CN101448603B - 提高激光通孔钻凿产量和清洁表面的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

在一些具体实施例里，含有至少一具有短于400微米的波长并且具有一小于1,000微微秒(picosecond)的脉冲宽度的激光脉冲(32)的激光输出可提供数个(δN)脉冲，以清洁一通孔的底部表面或一焊接区的表面，借此提高工艺产量。可利用一与一放大模块(16)共同运作的震荡器模块(12)以产生该激光输出。

Description

提高激光通孔钻凿产量和清洁表面的方法及其系统

技术领域

本发明是有关于激光微加工处理，并且特别是关于以短脉冲激光进行的激光微加工应用。 

背景技术

Q-切换固态激光为众知，并且对于许多激光微加工应用而言既已展现出成功结果。然而，Q-切换激光的微加工参数，包含其波长(从近红外线到深紫外线的范围)、脉冲宽度、脉冲能量及脉冲重复率，即以产量与像是洁净度、侧壁尖锥、圆滑度及可重复性的加工质量而言，对于有些种类的叠层有机、无机及金属微电子材料建构来说仍尚非完美。 

此类型材料的其一而为印刷接线板(PWB)业界所常用者包含经浸以一或更多有机聚合物树脂的玻璃布料，而经夹置于通常为铜质的导体金属层间。此材料组态称为「FR4」或「BT」。 

另一种常用来作为高效能集成电路的封装材料的类型是包含未经火烧、「生」陶瓷材料。这些陶瓷基材是通过对像是氧化铝(Al₂O₃)或氮化铝(AlN)的常用陶瓷粉墨施加高压所构成。通过有机「接附剂」将微米或次微米粒子固连合一，这些可对于像是钻凿的加工操作提供足够的机械整体性。的后，再以高温热烧该生材料以将接附剂驱离，并且将微粒子熔灼或热融成一极为坚硬、耐固性的高温基材。 

Owen等人的美国专利第5,593,606及5,841,099号的案文中描述为以运用Q切换UV激光系统，在有利参数内产生激光输出脉冲，以通过在包含FR4在内的多层装置里的至少两种类型叠层，构成通透孔洞或盲通孔的技术及优点。这些专利讨论用于对其进行加工的装置以及该激光与参数。这些参数通常包含具有短于100奈秒(ns)的时间脉冲宽度的非激态输出脉冲；具有小于100微米(μm)的光点直径的光点区域；以及在该光点区域上大于100毫瓦(mW)， 而以高于200赫兹(Hz)的重复率的平均强度或辐射度。 

Dunsky等人的美国专利第6,784,399号案文中揭示一种利用一Q切换二氧化碳激光以产生激光脉冲突波，并且可控制其尖顶与尾部以解决该整体通孔材料的异离汽化温度或熔点的方式。 

Mourou等人的美国专利第5,656,186号案文中揭示一种通过高重复率的超快速激光脉冲，此者通常短于10微微秒(ps)，而按数种波长的激光引入溃解及削除的一般方法，并且展示出较绕射限制光点大小为微小的经加工特性大小的建立作业。 

Rieger等人的美国专利第5,742,634号案文中揭示一种具二极管激励的同时Q切换及模式锁定的钕激光装置。该激光发射一列的脉冲，而在一100ns的周期时段里各者具有一60至300ps的周期长度。 

Sun等人的美国专利第6,574,250号第一个揭示一种用以实时性地处理与至少两个激光脉冲的链接的方法。一具体实施例运用具有小于25微微秒(ps)的脉冲宽度的脉冲。 

Kafka等人的美国专利第6,734,387号案文中揭示一种利用自一模式锁定、似连续波(cw)激光系统所输出的UV微微秒激光，以在聚合物薄膜内切割或刻铸线路的方式。 

发明内容

因而，本发明的一目的在于提供一种为以提高微电子制造材料的激光微加工产量的激光和/或方法。 

部份的较佳具体实施例有关于利用一种微微秒脉冲宽度固态UV激光，以进行像是同构型薄膜、粒子填充树脂、聚酰亚胺物与纤维强化聚合物而具或并无金属包覆的电子材料的通孔钻凿和/或削除作业。 

