為方形照度輪廓，圖6D所示為柱形照度輪廓。圖6C的照度輪廓是“倒置的”，所示邊上的強度高于中心。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道波束成形組件90可設(shè)計成能提供其它多種照度輪廓形式，這些照度輪廓可用于特定的場合，并且這些照度輪廓通常隨著它們到Z0’的距離而改變。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還知道如圖6D所示的柱形照度輪廓優(yōu)選用于圓形的孔98；立方形的照度輪廓優(yōu)選用于方形孔；并且其它波束成形組件90的特性可選擇成與其它孔的形狀相適應(yīng)。在許多向前鉆取直孔的場合中，優(yōu)選采用倒置式的柱形照度輪廓。
再來參見圖4-6，成形脈沖94優(yōu)選聚焦并穿過一個孔眼掩膜98從而使成形脈沖94的邊緣更銳利。在一優(yōu)選實施例中，孔眼掩膜98位于“標(biāo)稱孔眼面”，該面相對于波束成形組件90的距離優(yōu)選為Z，這里Z＝Z0’、Z*或Z0。Z*大約為成形脈沖94以所需特定量的能量穿過所需給定直徑dap的孔眼98時的距離。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道在一個理想的系統(tǒng)中，Z＝Z0’＝Z*。
盡管在大多數(shù)情況下在單個激光系統(tǒng)50中將孔眼98定位在距離Z0’是優(yōu)選方案，但在激光系統(tǒng)50組的情況下，則將孔眼98定位在距離Z*處以處理激光器52與激光器52之間、波束成形組件90與90之間輸出的變化。Z*之所以優(yōu)選是因為Z*比Z0’更為敏感，這樣在距離Z*誤差范圍內(nèi)所進行的調(diào)整通常不會使照度輪廓96b的寬度偏離到嚴(yán)重影響孔質(zhì)或生產(chǎn)能力的程度。采用距離Z*來布置孔眼的優(yōu)點是Z*可使多個在激光器52的高斯輸出54上有偏差的激光系統(tǒng)50采用相同的加工參數(shù)來進行相同的操作。這樣，采用Z*有助于提高記錄、校準(zhǔn)、同步以及孔質(zhì)的一致性。
掩膜98可包括一個UV反射材料或UV吸收材料，但其優(yōu)選由絕緣材料構(gòu)成，如熔有二氧化硅的UV級材料或者鍍有多層高UV反射膜而不是抗UV膜的蘭寶石材料。掩膜98具有直徑為dap圓形孔眼以形成高質(zhì)量的圓形成像成形脈沖110。作為選擇，掩膜98的孔眼可在其光線出口側(cè)向外張開。顯然，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道掩膜98的孔眼也可為方的或者其它非圓的形狀，甚至于如果工件22表面所需為非圓的點像或者非圓點像也可接受，那么該孔的形狀可不考慮。直徑dap將成形脈沖94的翼部100切去以形成過孔的成形輪廓102，其以發(fā)射能損失為代價來減少成形脈沖94的直徑。
然后，由一焦距為f1的“第一成像”或集光透鏡112將該發(fā)射出來的、過孔的成形脈沖或輸出110收集起來以形成經(jīng)校準(zhǔn)、過孔的成形輸出72，該輸出穿過定位系統(tǒng)74，然后由焦距為f2的掃描透鏡80再次成像以形成指向工件22的(靶向的、過孔的、成形的)激光系統(tǒng)脈沖或輸出114，并且在工件22上形成點直徑為dspot的成形成像輸出118。在優(yōu)選實施例中，透鏡112和80包括用來抑制衍射環(huán)的光學(xué)成像組件，顯然本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道也可采用單個的成像鏡頭。在一優(yōu)選實施例中，f1＝216mm同時f2＝81mm，顯然本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道也可采用其它的鏡頭組合和焦距長度。集光透鏡112和掃描透鏡80能以聚焦系數(shù)M生成具有均勻照度的、掩膜98孔眼的像(當(dāng)不用掩膜98時，可形成非圓的、均勻照度的點像)，這里M＝f1/f2＝dap/dspot。在一固定的聚焦系統(tǒng)的優(yōu)選實施例中，M＝2.66，當(dāng)然本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道也可采用其它聚焦系數(shù)。
在一優(yōu)選實施例中，波束成形組件90、孔眼掩膜98以及第一成像透鏡112安裝在一個可互換的光學(xué)成像導(dǎo)軌(IOR)上。在一實施例中，距離Z、f1、f2保持不變從而使I0R中的這些組件與不同特性的類似組件具有互換性從而可使點尺寸dspot具有不同的范圍。波束成形組件90的位置也是可變的，這樣距離Z可對應(yīng)于各種波束成形組件90和孔徑dap的組合在Z*的誤差范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。透鏡112和80之間的有效距離是可變的，這樣具有不同IOR組件組合形式的多個IOR可進行快速互換從而使加工操作在點預(yù)定尺寸的不同范圍內(nèi)進行。采用這些不同的組合可使波束形狀或照度輪廓96適應(yīng)于每一個孔徑dap從而使穿過孔的單位脈沖62的能量最大化，這樣，因孔徑限制而剪切或浪費的能量可達到最小。此外，為了提高脈沖能的使用效率，IOR光學(xué)組件之間位置可調(diào)就使得掩膜98的調(diào)整減到最小，最好使掩膜98能經(jīng)受激光的破壞。
