專利名稱：激光加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光加工方法，用于在介電襯底上快速鉆出小孔。
通過(guò)激光射線進(jìn)行材料加工由于激光技術(shù)的迅速發(fā)展在最近幾年已經(jīng)具有越來(lái)越重要的意義。尤其是對(duì)電子產(chǎn)品加工領(lǐng)域由于結(jié)構(gòu)部件越來(lái)越微型化電路板以及襯底的激光加工已經(jīng)成為不可放棄的工具，一般能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)部件的微型化實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)部件和/或襯底的微型化。例如可以在襯底上鉆出小孔，它具有比常見(jiàn)的鉆頭鉆出的小孔直徑相比更小的直徑。前提是，精確地已知在襯底上產(chǎn)生的激光射線的激光功率，此外也可以鉆出通孔或所謂的盲孔，盲孔對(duì)于多層電路板尤其是重要的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)后面的盲孔金屬化可以使多層電路板的不同金屬層相互間導(dǎo)電連接并因此可以明顯地提高在襯底上的集成密度。
由US 5,593,606已知一種激光加工裝置，通過(guò)它可以在多層襯底上鉆出直徑在50至200μm之間的小孔。作為激光光源使用一個(gè)連續(xù)泵汲的品質(zhì)良好的Nd:YAG激光器，它按照一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生在紫外光譜區(qū)的激光脈沖。各激光脈沖具有一個(gè)約250mW的平均脈沖功率和數(shù)量級(jí)為100ns的脈沖長(zhǎng)度。由此各脈沖得到一個(gè)非常微小的約25nJ的能量，使得為了鉆出一個(gè)孔必需使用許多激光脈沖。此外因?yàn)槊}沖重復(fù)頻率被限定在幾kHz，產(chǎn)量、即單位時(shí)間鉆出的小孔數(shù)量相應(yīng)地很少，因此通過(guò)這種激光加工裝置根據(jù)材料和要被鉆孔的層厚每單位時(shí)間只能鉆出相對(duì)很少的小孔。
此外已知，用于材料加工和尤其是用于在襯底上鉆出小孔可以使用波長(zhǎng)為9.2-10.6μm的CO2激光器或基準(zhǔn)波長(zhǎng)為1064nm的脈沖固體激光器，例如Nd:YAG激光器或Nd:YVO4激光器。使用這種在紅外光譜區(qū)獲得的常見(jiàn)的CO2激光源存在缺陷，所產(chǎn)生的激光脈沖的脈沖長(zhǎng)度是相對(duì)較長(zhǎng)的μs數(shù)量級(jí)。由此使要被加工的襯底處于較高的熱負(fù)荷下，使得鉆出的小孔的幾何形狀由于鉆孔毛刺或由于在孔邊緣上的淀積明顯偏離最佳的(圓柱形或圓柱形)形狀并由此降低了鉆出小孔的質(zhì)量。淀積例如由固化的蒸汽物產(chǎn)生，這種蒸汽物由于激光射線的加熱使襯底材料升華而產(chǎn)生。但是淀積也可能由于固體襯底材料的小顆粒產(chǎn)生，這些顆粒由于劇烈地不均勻的襯底加熱而被拋在孔邊緣上。
由DE 100 20 559已知一種通過(guò)在可見(jiàn)光或在靠近紅外的光譜區(qū)里的超短激光脈沖加工材料的方法。在此通過(guò)一個(gè)激光源產(chǎn)生脈沖長(zhǎng)度小于300ps且重復(fù)率在100kHz至1GHz的激光脈沖。各激光脈沖的強(qiáng)度被總共產(chǎn)生的激光脈沖在一個(gè)光學(xué)放大器中放大。被放大的激光脈沖具有小于300ps的脈沖長(zhǎng)度和1Hz至1MHz的重復(fù)率，該激光脈沖用于材料加工。未放大的同樣指向要被加工材料的脈沖用于檢查要被加工的材料。作為檢查方法例如產(chǎn)生所謂的光學(xué)相干X照相術(shù)。
本發(fā)明的目的是，提出一種用于在介電襯底上鉆出小孔的方法，其中在短時(shí)間內(nèi)能夠鉆出大量高質(zhì)量的小孔。
這個(gè)目的通過(guò)一種具有獨(dú)立權(quán)利要求1特征的方法得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思在于，對(duì)于適合的參數(shù)，即波長(zhǎng)、脈沖長(zhǎng)度、重復(fù)率和用于加工的激光射線的脈沖能量不僅可以提高產(chǎn)量、即單位時(shí)間內(nèi)鉆出小孔的數(shù)量而且可以改善所得到的孔質(zhì)量。按照本發(fā)明為了產(chǎn)生脈沖的激光射線使用一個(gè)高品質(zhì)的CO2激光器。CO2激光器的高品質(zhì)開關(guān)可以通過(guò)一個(gè)所謂的聲電(akustooptisch)開關(guān)實(shí)現(xiàn)。例如一個(gè)CdTe晶體適合于此，它通過(guò)一個(gè)兆赫區(qū)頻率的機(jī)械振蕩激勵(lì)。