部份的较佳具体实施例有关于生陶瓷加工处理、焊接区清洁，或是光阻材料移除。 

在一些示范性具体实施例里，用以清洁一底置焊接区的脉冲的数目可显著地减少，并且在多数的较佳情况下，可利用仅单一脉冲以进行清洁。 

在一些具体实施例里，该激光输出是由一震荡器模块并同于一放大模块共 同运作所产生。在一些较佳具体实施例里，该震荡器模块包含一二极管激励、固态(DPSS)主震荡器。在一些较佳具体实施例里，该震荡器模块包含一脉冲半导体激光发射微微秒脉冲。在一些具体实施例里，该震荡器模块包含一脉冲纤维主震荡器。在一些较佳具体实施例里，该脉冲纤维主震荡器包含一二极管激励、稀土族掺入的玻璃纤维主震荡器，此者运用一半导体可饱和吸收映镜(SESAM)。在一些具体实施例里，该玻璃纤维主震荡器包含一稀土族掺入、经熔烧硅质纤维。该稀土族掺入物最好是包含Nd、Yb、Ho、Er、Dy、Pr、Tm或Cr。 

在一些较佳具体实施例里，该放大模块包含一单通、多通或再生性DPSS放大器。在一些具体实施例里，该放大模块包含一Nd：GdVO₄、Nd：YVO₄、Nd：YLF、Nd：玻璃或Nd：YAG增益媒体。在一些具体实施例里，该放大模块包含一稀土族掺入玻璃纤维功率放大器。在一些具体实施例里，该稀土族掺入玻璃纤维功率放大器包含一稀土族掺入熔烧硅质纤维功率放大器。该稀土族掺入物最好是自Nd、Yb、Ho、Er、Dy、Pr、Tm或Cr中所选定。 

在一些示范性具体实施例里，可运用具有一或更多小于1,000ps的脉冲的成像UV激光输出以执行该焊接区清洁工艺。 

在一些具体实施例里，该激光输出含有多个经独立触发的脉冲或脉冲突波，这些从一由该放大模块所发射的脉冲序串中选出。 

可自后文中的本发明较佳具体实施例详细说明，并参照图式，而清楚地了解本发明的其它目的与优点。 

附图说明

图1为示范性通孔钻凿处理的削除深度相对于脉冲数目的图形表示。 

图2为参数L不同值的δN相对于

的图形表示。 

图3A及3B为光学摄影图，显示在一经织合强化树脂内所钻凿的通孔的截面区段，其中呈现出个别的小型及大型受热影响区域。 

图4A及4B为光学摄影图，其中显示自焊接区移除焊接光罩的处理结果，而该焊接区具有约与用以移除该焊接光罩的激光束近似相同的大小。 

图5为用以处理支撑于一基材上的低k介电材料的示范性激光系统简化示 意图。 

图6为图5激光系统的简化部份图像与部份示意图，其中显示一示范性光束定位系统的一些组件。 

图7为可用于示范性激光系统内的选择性成像光学模块的简化图像。 

【主要组件符号说明】 

10   激光系统 

12   震荡器模块 

14   激光子系统 

16   放大模块 

18   光学调节器 

20   光学路径 

20a  激光输出 

22   系统控制计算机 

24   子系统接口电子组件 

26   调节器控制供应器 

28   激光功率供应器 

30   光束定位系统 

32   激光系统输出脉冲 

34   激光目标位置 

36   行进阶台 

38   行进阶台 

42   校准光学组件 

44   定位镜 

46   导轨 

48   导轨 

50   光束定位光学组件 

52   工件 

54   光束侦测装置 

56   非线性转换光学组件

58   校正光学组件 

60   激光功率控制器 

62   成像光学模块 

64   光学构件 

66   透镜 

68   孔径光罩 

70   激光功率控制模块 

具体实施方式

较佳具体实施例说明使用固态UV激光以执行像是同构型薄膜、粒子填充树脂、聚酰亚胺物与纤维强化聚合物，而具或并无金属包覆，的电路材料的通孔钻凿和/或削除作业。一由日本Kawasaki市的Ajinomoto Fine-Techno Co.Inc.所制造的Ajinomoto建构薄膜(ABF

)电路板介电材料是一种典型的目标材料，而可在此的上进行通孔钻凿作业。一些示范性工件包含ABF

SH-9K、ABF

GX-3、ABF

GX-13，或是由其它公司所制造的类似产品，然其它通孔钻凿目标材料(包含，然不限于此，多层、叠层基材，像是如在高密度印刷接线板中以及集成电路芯片封装所使用者，也为根据本揭的示范性具体实施例而适于处理)。 

用于通孔钻凿处理的工件通常含有导体包覆层，这些可经设置于该工件的顶部或底部表面处。这些覆层可例如含有像是铝、铜、金、钼、镍、钯、铂、银、钛、钨、氮化金属的标准金属，或其等的组合。传统的金属层在厚度上会有变化，通常是在5与36μm之间(其中7.8×10^-3kg的金属等于约9μm的厚度)，然可为较薄，或厚如72μm者。这些顶部及底部导体层通常是由相同材料所制成。 