然而，本實施例的缺點在于需要大量可互換的IOR光學(xué)組件才能加工出一定范圍的可用點尺寸。比如，每一個波束成形組件90可能比如說僅對三到四個點尺寸dspot是有效的，并且每一個掩膜98可能比如說僅對一個點尺寸dspot有效。這樣，為了涵蓋最高到250μm的大多數(shù)有用的點尺寸dspot范圍，例如可集合八個波束成形組件90和25個掩膜98來提供所有需要的組合。
圖7A-7D是用來改變成像點尺寸的四個成形成像系統(tǒng)70a、70b、70c和70d(總體為成形成像系統(tǒng)70)示例的部分示意并簡化了的側(cè)視圖。參見圖4和7A，一個變焦鏡頭或可變的波束擴展器120a(其具有嚴(yán)格的公差從而使波束保持精確)沿著光路64放置在第一成像透鏡112和掃描透鏡80之間。在這些實施例中，焦距f2是固定不變的，但焦距f1是可變的，因此聚焦系統(tǒng)M和點尺寸dspot就是可變的，這樣每一個波束成形組件90比如說對于8-10個點尺寸有效，并且每一個孔也對8-10個點有效。這樣，為了涵蓋最高到約250μm的點尺寸dspot的范圍，只需用幾個波束成形組件90和掩膜98就可以了。作為選擇，這些實施例可采用虛線內(nèi)所示的校準(zhǔn)鏡片79。
在圖7B所示成形成像系統(tǒng)70b實施例的變焦透鏡組件120b中，透鏡80和透鏡128組合后形成變焦透鏡組件120b中的一個透鏡130。在圖7C所示成形成像系統(tǒng)70c實施例的變焦透鏡組件120c中，透鏡112和透鏡122組合后形成變焦透鏡組件120c中的一個透鏡132。在圖7D所示成形成像系統(tǒng)70d實施例的變焦透鏡組件120d中，透鏡80和透鏡128組合后形成單個透鏡130并且透鏡112和透鏡122組合后形成單個透鏡132。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道成形成像系統(tǒng)70a和70c最適于優(yōu)選的分軸轉(zhuǎn)換平臺定位器76，并且成形成像系統(tǒng)70b和70d最適于沒有快速定位器78的波束定位系統(tǒng)74，如采用一個固定物鏡80的非掃描系統(tǒng)。普通技術(shù)人員還知道在不脫離本發(fā)明范圍的條件下，還有許多其它的變焦透鏡組合可以用在這里。
盡管所示的定位系統(tǒng)74是沿著光路64緊跟著變焦透鏡組件120，然而該系統(tǒng)中的一些部件也可放在變焦透鏡組件120的前面。例如，可將轉(zhuǎn)換平臺定位器的一些部件放在變焦透鏡組件120的上游，如某些鏡片75，然而快速定位器78還是優(yōu)選放置在變焦透鏡組件120的下游。普通技術(shù)人員都知道這些成形成像系統(tǒng)70可由各個IOR支撐或者由單個IOR系統(tǒng)支撐，其允許光學(xué)組件的更換和重新定位，并且這些支撐成形成像系統(tǒng)的IOR能夠更容易就被取下來從而使激光系統(tǒng)50具有提供高斯輸出的多樣性功能。
圖8為激光系統(tǒng)150部分簡化了的平面示意圖，該激光系統(tǒng)150采用檢流計152和154來形成附加的檢流鏡通路156，該通路可加到圖4的激光系統(tǒng)50中從而可在校準(zhǔn)了的、過孔成形輸出72和高斯輸出60之間進行切換。參見圖8，波束通路64a通向檢流鏡158，該檢流鏡158要么使激光輸出沿著波束通路64b穿過成形成像系統(tǒng)70和檢流鏡162，要么將使激光輸出從鏡片164反射出來，作為選擇可穿過校準(zhǔn)透鏡組件166，然后離開鏡片168，離開檢流鏡162并射向工件22。鏡片164和168優(yōu)選為可調(diào)以補償斜度和轉(zhuǎn)角的誤差。
普通技術(shù)人員都知道校準(zhǔn)透鏡組件166是可變的從而可改變聚點的空間尺寸dspot以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。作為選擇，例如成形成像系統(tǒng)70可沿著通路156放置以獲得校準(zhǔn)了的、過孔成形輸出72，這樣原始高斯波束60可穿過波束通路64b。同樣，可將成形成像系統(tǒng)70同時用于波束通路64b和通路156上，并且每一個成形成像系統(tǒng)70都具有可變的或者不同的焦距以形成不同的點尺寸dspot，例如可用來在兩個不同的成像成形點尺寸之間切換。同樣，普通技術(shù)人員都知道激光系統(tǒng)150可采用高斯輸出來完成各種任務(wù)而不僅是這里討論的孔的加工。比如，激光系統(tǒng)150可用來以很高的生產(chǎn)速率在板上切割出電路。