當(dāng)由激光源發(fā)出的激光射線在自身的聚焦鏡頭前通過(guò)一個(gè)射線擴(kuò)徑擴(kuò)大時(shí)，按照權(quán)利要求4的所加工的激光射線尤其可以聚焦到50至200μm直徑上。對(duì)此要指出，應(yīng)用射線擴(kuò)徑的結(jié)果是被加工的激光射線具有更微小的焦深，因此必需以盡可能高的精度保持聚焦鏡頭與要被加工的物體表面之間的距離。通過(guò)這種方法可以避免所鉆出的小孔存在不期望的擴(kuò)徑或錐形幾何形狀。
按照權(quán)利要求5的鉆盲孔尤其用于多層襯底的加工。
按照權(quán)利要求6根據(jù)襯底材料和厚度或要被鉆孔的深度或者通過(guò)唯一的激光脈沖或者通過(guò)前后銜接地激光脈沖對(duì)準(zhǔn)被加工物體進(jìn)行鉆孔。在使用連續(xù)的多個(gè)激光脈沖時(shí)要注意，為了避免不好的鉆孔質(zhì)量各激光脈沖盡可能在物體的相同位置上產(chǎn)生。對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，為此所需的聚焦面在空間上的重疊要保持至少66％。
按照權(quán)利要求7用于加工由LCP(Liquid Cristalline Polymer)襯底材料制成的襯底最好使用長(zhǎng)度最大為150ns的脈沖，這種襯底材料具有直達(dá)40GHz的突出的電特性并且它不僅不透水份、氧氣而且也不透其它氣體和液體。
為了加工通過(guò)玻璃纖維材料機(jī)械強(qiáng)化的介電襯底FR4(FlameRetard 4)，例如ISOLA公司的材料C-1080，按照權(quán)利要求8至少50kHz的脈沖重復(fù)頻率是適合的，并且尤其優(yōu)選60kHz至100kHz的脈沖重復(fù)頻率。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征由下面對(duì)目前優(yōu)選的實(shí)施例的示例性描述給出。在附圖中

圖1以示意圖示出透穿襯底鉆孔，圖2以圖表示出與所使用的LCP襯底厚度有關(guān)的最大可達(dá)到的鉆孔生產(chǎn)量。
按照在圖1中所示的本發(fā)明的實(shí)施例鉆孔通過(guò)一個(gè)激光加工裝置由此實(shí)現(xiàn)，一個(gè)由未示出CO2激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為9.2±0.2μm的激光射線通過(guò)一個(gè)射線擴(kuò)徑器1這樣擴(kuò)徑，使激光射線的直徑與激光射線在激光的輸出耦合反射鏡上的直徑相比放大系數(shù)1.5至2。擴(kuò)徑的激光射線通過(guò)一個(gè)偏轉(zhuǎn)單元2偏轉(zhuǎn)90°，該偏轉(zhuǎn)單元包括至少兩個(gè)未示出的活動(dòng)鏡。偏轉(zhuǎn)的激光射線通過(guò)一個(gè)遠(yuǎn)心的聚焦鏡頭3這樣聚焦，使一個(gè)激光射線以100μm至200μm的有效聚焦直徑對(duì)準(zhǔn)要被加工的物體，該物體按照在此所示的實(shí)施例是一個(gè)單層襯底6。所述偏轉(zhuǎn)單元2的兩個(gè)反射鏡這樣設(shè)置，使激光射線4可以在短時(shí)間內(nèi)在給定區(qū)域內(nèi)部的任意位置對(duì)準(zhǔn)襯底6的表面。
所述襯底6由LCP材料制成。這種材料例如由Ticona公司的Vectra H840或Dupont de Nemours公司的Zenite 7738提供。但是要指出，對(duì)于襯底也可以使用其它的介電材料，如FR4或環(huán)氧材料RCC。
由未示出的高品質(zhì)CO2激光源產(chǎn)生的激光射線4發(fā)出重復(fù)頻率至少為50kHz的激光脈沖，它具有小于150ns的脈沖長(zhǎng)度和至少0.7mJ的脈沖能量。在要被加工的襯底6上產(chǎn)生的激光射線4的直徑為100μm至200μm。通過(guò)這種方法鉆出直徑為120μm至250μm的小孔5，其中所產(chǎn)生的孔質(zhì)量與通過(guò)常見(jiàn)激光加工裝置鉆出的小孔相比得到明顯地改善。
還要指出，為了達(dá)到高的鉆孔生產(chǎn)量必需這樣構(gòu)成成像單元2，使偏轉(zhuǎn)到要被加工襯底6上的激光射線4可以麻利地從一個(gè)盡可能精確定義的襯底表面上的位置偏轉(zhuǎn)到另一個(gè)同樣盡可能精確定義的襯底表面的位置上。因此在使用這種快速偏轉(zhuǎn)單元2時(shí)由于相對(duì)較大的脈沖能量，由于短的脈沖長(zhǎng)度和所使用的激光射線4的波長(zhǎng)不僅實(shí)現(xiàn)高的鉆孔生產(chǎn)量而且使襯底材料的熱負(fù)荷最小并由此避免圍繞鉆出孔的鉆孔毛刺或淀積。