一放置在这些导体层之间的介电矩阵或薄层可含有一标准有机介电材料，像是苯环丁烯(BCB)、双马来酰亚胺三嗪(BT)、卡纸板、氰酸酯、环氧树脂、酚醛、聚酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)、各种聚合物合金或其组合。传统的有机介电层在厚度上显著相异，然通常是会远厚于这些导体层。这些有机介电层的示范性厚度范围约为30至400μm。

该介电层也可含有一标准强化成分，这可例如为聚芳酰胺纤维、陶瓷或玻璃的纤维织结或散置粒子，而经织合或散置在整个有机介电层上，并且可含有其大部份的厚度。传统的强化成分通常是具约1到10μm的个别细丝或粒子，和/或10μm至数百微米的织合集束。熟悉本项技艺的人士将能了解可以粉末方式将这些强化组件引入这些有机介电物内，并且可为非邻接且非均匀。此等复合或强化介电层通常会相较于削除未经强化薄层所需者而要求按较高通度进行激光处理，然有些粒子填充树脂可按一类似于未经强化薄层的通度进行处理。 

一些示范性具体实施例是有关于盲通孔钻凿，并且特别是关于在同构型或填充树脂内进行盲通孔钻凿。此等盲通孔钻凿处理通常是通过一钻孔工艺所完成，其中循序激光脉冲导引于一工件上的某单一目标位置处，直到获得所欲深度而使得底部铜质层曝出为止。 

在盲通孔钻凿处理以及模拟的激光加工工艺里，一所用以构成一合格通孔的脉冲总数目N是包含一用于整体材料移除作业的整体移除脉冲的整体数目N₀，以及一用以清洁该通孔的底部(金属)表面或焊接区的清洁脉冲的底部表面清洁数目δN。而若该激光脉冲宽度长达数十奈秒，则用以清洁一底部金属焊接区的脉冲数目可占有为以钻凿该盲通孔所必要的脉冲总数的显著部份。该整体材料移除作业及该底部清洁处理牵涉到不同的激光/材料互动机制。因此，一种能够有效率地缩短该钻凿时间的方式即为通过调整激光参数而同时又不致于负面地影响到该整体材料移除工艺，以减少用于底部金属焊接区清洁处理的底部表面清洁的脉冲数目δN。 

图1为一利用一成像UV光束，而使得脉冲总数N被划分为整体移除脉冲的整体数目N₀以及清洁脉冲的底部表面清洁数目δN的示范性通孔钻凿钻孔工艺的削除深度相对于脉冲数目的图形表示。图1显示，依据应用项目及所使用的固态UV激光源而定，用于底部焊接区清洁处理的脉冲的清洁数目δN可显著地相异而如δN₁、δN₂、δN₃等等。对于一些应用项目来说，δN对N₀的比值可超过1，这意味着，比起整体材料移除而言，较多时间是耗费在底部焊接区清洁。因此会希望是减少δN以缩短每个通孔的总钻凿时间。也希望减少δN，借此减少倾倒进入一焊接区内的能量，以避免不必热性损害。

传统上控制一通孔钻凿工艺的方法是控制对于该给定工艺的脉冲能量。用于进行一给定工艺的脉冲能量E_P是由对该工艺所要的通量所决定。此通量以J/cm²表示，按下式所计算： 

$F=\frac{E_P}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2}---\left(1\right)$

其中E_P以J表示的脉冲能量，而D为以cm表示的束点直径。本案申请人既已发现以具有不同脉冲宽度的激光按相同通量位准来钻凿相同材料会获致不同的目标物项底部铜质包覆层质量。本案申请人决定一用于预测该盲通孔的底部铜质包覆质量的更适当参数为 

$\frac{F}{\sqrt{\mathrm{\τ}}}$

其中F为以J/cm²表示的脉冲通量，而τ为以奈秒表示的激光脉冲宽度。 

有鉴于前文说明，本案申请人既已开发出一种模型，可借以依据一参数L将用于该焊接区清洁处理的脉冲的数目进行量化，该参数一该激光脉冲重复率f以及该激光脉冲宽度τ的函数。δN、

及L之间的关可表示如下： 

$L=L(f,\mathrm{\τ})=\sqrt{\frac{1}{f\·\mathrm{\τ}}}-\sqrt{\frac{1}{f\·\mathrm{\τ}}-1}---\left(2\right)$

$L\·(\mathrm{\δN}-1)\≈\frac{1}{C_1}\·(\frac{T_m-T_0}{F/\sqrt{\mathrm{\τ}}}-C_2)---\left(3\right)$