激光系統(tǒng)50和150都能生產(chǎn)出具有輸出114的激光系統(tǒng)，該輸出具有典型的孔加工范圍的優(yōu)選參數(shù)，其包括波束點區(qū)域上平均功率強度大于約100mW，并且優(yōu)選為大于300mW；點尺寸的直徑或空間主軸約為5μm到18μm，優(yōu)選為約從25-150μm，或者是大于300μm；重復(fù)速率大于1kHz，優(yōu)選大于約5kHz甚至是大于30kHz；紫外波長優(yōu)選為約在180-355nm之間；瞬時脈沖寬度約小于100ns并且優(yōu)選為約40-90ns或更短。激光系統(tǒng)輸出114優(yōu)選參數(shù)的選取應(yīng)能夠避免對孔20或其周圍形成熱損傷。普通技術(shù)人員都知道激光系統(tǒng)輸出114的點域優(yōu)選為圓形，但其它一些簡單的形狀如方形、矩形也很有用，只要正確選擇波束成形組件90以及掩膜98上孔眼的形狀，更為復(fù)雜的波束形狀也可實現(xiàn)。
上述加工范圍的確定有利于在許多金屬材料、絕緣材料或者其它目標(biāo)材料等這些對紫外光具有不同光學(xué)吸收性及其它特性的材料上打孔。無論是沖孔還是非沖孔形成盲孔20b，都是用強度足以燒蝕金屬的第一束激光輸出將金屬層去掉。然后用強度較低不足以燒蝕金屬的第二束激光輸出將絕緣層去掉，這樣只會將絕緣層去掉而不會損壞其下面的金屬層。由于第二束激光的功率輸出不足以使金屬底層氣化，而且即使絕緣材料完全穿透后繼續(xù)發(fā)射第二束激光輸出也不會使金屬底層氣化，因此這種兩步加工的方法可提供深度由自身限定的盲孔。
普通技術(shù)人員都知道根據(jù)本發(fā)明的沖孔方法，第一和第二束激光輸出優(yōu)選為按順序連續(xù)進行，而不是先將一串第一激光輸出一次一個地打到空間分開的靶位82或工件22上，然后再將一串第二激光輸出按序打到同一目標(biāo)靶位82上。對于非沖孔工藝，工件上所有不同靶位82的層26在被加工之前，可用第一激光輸出來加工工件22上所有不同靶位82的層24。
再來參見圖3和圖4，現(xiàn)有技術(shù)中剪切高斯輸出與本發(fā)明中成像成形輸出118之間的區(qū)別在于脈沖94均勻地照在掩膜98孔眼的所有點上。因此，該成像成形輸出118有助于使形成的盲孔20b在層28上不僅僅很圓和邊緣銳利，而且具有很平的且均勻的底面44b，而這種平度和均勻度對于剪切高斯波束來說是不可能。此外，采用成像成形輸出118的打孔速度可超過剪切高斯波束所能獲得的打孔速度。
加入波束成形組件90將高斯波束的照度輪廓10變平可使前面討論的、剪切高斯技術(shù)所固有的、在打孔質(zhì)量和打孔速度上所需進行的折衷減到最小。更多的波束能量被輸送到工件22上，并且成像中心和邊緣之間在光束通量上沒有明顯不同，即邊緣與中心的通量比Fe/Fc得到提高而發(fā)射水平T也得到提高。本發(fā)明可使過孔成形輸出110和成像成形輸出118具有70-85％的發(fā)射水平，而中心與邊緣的光束通量之比不會明顯減少。
由于在高發(fā)射水平的條件下仍具有近乎均勻的光束通量，因此打孔速度可以提高而不會損傷導(dǎo)電層28，特別是其中心，這里有兩個原因第一，過孔的發(fā)射水平高于剪切高斯輸出，這樣在每一個激光脈沖114中有更多的能量被輸送到了工件22上；第二，由于可將更高的光束通量加到點的邊緣，這樣絕緣材料能夠更為容易地從孔的底邊清除出去。其中第二條理由更有意義。
圖9所示為在典型的打孔參數(shù)下，孔眼平面處的成形輸出94b以及幾種典型發(fā)射水平下剪切高斯輸出的理想輪廓的對比圖。工件22上的通量水平等于孔的通量水平乘以成像聚焦系數(shù)的平方，在一優(yōu)選實施例中其約為7。對于成形輸出94b和剪切高斯輸出，孔邊緣的通量分別約為1.05J/cm2和0.60J/cm2或更少。這樣，工件22處，成像點邊緣的通量對于成像成形輸出118和剪切高斯輸出分別約為7.4J/cm2和4.3J/cm2。通常的有機絕緣材料層26對于這兩種通量水平具有明顯不同的燒蝕速率。這樣，采用成像成形輸出118時只需幾個脈沖就能將一個孔20打好，從而提高了生產(chǎn)能力。
根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，一例采用成像成形輸出118來打孔20的方案描述如下整個成像點的通量保持在比如說能將銅破壞的通量值Fdamage的90％；然后將絕緣材料在不損傷孔底44b的條件下燒蝕；作為對比的是發(fā)射水平為T＝50％的剪切高斯波束，如果將點中心保持在該通量水平上，那么邊緣的通量就只有Fdamage的45％；換過來，如果將點邊緣保持在Fdamage的95％，這時中心處的通量可達到破壞閾值的180％并基本形成破壞。將成像點邊緣保持在很高的通量時，由于每一次脈沖都能去掉更多的材料，因此可用較少的脈沖將絕緣材料從孔的邊緣清除出去；這樣，成像成形輸出118的打孔能力可大大超過剪切高斯輸出的打孔能力。
圖10所示為成像成形輸出118和剪切高斯輸出在45μm厚環(huán)氧樹脂上沖出直徑為75μm的孔20時，兩者生產(chǎn)能力的對比圖。參見圖10，從中可確定出在每一個脈沖重復(fù)頻率(PRF)下，在底部直徑至少為頂部直徑的75％時打一個孔所必須的最少脈沖數(shù)N。這樣，在該PRF下對應(yīng)于值N的打孔時間就可計算出來，然后再加上1.0ms的孔到孔的移動時間就可獲得其生產(chǎn)能力。
通常，隨著激光PRF的增加，每一個脈沖的能量以及工作面的通量將不斷下降。通量的下降意味著每次脈沖去掉的材料將減少，因此必須加入更多的脈沖。然而，隨著PRF的提高，單位時間會有更多的脈沖輸出。其結(jié)果取決于這兩個相反因素的作用，隨著PRF的提高，一個是要將打孔速度降低，另一個是要將打孔速度提高。圖10所示可知相反因素作用的結(jié)果是最大生產(chǎn)能力出現(xiàn)在PRF測試范圍的中間。