圖2示出一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖解地示出與襯底厚度相關(guān)地能夠以高的鉆孔質(zhì)量所鉆出的最大鉆孔數(shù)量。在此在水平座標(biāo)上厚度d的單位為毫米(mm)。在縱坐標(biāo)上給出每秒鐘鉆出的鉆孔生產(chǎn)量N/t。所使用的襯底仍然由LCP材料制成。要被鉆孔的LCP襯底越薄，鉆孔的生產(chǎn)量就越高。對(duì)于0.5mm的厚度每秒可以鉆出300個(gè)孔。對(duì)于0.4mm的厚度能夠以相同質(zhì)量鉆出的孔的數(shù)量可以提高到每秒500個(gè)。在厚度為0.15mm時(shí)鉆出孔的生產(chǎn)量提高到每秒1250個(gè)孔。
還要指出，在電子產(chǎn)品加工中經(jīng)常使用由所謂注塑襯底構(gòu)成的0.4mm的LCP襯底，因此每秒500個(gè)鉆出孔的生產(chǎn)量與通過(guò)常見(jiàn)的激光加工設(shè)備可以達(dá)到的生產(chǎn)量相比明顯增加。
總之本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于在介電襯底(6)上快速鉆出小孔的激光加工方法。作為激光源使用一個(gè)高品質(zhì)的CO2激光器，它可以產(chǎn)生一個(gè)脈沖的激光射線(4)，它具有大于50kHz的脈沖重復(fù)頻率，脈沖長(zhǎng)度短于200ns而每個(gè)激光脈沖的能量至少為10-4焦耳。通過(guò)偏轉(zhuǎn)單元使激光脈沖(4)偏轉(zhuǎn)到要被加工的襯底(6)上。通過(guò)上述表征激光射線(4)的參數(shù)不僅可以保證高的鉆出孔(5)生產(chǎn)量而且可以保證高的鉆孔質(zhì)量。因此可以在0.4mm厚的LCP襯底上每秒鉆出500個(gè)小孔，其中鉆出孔的幾何形狀近似圓柱形或近似圓錐形。所選擇的波長(zhǎng)、短脈沖長(zhǎng)度、高重復(fù)頻率和與常見(jiàn)的激光加工裝置相比在電子產(chǎn)品加工領(lǐng)域中高的脈沖能量的結(jié)果是在實(shí)現(xiàn)高的生產(chǎn)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的鉆孔質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種用于在介電襯底上快速鉆孔的激光加工方法，其特征在于，·作為激光源使用一個(gè)高品質(zhì)的CO2激光器，它產(chǎn)生一個(gè)脈沖的激光射線(4)，該激光射線-具有大于50kHz的脈沖重復(fù)頻率，-具有短于200ns的脈沖長(zhǎng)度并-具有每個(gè)激光脈沖至少10-4焦耳的能量，·所述激光射線(4)通過(guò)一個(gè)偏轉(zhuǎn)單元(2)偏轉(zhuǎn)到要被加工的襯底(6)上。
2.如權(quán)利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，使用一個(gè)波長(zhǎng)范圍在9.2±0.2μm的激光射線(4)。
3.如權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，使用能量為0.7毫焦耳的激光脈沖。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光射線(4)以50μm-200μm的直徑聚焦在要被加工的襯底(6)上。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，在要被加工的襯底(6)上鉆出盲孔。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，通過(guò)單個(gè)激光脈沖或通過(guò)多個(gè)激光脈沖鉆出一個(gè)孔(5)，多個(gè)激光脈沖前后銜接地對(duì)準(zhǔn)要被加工的襯底(6)。。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，加工一種LCP襯底，其中使用短于150ns的脈沖長(zhǎng)度。
8.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，加工一種以玻璃纖維材料機(jī)械強(qiáng)化的介電襯底，其中使用至少50kHz且尤其60kHz至100kHz的脈沖重復(fù)頻率。
9.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的激光加工方法，其特征在于，加工一種環(huán)氧材料，其中使用至少80kHz且尤其接近100kHz的脈沖重復(fù)頻率。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于在介電襯底(6)上快速鉆出小孔的激光加工方法。作為激光源使用一個(gè)高品質(zhì)的CO
文檔編號(hào)H05K3/00GK1638913SQ03805224
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2003年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月5日
發(fā)明者H·德施托伊爾, E·羅蘭茨 申請(qǐng)人:西門子公司