其中C₁及C₂为与金属(焊接区)性质(像是光学、热性和/或机械性质)相关的数，而其中T_m及T₀为该金属焊接区的熔解温度及初始温度。 

图2一对于利用成像UV光束的示范性通孔钻凿钻孔工艺，就以不同参数 L值的δN相对于

的图形表示。图2显示当该项为足够地大时，可将δN最小化至1。 

基于前述揭示，可对于不同的激光参数来预测δN。例如，一固态UV激光，此者按50仟赫(kHz)在该工作表面处具有1.35瓦特的可用激光功率以钻凿一具有一58μm光束直径的通孔，可在该工作表面处提供一1.02J/cm²的通量。以一奈秒脉冲宽度，像是τ＝75ns，  $F/\sqrt{\mathrm{\τ}}=0.12J/{\mathrm{cm}}^2$ 并且L＝0.030647，因此δN＝20。然而，以一微微秒脉冲宽度，像是τ＝10ps，  $F/\sqrt{\mathrm{\τ}}=10.22J/{\mathrm{cm}}^2$ 并且L＝0.000354，则在此条件下，可几乎确认δN＝1。 

这些范例说明在通孔钻凿工艺里，可通过利用一微微秒脉冲宽度固态UV激光获得的经改善效率。一具有在微微秒脉冲宽度范围内(从1ps至1,000ps)的激光输出的固态UV激光可通过在该整体材料与该通孔的目标焊接区材料的接口处建立出更陡峭的温度梯度，以提供此一示范性δN＝1工艺，而导致更有效率地清洁该目标焊接区上的最后剩余材料。减少经注入该目标焊接区内的能量将可降低对微小隔离目标焊接区造成热性损害的机会，其中这些目标焊接区并非直接地接附于一电路迹线，且因而无法透过电路迹线以散除掉过度的能量。有些较佳具体实施例虽运用具有一短于1,000ps的脉冲宽度的UV激光脉冲，然一些具体实施例是运用具有一短于500ps的脉冲宽度的激光脉冲，并且一些具体实施例则是运用具有一短于100ps的脉冲宽度的激光脉冲。也可运用具有短于1ps的脉冲宽度，且尤其是在飞秒(Femtosecond)范围的内者。 

除前述的整体材料移除及焊接区清洁具体实施例以外，另一所特别关注的工艺为FR4及BT树脂内的通孔钻凿处理，即盲通孔或通透孔洞。FR4会由于多项原因而难以进行激光加工。首先，该材料为高度异质性，尤其是就以系统驭激光削除特征的性质而言，像是熔化及汽化温度。特别地，该织合玻璃强化及该聚合物树脂矩阵的汽化温度差异甚大。纯硅质二极管分别地具有1,970K(凯式温度)及2,503K的熔化及汽化温度，而典型的有机树脂，像是环氧树脂，则是在500至700K数阶的远低温度处汽化。这种相异性会使得激光削除玻璃成份，而同时又要避免削除过多环绕于个别玻璃纤维或是直接地邻近于纤维集束处的树脂非常困难。 

多数的FR4玻璃布料也由个别玻璃细丝的集束或「纱线」所织合而成。 细丝的直径通常为4至7μm，并且纱线直径的范围则约为50μm至数百微米。纱线一般说来是按开放织合样式所织合，产生出其中纱线为彼此交跨的高玻璃密度的区域，以及低或零玻璃密度的区域。由于无法针对于织合集束而先验地选择通孔的位置，因此所欲通孔位置将随着玻璃密度而变化。从而，所欲者为在该基材的高及低玻璃密度两者范围内等同地良好运作的激光加工工艺参数。具有足够「侵略性」以明确地汽化高密度范围内的所有玻璃，并且同时又具有足够「温和性」以避免在低密度范围内过度蚀刻或移除过多的树脂或是造成过度焊接区损害的工艺条件在多数的传统激光工艺里确为难以达到。 

对于在织合强化树脂内的通孔钻凿处理，该微微秒脉冲宽度固态UV激光可处理该材料而具有较小的受热影响地带，并且获致具有较佳侧壁质量的通孔。图3A及3B显示在织合强化树脂的内所钻凿出通透孔洞通孔的截面区段，其中展现出个别较小及较大的受热影响地带。按微微秒脉冲宽度参数所钻凿出的通孔可展现类似于图3A所示的较小受热影响地带，并且在该通孔的侧壁上具有较少的纤维突出。当在微微秒脉冲宽度范畴里，于此材料中钻凿出盲通孔及通透孔洞两者时，即期望具备此一质量。而图3B里所展现的较高纤维突出则为像是因运用数十奈秒脉冲宽度范畴参数所产生的较大受热影响地带的结果。 