從圖10還可看出成像成形輸出118的生產(chǎn)能力曲線比剪切高斯輸出的曲線更平。這種更平的生產(chǎn)能力曲線在打孔速度和打孔質(zhì)量之間進行折衷時非常有用。為了避免對金屬底層28的損傷，通常是需要提高PRF，從而降低每一個脈沖的能量并將工作面的通量值降到金屬層28燒蝕時的能量閾值之下。隨著PRF的提高，成像成形輸出118生產(chǎn)能力的降低要慢于剪切高斯輸出，這樣在提高PRF保持孔底質(zhì)量時，成像成形輸出118所帶來的生產(chǎn)能力缺陷就更少。
再來參見圖10，從中可以看出，成像成形輸出118的峰值打孔能力比剪切高斯輸出要高出25％還多。并且成像成形輸出118在獲得更高打孔質(zhì)量(重復(fù)性、側(cè)壁錐度、圓度)的同時與原始聚焦的高斯波束相比還可獲得更高的生產(chǎn)能力。
在孔質(zhì)方面，特別是盲孔20b的孔質(zhì)，本發(fā)明的成像成形輸出相對于剪切高斯輸出還可在更高的生產(chǎn)速率下獲得更好的錐度最小的品質(zhì)。除了上述能夠更快的將絕緣材料從孔20b的底邊清除出去外，成像成形輸出還能將絕緣材料從孔20b的底邊更為徹底地清除出去而不會對下面的金屬層28有損傷，因為脈沖94其形狀上的一致性實際上已消除了在孔20b底部中心的層28中形成熱點的可能性。成像成形輸出118在合適的通量下可一直駐留于盲孔中，直到其獲得所需的潔凈度和錐度。
此外，可選擇波束成形組件90使其能形成圖6C所示的具有反向照度輪廓的脈沖，該輪廓沿著虛線180的外側(cè)剪切后將有利于絕緣材料沿著孔20b的外側(cè)邊緣除去從而進一步提高錐度。本發(fā)明可使錐度比在最大生產(chǎn)能力時大于80％而不會損傷層28，并且在不損傷層28的情況下也有可能使錐度比大于95％(在孔20的縱橫比更低時)。錐度比優(yōu)于75％的情況甚至適合于最小的孔，在采用傳統(tǒng)的光學(xué)組件時，其孔頂直徑可約在5-18um之間，盡管此時生產(chǎn)能力有可能會下降。
圖11所示為孔的底徑與頂徑之比(在35μm的微粒強化環(huán)氧樹脂上打取62μm的孔時)同工作面與標(biāo)稱成像平面(z＝0)之間距離的關(guān)系。參見圖11，標(biāo)稱成像平面是打出的孔20最圓、孔的頂邊最銳利的位置。Z為正值表示成像平面位于標(biāo)稱成像平面的下面，即工件22相對于z＝0時的位置遠離系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)組件。所示誤差帶3σ僅是參考，因為底徑值很難測得很準(zhǔn)確。
一共取了九個z值，對應(yīng)于每個z值都打了100個孔并進行測量。數(shù)據(jù)點表示的是平均值，垂直誤差帶表示每100個采樣值中三倍于平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的情況。最大的底徑/頂徑比出現(xiàn)在z＝0的成像平面處。在整個a±400μm的范圍內(nèi)底徑/頂徑比在最高生產(chǎn)能力處始終大于75％。
圖12所示為孔徑(在35μm的微粒強化環(huán)氧樹脂上打取62μm的孔時)同工作面與標(biāo)稱成像平面之間距離的關(guān)系圖，標(biāo)稱成像平面處z＝0。當(dāng)工件22在標(biāo)稱成像平面之上進一步移動時，孔頂?shù)钠骄睆讲粩嘣黾?。而對于z＝0之下直到成像平面之下400μm處各個位置，頂徑則保持相對不變。3σ范圍內(nèi)的直徑通常都保持在平均值的±3μm之內(nèi)，除了z＝+300μm和z＝-300μm這兩處。對底徑來說，情況有所不同，從標(biāo)稱成像平面之上到其之下，平均值始終是不斷下降。由于孔底的直徑和圓度相對于孔頂?shù)某叽绾蛨A度來說更難控制，因此所示的底徑僅為參考。因此，用于激光系統(tǒng)50和150的過程控制統(tǒng)計技術(shù)可用于孔頂?shù)奶匦詤?shù)。
從圖11和圖12中所示的數(shù)據(jù)可以看出，有以下一些方法來控制加工穩(wěn)健性這個核心問題。如果我們想在材料的厚度和加工條件發(fā)生變化時使孔頂徑保持不變，那么最好將工作平面設(shè)定到標(biāo)稱成像平面下面一點的位置，比如說z＝+200μm。這樣z值在±200μm的區(qū)域內(nèi)變化時，頂徑都不會有明顯的變化。另一方面，如果我們更希望保持孔的底徑/頂徑比不變，那么最好將工件22準(zhǔn)確地設(shè)定到標(biāo)稱成像平面處，這樣就可保證至少這點的±200μm范圍內(nèi)，底徑/頂徑的比下降不超過5％。這些方法的有效性取決于當(dāng)工件22離開標(biāo)稱成像平面時是否還有其它一些孔性參數(shù)需保持在可接受的范圍內(nèi)。
另一個問題是孔的圓度。如圖13所示為在35μm微粒強化環(huán)氧樹脂上打取62μm的孔時圓度與z的關(guān)系圖。參見圖13，為了清楚起見，孔底圓度數(shù)據(jù)放在實際z值的右邊。該孔底數(shù)據(jù)僅用于參考。
圖13可以看出在整個z＝±400μm的范圍內(nèi)，圓度始終不少于90％。圓度為最小軸/主軸。對于平均直徑62μm來說，圓度90％對應(yīng)于主軸直徑比最小直徑約大6.5μm。然而，當(dāng)z值為正時(位置低于標(biāo)稱成像平面)，孔與孔之間在圓度上統(tǒng)計出的變化是明顯的。圖中所示高出數(shù)據(jù)點(平均值)的誤差帶其超過100％圓度的部分沒有意義，但是，比如在z＝+300μm處，圖13中3σ的外延線所具有圓度可低于80％。
通常本發(fā)明成像成形輸出118允許孔20在生產(chǎn)速度高于剪切高斯輸出所能獲得的生產(chǎn)速率時其圓度或圓整度高于90％。在許多情況下，成像成形輸出118在較高生產(chǎn)速度時在孔的整個尺寸范圍內(nèi)，其圓度甚至能超過95％。
盡管這里所討論的一些例子提到了最大輸出的因素以及其它涉及目前可獲得的UV DPSS激光器52使用的因素，普通技術(shù)人員都知道當(dāng)所能獲得的UV DPSS激光器52更為強大時，這些例子中的孔徑和層厚可以提高。
不考慮成像成形輸出118的優(yōu)點，單是投射成像就可將每一次成像成形激光脈沖118中所能獲得的能量投到比原始聚焦高斯波束燒蝕部分所覆蓋的區(qū)域更大的區(qū)域上。因此，UV DPSS激光器52可將單位脈沖能量限定于金屬層24和28的尺寸和厚度，這里激光點將超過工件材料燒蝕時的通量(fluence)閾值。
至于盲孔，例如可將通量為10-12J/cm2的成像成形輸出118在厚度為5-12μm的頂部銅層24上燒蝕出直徑最大為40μm的小孔。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道該通量范圍意味著相當(dāng)?shù)偷?、比如約為3-6kHz重復(fù)速率。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還知道更高的通量會產(chǎn)生不利的結(jié)果如加熱，并且所形成的更慢的重復(fù)速率會反向影響生產(chǎn)能力。當(dāng)UV DPSS激光器52所能獲得的功率繼續(xù)增加時，可獲得更高能量的脈沖，其可使成形成像技術(shù)擴展到孔尺寸更大的、整個銅的應(yīng)用場合中。
在此過渡期間，在金屬頂層24上沖出直徑約大于35μm孔眼的優(yōu)選方法是采用圖8中的激光系統(tǒng)150。其中檢流鏡通路156用來使聚焦的原始高斯輸出作為激光系統(tǒng)輸出114提供出來。聚焦的原始高斯輸出通常采用非沖孔技術(shù)來穿透金屬頂層24，然后控制檢流鏡片152和154使激光輸出60穿過成像系統(tǒng)70來加工絕緣層26。
無論金屬頂層26是如何加工的(該頂層甚至可經(jīng)預(yù)先蝕刻)，下面的絕緣層26可接著用成像成形輸出118以更低的通量、更高的重復(fù)速率加工出前面所述底面光圓、錐度不明顯的孔20。通常絕緣層的加工通量范圍從約低于0.8J/cm2到約高于4J/cm2，其中0.8J/cm2不會對金屬底層28有任何損傷，而4J/cm2則基本會對金屬底層28形成損傷。盡管優(yōu)選的通量值取決于材料，但對于大多數(shù)絕緣層26來說，當(dāng)成像成形輸出118接近銅金屬層28時，通量值優(yōu)選為1.2-1.8J/cm2。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道以該通量范圍的高端值加工絕緣層24的上部時具有生產(chǎn)能力方面的優(yōu)點，然后在激光脈沖114接近金屬底層28時將通量向該范圍的下端減少(優(yōu)選通過提高重復(fù)速率來實現(xiàn))。在最佳產(chǎn)量時，重復(fù)速率優(yōu)選為12-45kHz，12-15kHz適用于大孔20b，并且很難將層26燒蝕，30-45kHz適用于小孔。普通技術(shù)人員都知道今后隨著DPSS激光能量的提高，這些重復(fù)速率值也會增加。
在某些中等尺寸盲孔20b的場合中，最好采用快速定位器78利用聚焦后的高斯輸出以非沖孔的方式加工金屬頂層24，然后再利用成像成形輸出118沖穿絕緣層。普通技術(shù)人員還知道激光系統(tǒng)150的原始聚焦高斯輸出還可用來加工直徑太大以至于不能用成像成形輸出118加工的通孔20a或者速率比圓度或邊緣質(zhì)量更為重要的孔20a。
至于有機或無機絕緣層26，它們通常都具有非常低的燒蝕點，很容易用投射成像的配置燒蝕加工出所需最大的孔徑。然而，對于更大的、約150μm到200μm甚至更大的孔，根據(jù)特定材料性質(zhì)的不同，成像成形輸出118在孔直徑上的能量分布減少到產(chǎn)量開始下降的點處，這是因為此時每次激光系統(tǒng)脈沖114去掉的材料少了。
在孔徑大約超出250-300μm并且邊緣質(zhì)量和圓整度不如產(chǎn)量那么重要的情況下，優(yōu)選利用快速定位器78以激光系統(tǒng)150的成像成形輸出118或聚焦高斯輸出以非沖孔的方式加工出孔20。普通技術(shù)人員都知道非沖孔加工所形成的大孔20在錐度和圓度上適于大多數(shù)場合。這一點同時適用于通孔和盲孔的加工。普通技術(shù)人員還知道成像成形輸出118在許多場合下比聚焦高斯輸出在打大孔方面更為有效。