对于织合强化树脂盲通孔及通透孔洞通孔钻凿处理，该微微秒脉冲宽度固态UV激光工艺可减少进入该通孔侧壁内的热散发，并且获得改善的通孔侧壁质量。同样地，对于穿过具有一顶部金属层的材料的通孔钻凿处理，该微微秒脉冲宽度固态UV激光可减少进入该金属层的热扩散，并且获得较佳质量的切割以及对于该金属层，尤其是对于薄型金属层而言，较低的热性损害可能性。 

有些具体实施例及范例虽针对于通孔钻凿处理，然本技术也可适用于其它的材料移除应用项目，像是生陶瓷加工、焊接区清洁或光阻材料移除。 

对生陶瓷进行激光加工会因有机接附剂及陶瓷微粒子的热性质差异的故而出现类似于用以处理FR4者的问题。该接附剂的汽化温度(再度地，具有500K的数阶)与该陶瓷的汽化温度(对于Al₂O₃为3,800K)间的差别在激光钻凿过程中会影响到移除材料的方式。由于陶瓷具有较高的汽化温度，因此要经由直接熔解(对于Al₂O₃为2,340K)或汽化这些微粒子以移除生陶瓷会相当地困难。

该较佳激光微加工工艺则另为仰赖于将这些微粒子固连合一的接附剂材料的爆发性汽化。当受曝于激光脉冲，该接附剂相较于该陶瓷会远远地易于汽化，并且该有机蒸汽被按极为高度的加热速率而驱动至一高温，而在各微粒子之间的空间里产生局部性的高压气体范围。然后，该高压气体快速地膨胀而将该生陶瓷材料分解。如此，可通过各次激光脉冲，按远高于经其直接汽化所能获得的移除速率，将该生陶瓷材料当在其固态情况下予以移除。 

在生陶瓷激光微加工处理里通过接附剂的爆发性汽化的材料移除可为有利也可为不利。若该有机蒸汽压力过高或是扩展跨于过广面积，则会发生像是切片或是微碎裂的不欲效应。若该高压范围过于局部化或是不够热，则会造成不良的材料移除率。该微微秒脉冲宽度固态UV激光工艺可减少进入该通孔的侧壁的热扩散，并且在生陶瓷里获得改善的通孔侧壁质量。 

参考有关盲通孔钻凿及保护聚合物覆盖削除两者的具体实施例，另一重要的关切项目在于，若该焊接区吸收过多激光能量，则或会提高这些经隔离焊接区，这会令该工艺及如此所构成的通孔不合格。传统的工艺会特别地容易受到此焊接区提高效应的影响，因为特性的尺寸会相对于进行削除作业的光束的大小而减少。对于这些较小特性，像是具有小于所钻凿通孔直径两倍的直径并且通常具有不到约18μm的厚度的焊接区，会特别地希望在移除整体材料的后能够减少焊接区清洁脉冲的数目δN，藉以将倒入该焊接区内的能量降至最低。而随着特性尺寸在未来继续缩小，预期此焊接区提高效会成为一项甚至更引人关注的问题。 

图4A及4B为光学摄影图，其中显示为以自焊接区移除焊接光罩的处理结果，而该焊接区具有约与用以移除该焊接光罩的激光束近似相同的大小。焊接光罩移除通常是经由耗时的微影蚀刻工艺进行，而可能会受到对齐限项的影响，或者是透过化学蚀刻工艺进行，然以典型的固态激光技术确为不易处理。 

有两种类型的焊接光罩材料：液态可光成像焊接光罩(LPISM)及干性薄膜焊接光罩(DFSM)。典型的可用液态可光成像焊接光罩(LPISM)包含，然不限于此，如下项目：Coates ImageCure XV501T & XV501TSM、Coates ImageFlex(弹性焊接光罩)SV 601T、Enthone DSR 3241及DSR 3241 GM、Rogers Rflex 8080LP1及Rflex 8080 LP3(弹性)、Taiyo PSR 4000 BN及4000 AUS5、Taiyo PSR 9000(弹性)，或是Vantico Probimer 77 LPI焊接光罩。典型的可用干性薄膜焊接光罩(DFSM)包含，然不限于此，如下项目：Dupont VACREL 8100、Dupont弹性可光成像覆罩(PIC)1000及2000、Shipley(Dynachem)DynaMASK 5000，或是Shipley ConforMASK 2500。 

图4A内所示的工件的焊接区在处理过程中接受了过多能量，并因而自该面板产生叠层去离。而图4B内所示的工件的焊接区则并未自该工艺收到过多能量，所以不会发生叠层去离并且结果为可接受。通过在该焊接区处具有一较陡峭温度梯度，以一微微秒脉冲宽度固态UV激光及一δN＝1的工艺，可减少于处理工艺过程中经注入该焊接区的内的能量，并且可降低发生焊接区叠层去离的机会。 

除移除焊接光罩材料外，也可运用该UV微微秒激光加工技术以移除任何具有或并无光敏剂的阻遮材料。传统的光阻材料通常含有可受曝于光线而溶解的正光阻物，以及受曝于光线时为聚合化(不可溶解)的负光阻物。光阻材料包含，然不限于此，Novolak(M甲酚-甲醛树脂)，或是一蚀刻阻遮聚合镀层，像是聚异戊二烯或聚甲基异丙基甲酮。 

图5为一用于通孔构成或焊接区清洁处理的示范性激光系统10简化示意图。参照于图5，该激光系统10最好是运用一高平均功率脉冲微微秒激光子系统14，此者含有一动态激光脉冲产生器或震荡器模块12，以及一放大模块16，像是一DPSS功率放大器。 

该动态激光脉冲产生器或震荡器模块12最好是运用一二极管激励的主震荡器，以发射具有一小于约1,000ps，最好是小于约500ps，且以小于100ps尤佳，的脉冲宽度，而按一短于约400奈米(nm)的波长，像是266nm、351nm或355nm或其它传统可获用的固态或纤维激光UV谐波波长，的震荡器输出脉冲。该震荡器输出脉冲被导引进入该放大模块16内。该放大模块16可为一单通、多通或再生性DPSS放大器。或另者，该放大模块16可为一二极管激励、稀土族掺入的硅质纤维功率放大器。又在另一具体实施例里，该放大模块16可为一二极管激励、稀土族掺入硅质光晶体纤维功率放大器。 

该震荡器模块12及该放大模块16最好是运用Nd掺入激光物以作为增益材料。一种较佳的Nd掺入激光物为Nd:GdVO₄，然替代性的Nd掺入激光物 可包含，然不限于此，Nd:YVO₄、Nd:YLF、Nd:玻璃及Nd:YAG。该震荡器模块12及该放大模块16可包含具有相同或不同掺入浓度的相同或不同的激光物。该震荡器模块12及该放大模块16也最好是运用频率选择构件、棱镜、过滤器、基准器和/或其它熟悉本项技艺的人士所众知的构件，借以在所欲波长处偏好地产生增益。 

在一示范性具体实施例里，一外部光学调节器18，像是一音响光学调节器(AOM)或一电子光学调节器(EOM)，可被触发以提供激光输出20a，其中可含有一单一脉冲、多个经独立触发的脉冲，或是在一由该微微秒激光子系统14的放大模块16所发射的脉冲序串中所选出的脉冲突波。该激光输出20a的激光脉冲具有高平均功率。可由一系统控制计算机22、子系统接口电子组件24和/或一调节器控制供应器26直接地或间接地触发该光学调节器18，即如熟悉本项技艺的人士所众知者。若有需要，可直接地或间接地由该系统控制计算机22和/或该子系统接口电子组件24，通过一激光功率供应器28的控制来协调该触发时间。熟悉本项技艺的人士将能了解可用AOM调节技术如Johnson的美国专利第7,019,891号案文所揭示，并可运用在多项具体实施例里。在此将美国专利第7,019,891号以引用方式并入。 

在另一示范性具体实施例里，该震荡器模块12可包含一脉冲半导体激光发射微微秒脉冲。在另一示范性具体实施例里，该震荡器模块12可包含一脉冲纤维主震荡器。一示范性脉冲纤维主震荡器可为一运用一SESAM的二极管激励、Nd掺入或Yb掺入硅质纤维主震荡器。熟悉本项技艺的人士将了解可另行运用其它的稀土族掺入纤维，并且可另行运用其它的模式锁定构件。 

在另一示范性具体实施例里，该放大模块16可为一二极管激励、Yb掺入硅质纤维主放大器。又在另一示范性具体实施例里，该放大模块16可为一二极管激励、Nd掺入硅质纤维功率放大器。熟悉本项技艺的人士将了解可对于该放大模块16而另行运用其它的稀土族掺入纤维。熟悉本项技艺的人士将了解可使用运用步阶指数基型、并有偏光维持构件的步阶指数基型或是空气间隔基型的纤维。 