圖14為UV YAG激光系統(tǒng)50的成像成形輸出118在環(huán)氧樹脂上打孔時，該孔通常所具有的電子掃描顯微圖(SEM)?？讖綖?5μm，樹脂厚度為45μm，該基片的預(yù)處理是將樹脂的頂部銅層蝕刻掉，該樹脂在FR4芯體上鍍鏌。底層(或內(nèi)層)銅為18μm厚(1/2oz，盎司)。
其它一些顯著特征包括第一，孔的側(cè)壁異常光滑并且很直，孔的頂邊非常銳利；第二，由于采用了圓形孔眼的投射成像，打出的孔如前所述特別圓；最后，底層銅基本沒有損傷并且沒有任何沉積的樹脂。
在本特定測試中，波束成形組件配置成工作面上能形成反向通量輪廓(圖6C)的結(jié)構(gòu)，即點邊緣處的通量稍稍高于中心。然后將激光器的參數(shù)(PRF以及所加的脈沖數(shù))調(diào)整到使點邊緣處的工作面通量剛好高于金屬銅燒蝕的值。仔細觀察該圖像可發(fā)現(xiàn)靠近孔底邊緣的光滑區(qū)為金屬銅有點回流的區(qū)域。這種金屬銅的稍稍回流能夠很好地保證所有的樹脂從孔中去掉。內(nèi)層銅的損傷的這種控制程度通常由成像成形輸出118所形成的孔20決定。
對HDI電路板上的微孔，大多數(shù)普通的、在鍍鏌的樹脂結(jié)構(gòu)上用激光打孔的技術(shù)都采用預(yù)先蝕刻在頂部銅層上的圓形開口。該開口用作CO2激光加工中的等角掩膜。層與層之間在配準(zhǔn)上難度使該方法很難在更大的襯墊尺寸(＞200μm)上打取更大的孔(＞100μm)。然而，定位系統(tǒng)74可使激光打孔系統(tǒng)層與層之間精確定位的問題得以解決，同時只有絕緣樹脂上的打孔能力更高。在這種新的方法中，外部的銅層被預(yù)先大體蝕刻成內(nèi)層地帶板的尺寸，然后將激光器進行定位并在該開口中打取小孔。由本方法所形成的孔20的一例電子掃描顯微圖為圖15，其中所示為在預(yù)先蝕刻的150μm銅口中打出的、穿過45μm環(huán)氧樹脂的、成像成形的75μm孔。
普通技術(shù)人員都知道這里所描述的波束成形成像技術(shù)不僅可提高孔的圓度以及邊緣質(zhì)量，還可提高重復(fù)性和定位精度，例如在襯墊的中心進行精確定位。并且還可用來提高電子器件生產(chǎn)中阻抗的控制性和可預(yù)測性。
成形成像技術(shù)和剪切高斯技術(shù)之間進一步對比的數(shù)據(jù)，包括彩色電子顯微圖可在“采用UV YAG激光器進行高質(zhì)量微孔成形的技術(shù)”(High Quality Microvia Formation with Imaged UV YAG Lasers)中打到，其是2000年4月6日在美國California州San Diego市舉辦的IPC印刷電路展上技術(shù)論文的一部分。
顯然，對于普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的條件下本發(fā)明上述實施例的許多細節(jié)內(nèi)容還會有許多變化。因此本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種用來提高在多層工件上打孔能力的方法，其中該多層工件至少包括分別由第一層材料和第二層材料構(gòu)成的第一層和第二層，并且第一層材料和第二層材料分別具有不同的第一、第二燒蝕通量閾值，該方法包括生成第一高斯激光輸出，該第一高斯激光輸出具有第一高斯能量和波長小于400nm的、基本上為高斯曲線的照度輪廓；使第一高斯激光輸出沿著一條光路穿過一個光學(xué)衍射組件從而將第一高斯激光輸出轉(zhuǎn)換成更為均勻一致的第一成形輸出；使該均勻的第一成形輸出的主要部分穿過一個孔眼從而將均勻的第一成形輸出轉(zhuǎn)換成第一過孔成形輸出，該第一過孔成形輸出具有第一過孔成形能量，其能量值大于第一高斯激光輸出的第一高斯能量的50％；將第一過孔成形輸出穿過一個或多個成像透鏡組件以提供第一成像成形輸出；將第一成像成形輸出加到工件的靶位上以去掉靶位內(nèi)的第一層材料從而形成孔，該第一成像成形輸出在一個第一點域上具有第一能量密度，并且該第一能量密度大于第一燒蝕通量閾值但小于第二燒蝕通量閾值。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中該孔具有最小直徑dmin和最大直徑dmax，并且圓度大于0.9，這里圓度為dmin/dmax。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中該孔的圓度大于0.95。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中該孔具有底徑db、頂徑dt，并且錐度比大于0.5，這里錐度比為db/dt。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中該孔的錐度比大于0.75。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中第一過孔成形能量大于第一高斯能量的65％。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中第一過孔成形能量大于第一高斯激光能量的75％。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中第一成像成形能量大于第一高斯能量的45％。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中第一成像成形能量大于第一高斯激光能量的55％。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中第一能量密度小于或等于約2J/cm2。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中該波長約為355nm或266nm。