参照图6，该激光输出20a选择性地穿过各种众知的延展和/或校准光学组件42，沿着一光学路径20而传播，并且由一光束定位系统30所导向，借以 在一像是PWB的工件52上的所要激光目标位置34处冲撞到该激光系统输出脉冲32。一示范性光束定位系统30可包含一移位阶台定位器，其可运用至少两个行进阶台36及38，而这些支撑例如X、Y和/或Z定位镜44，并可供于相同或不同工件52上的多个目标位置34之间快速地移动。 

在一示范性具体实施例里，该移位阶台定位器一分轴系统，其中一Y阶台36通常是由线性马达沿一导轨46所移动，此者可支撑并移动该工件52，以及一X阶台38通常是由线性马达沿一导轨48所移动，此者可支撑并移动光束定位光学组件，像是一快速定位器50，以及相关的(多个)聚焦透镜和/或其它光学组件。也可调整该X阶台38与该Y阶台36之间的Z维度。这些定位映镜44可经由于该激光子系统14与该快速定位器50之间的任意回转以对齐该光学路径20，其沿该光学路径20所设置。该快速定位器50可例如运用高分辨率线性马达、一或更多的电流计映镜、快速导控映镜和/或音响光学导控技术，而能够依据所提供的测试或设计资料进行单一或重复性的处理操作。可相应于仪板化或非仪板化数据，独立地或是按协调合一方式控制与移动这些X及Y阶台36及38和该快速定位器50。 

该快速定位器50也可含有或相关于一视像系统，可经对齐于该工件52的表面上的一或更多准星。该光束定位系统30可运用传统的视像或光束对工件对齐系统，此者透过一共享物镜，或按离轴方式，与一个别相机共同运作，并为熟悉本项技艺的人士所众知者。在一具体实施例里，是运用一由美国奥瑞冈州Portland市的Electro Scientific Industries，Inc所销售的光束定位系统30内采用Freedom Library软件的HRVX视像盒以执行于该激光子系统14与该工件52上的目标位置34间的对齐作业。也可商购获用其它的适当对齐系统。一示范性对齐系统可运用亮域、轴上照明作业，尤其是对于像是经净拭或抛光晶圆的高度反射性工件，然也可运用暗域照明，或是暗域照明及亮域照明的组合。此外，该光束定位系统30也可运用一Abbe误差校正系统，像是Cuter的美国专利第6,430,465号案文中所述者，在此将该案的相关部份以引用方式并入。 

该光束定位系统30的许多变化方式对于熟悉本项技艺的人士确属众知，并且该光束定位系统30的一些具体实施例在Cutler等人的美国专利第5,751,585号案文中即已详细描述。可购自美国奥瑞冈州Portland市的Electro Scientific Industries，Inc的ESI型号2700或5320微加工系统为该光束定位系统30的示范性实作。也可运用其它的示范性定位系统，像是由美国奥瑞冈州Portland市的Electro Scientific Industries，Inc所制造的型号列编号27xx、43xx、44xx或53xx、55xx、56xx。熟悉本项技艺的人士将可了解该定位系统30可经程序设计以运用工具路径档案，这可按高速度以动态方式定位该激光系统输出脉冲32，以产生广泛各种有用而可为周期性或非周期性的通孔钻凿样式。熟悉本项技艺的人士也将了解在美国专利第7,019,891号内所揭示的AOM光束导控技术可与该快速定位器50和/或该光束定位系统30组合并用或为取代另用。 

该激光输出20a也可经由额外的传统系统光学构件所导引，这些可包含，然不限于此，非线性转换光学组件56、选择性校正光学组件58，和/或选择性成像光学模块62，这些可用来控制在该目标或工件表面处所接受到的激光脉冲的光束基型的输出功率及形状。运用传统非限性转换模块56将一共同基本波长转换为一第二、第三、第四或第五谐波波长的谐波转换技术为熟悉本项技艺的人士所众知者。 

参照图7，该选择性成像光学模块62可包含一光学构件64、一透镜66及一孔径光罩68，这些经放置在由该光学构件64所产生的光束中腰处或附近，藉以阻挡该光束的任何不欲侧波瓣及至外围局部，因而能够将一经精确塑形的光点基型后续地成像于该工作表面上。在一示范性具体实施例里，该光学构件64一绕射装置或透镜，并且该透镜66一校准透镜，藉以增加该激光系统组态的弹性。 

改变该孔径的大小以匹配于该光学构件64的性质可控制该光点基型的边缘锐利度，藉以产生一具有经尺寸标定、较锐利边缘的强度基型，如此应能强化该对齐精确度。此外，借此排置，该孔径的形状可精确地为圆形，或可改变为长方形、椭圆形或其它非圆形形状，而能够平行对齐或垂直于一切割方向。该孔径光罩68可选择性地在其光线离出侧处朝外展开。对于UV激光应用项目，在该成像光学模块62内的孔径光罩68最好是包含蓝宝石。熟悉本项技艺的人士将能了解可使用该孔径光罩68而无需该光学构件64及该透镜66。 