12.如權(quán)利要求1的方法，其中第一層材料包括絕緣材料，第二層材料包括金屬。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中絕緣材料包括有機絕緣材料，金屬則包括銅。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中有機絕緣材料包括一種無機強化材料。
15.如權(quán)利要求1的方法，進一步包括通過沖孔將第一層材料去掉。
16.如權(quán)利要求1的方法，進一步包括通過非沖孔的方法將第一層材料去掉。
17.如權(quán)利要求1的方法，其中第一層材料位于由第二層材料構(gòu)成的兩層之間，該方法在生成第一高斯激光輸出之前進一步包括生成第二高斯激光輸出，該第二高斯激光輸出具有第二高斯能量和波長小于400nm的、基本上為高斯曲線的照度輪廓；使第二高斯激光輸出沿著該光路穿過該光學(xué)衍射組件從而將第二高斯激光輸出轉(zhuǎn)換成更為均勻一致的第二成形輸出；使該均勻的第二成形輸出的主要部分穿過該孔眼從而將均勻的第二成形輸出轉(zhuǎn)換成一個第二過孔成形輸出，該第二過孔成形輸出具有第二過孔成形能量，其能量值大于第二高斯激光輸出的第二高斯能量的50％；將第二過孔成形輸出穿過一個或多個成像透鏡組件以提供第二成像成形輸出；將第二成像成形輸出加到工件的靶位上以去掉靶位內(nèi)的第二層材料，該第二成像成形輸出在該點域上具有一個第二能量密度，并且該第二能量密度大于第二燒蝕通量閾值從而將第二層材料去掉。
18.如權(quán)利要求17的方法，其中第二能量密度大于或等于約10J/cm2。
19.如權(quán)利要求17的方法，進一步包括以一個第二脈沖重復(fù)頻率生成第二高斯激光輸出；以及以高于第二脈沖重復(fù)頻率的第一脈沖重復(fù)頻率生成第一高斯激光輸出。
20.如權(quán)利要求17的方法，進一步包括將第二和第一成像成形輸出按順序?qū)蛞粋€第一靶位從而形成一個第一孔；以及將第二和第一成像成形輸出按順序?qū)蛞粋€第二靶位從而形成一個第二孔。
21.如權(quán)利要求17的方法，進一步包括將第二成像成形輸出導(dǎo)向一個第一靶位從而將第二層材料去掉；將第二成像成形輸出導(dǎo)向一個第二靶位從而將第二層材料去掉；然后將第一成像成形輸出導(dǎo)向一個第一靶位從而將第一層材料去掉；以及將第一成像成形輸出導(dǎo)向一個第二靶位從而將第一層材料去掉。
22.如權(quán)利要求17的方法，進一步包括通過非沖孔的方法將第二層材料去掉；以及通過沖孔將第一層材料去掉。
23.如權(quán)利要求17的方法，進一步包括通過非沖孔的方法將第二和第一層材料去掉。
24.如權(quán)利要求17的方法，其中第一高斯能量不同于第二高斯能量。
25.如權(quán)利要求17的方法，其中第二過孔成形能量大于第一高斯能量的65％。
26.如權(quán)利要求25的方法，其中第二過孔成形能量大于第一高斯激光能量的75％。
27.如權(quán)利要求17的方法，其中第二成像成形能量大于第一高斯能量的45％。
28.如權(quán)利要求1的方法，其中第一層材料位于由第二層材料構(gòu)成的兩層之間，該方法在生成第一高斯激光輸出之前進一步包括生成第二高斯激光輸出，該第二高斯激光輸出具有第二高斯能量和波長小于400nm的、基本上為高斯曲線的照度輪廓；使第二高斯激光輸出沿著一條避開光學(xué)衍射組件和孔眼的第二光路前進；將第二高斯激光輸出加到工件的靶位上以去掉靶位內(nèi)的第二層材料，該第二高斯輸出在該點域上具有一個第二能量密度，并且該第二能量密度大于第二燒蝕通量閾值從而將第二層材料去掉；以及從第二條光路變到該光路上以便提供成像成形輸出。
29.如權(quán)利要求28的方法，進一步包括以一個第二脈沖重復(fù)頻率生成第二高斯激光輸出；以及以高于第二脈沖重復(fù)頻率的一個第一脈沖重復(fù)頻率生成第一高斯激光輸出。
30.如權(quán)利要求28的方法，進一步包括通過非沖孔的方法將第二層材料去掉；以及通過沖孔將第一層材料去掉。
31.一種激光系統(tǒng)包括一種二極管注入泵式的固態(tài)激光器，其用來沿著一條光路生成具有高斯能量的紫外高斯激光輸出；沿著光路布置的一個光學(xué)衍射組件，其用來將高斯激光輸出轉(zhuǎn)換成成形輸出，該成形輸出的中心照度輪廓具有高且均勻的密度，外周照度輪廓則具有很低的密度；沿著光路布置的一個孔眼，其用來將成形輸出外周照度輪廓的主要部分剪切掉并使高斯能量的至少50％穿過該孔眼從而形成具有過孔成形能量的過孔成形輸出；一個或多個成像透鏡組件，其用來將過孔成形輸出轉(zhuǎn)換為成像成形輸出；以及一定位系統(tǒng)，其用來將成像成形輸出導(dǎo)向一個工件靶位從而形成孔。
32.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，進一步包括沿著該光路布置的一對波束導(dǎo)向鏡，作為選擇光學(xué)衍射組件和孔眼可放在波束導(dǎo)向鏡之間，這對波束導(dǎo)向鏡用來將高斯激光輸出轉(zhuǎn)向另一條光路，該光路避開了光學(xué)衍射組件和孔眼，這樣波束定位系統(tǒng)將高斯輸出導(dǎo)向工件。
33.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，其中的光學(xué)衍射組件為一個第一光學(xué)衍射組件，該孔眼為具有第一尺寸的第一孔眼，并且該第一光學(xué)衍射組件和第一孔眼在工件的一個第一點域上共同形成一個基本均勻一致的第一能量密度。
34.如權(quán)利要求33的激光系統(tǒng)，其中第一光學(xué)衍射組件和第一孔眼能夠移動，并且能被一個第二光學(xué)衍射組件和一個第二孔眼替換，該第二光學(xué)衍射組件和第二孔眼在工件的一個第二點域上共同形成一個基本均勻一致的第二能量密度。
35.如權(quán)利要求33的激光系統(tǒng)，其進一步包括一個可移動的第一成像光軌，該光軌將第一光學(xué)衍射組件和第一孔眼集合在一起，該第一成像光軌能由一個具有一個第二光學(xué)衍射組件和一個第二孔眼的第二成像光軌替換，其中第二光學(xué)衍射組件和第二孔眼在工件靶位的一個第二點域上配合形成一個第二能量密度。
36.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，其進一步包括一個可移動的第一成像光軌，該光軌將第一光學(xué)衍射組件和第一孔眼集合在一起，這樣成像光軌去除后就能把高斯激光輸出投射到靶位工件上。
37.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，其中過孔成形能量大于高斯能量的65％。
38.如權(quán)利要求37的激光系統(tǒng)，其中過孔成形能量大于高斯激光能量的75％。
39.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，其中該孔具有最小直徑dmin和最大直徑dmax，并且圓度大于0.9，這里圓度為dmin/dmax。
40.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，其中該孔具有底徑db和頂徑dt并且錐度比大于0.5，這里錐度比為db/dt。
41.如權(quán)利要求31的方法，其中第一能量密度小于或等于約2J/cm2。
42.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，其中該波長約為355nm或266nm。
43.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，其中該孔包括第一層材料和第二層材料，并且第一層材料包括絕緣材料，第二層材料包括金屬。
44.如權(quán)利要求43的激光系統(tǒng)，其中絕緣材料包括有機絕緣材料，而金屬則包括銅。
45.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，其進一步在孔眼和工件之間的光路上放置一個可調(diào)的波束擴展器。
46.如權(quán)利要求31的激光系統(tǒng)，進一步包括快速可調(diào)控的電子裝置，其用來快速改變Q開關(guān)的控制從而使高斯激光輸出的重復(fù)速率形成快速改變以便將其轉(zhuǎn)換成一個具有第二脈沖能量的第二高斯激光輸出。
全文摘要
采用激光系統(tǒng)(50)中的一種二極管注入泵式固態(tài)激光器(52)來提供紫外波的高斯輸出(54),該輸出經(jīng)一光學(xué)衍射組件(90)轉(zhuǎn)換成照度輪廓一致的成形輸出(94)。高比例的成形輸出(94)經(jīng)聚焦穿過掩膜(98)的孔眼以提供成像成形輸出(118)。該激光系統(tǒng)(50)有助于將該方法的打孔能力提高到比類似的剪切高斯激光系統(tǒng)的打孔能力還高的水平。本發(fā)明特別適于打取盲孔(20b),并且該盲孔的孔邊、孔底以及錐度的質(zhì)量高于剪切高斯激光系統(tǒng)打取的盲孔。另一種激光系統(tǒng)(150)采用一對波束轉(zhuǎn)向檢流鏡(152、154)其可使高斯輸出繞過包含光學(xué)衍射組件(90)和掩膜(98)的成形成像系統(tǒng)(70)。激光系統(tǒng)(150)為用戶在高斯輸出或成像成形輸出(118)之間提供了一種選擇。
文檔編號B23K26/06GK1351529SQ00807911
公開日2002年5月29日 申請日期2000年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者C·M·丹斯基, X·劉, N·J·克羅利奧, H·W·羅, B·C·岡德拉姆, H·馬特薩毛托 申請人:電子科學(xué)工業(yè)公司