在一替代性具体实施例里，该光学构件64包含一或更多光束塑形组件， 这些可将具有原始高斯照射基型的激光脉冲转换成在邻近该光学构件64下游的孔径光罩68处，具有一近似均匀「顶帽」基型，或者尤其是一超高斯照射基型，的经塑形(且经聚焦)脉冲。此等射束塑形组件可包含非球面光学组件或是绕射光学组件。在一具体实施例里，该透镜66包含用于控制光束大小及发散性的成像光学组件。熟悉本项技艺的人士将能了解可运用一单一成像透镜组件或多个透镜组件。熟悉本项技艺的人士也将能了解，并且为较佳者，可运用经塑形激光输出而无须利用该孔径光罩68。 

在一具体实施例里，这些光束塑形组件包含一绕射光学构件(DOE)，此者可高效率地且精确地执行的复杂光束塑形处理。这些光束塑形组件不仅可将该高斯照射基型转换为一近似均匀照射基型，而是这些也可将该经塑形输出聚焦成一可决定或经标定的光点大小。一单一构件DOE虽为较佳，然熟悉本项技艺的人士将能了解该DOE可包含多个个别构件，像是相位板，并且将如Dickey等人的美国专利第5,864,430号案文所揭示的构件加以转换，而该案也揭示用以为光束塑形的目的而设计DOE的技术。前述的塑形及成像技术于美国专利第6,433,301号案文所详细描述，在此将其相关部份以引用方式并入。 

可通过利用调节方法，运用一激光功率控制模块70以激光脉冲功率控制，这些方法包含，然不限于此，二极管崩浦调节或外部调节(像是通过一外部激光功率控制器60，而这些包含(不限于此)AOM或EOM或是经马达驱动而沿该光学路径20设置的偏光旋转光学组件)，或是其一组合。此外，可将一或更多的光束侦测装置54，像是光二极管，设置在该激光控制器60的下游处，而像是对齐于一定位映镜44，此映镜经调适以对于该激光输出20a的波长具有部份通透性。这些光束侦测光学及电子组件可直接地或间接地关联于该激光功率控制模块70，且/或可直接地或间接地相通于该系统控制计算机22和/或这些子系统接口电子组件24，和/或可用来对经调节的激光输出20a进行取样，同时可产生对于这些调节器和/或其它系统光学构件的校正信号，借此产生具备用以处理该工件52的参数的稳定调节输出。传统的功率控制技术为熟悉本项技艺的人士所众知者。一些示范性AOM功率控制技术可如美国专利第7,019,891号案文中所揭示。 

所运用的较佳脉冲重复频率的范围为50kHz到10百万赫兹(MHz)。在许 多情况下，低于1MHz的脉冲重复频率为较佳。然而，一些应用项目是运用范围在10MHz到100MHz内的脉冲重复频率。所运用的典型聚焦光点大小范围是10μm到100μm。然而，一些应用项目是运用范围在1.5μm到10μm的光点大小。 

熟悉本项技艺的人士将能了解这些用于焊接区清洁的激光参数也可运用在整体处理。或另者，这些用于焊接区清洁的激光参数可与用于整体清洁处理者有所不同。在一些具体实施例里，用于整体移除作业的通量被保持在大约用于焊接区清洁的数值，然用于焊接区清洁的脉冲宽度会改变(显著地缩小)，借此减少脉冲数目并且缩短用于焊接区清洁处理的时间量。也可在该整体处理与该焊接区清洁步骤之间改变其它的激光参数。这些参数可包含，然不限于此，波长、每脉冲的能量、重复率或光点大小。 

此外，熟悉本项技艺的人士可记得Owen等人的美国专利第5,841,099号以及Dunsky等人的美国专利第6,407,363号，在此以引用方式并入，在这些案文中揭示通过运用一第一组激光参数以处理一叠覆金属层和一第二组激光参数以处理该整体材料的两步骤、单通处理盲及穿透孔洞通孔的技术。尤其，Owen等人的美国专利第5,841,099号案文中揭示在处理该叠覆金属层后，改变该重复率和/或改变(增加)该光点大小，因此该整体材料相较于该叠覆金属层可在每个脉冲有效地接受到较少能量。 

类似地，Dunsky等人的美国专利第6,407,363号揭示改变焦点及光点大小大小的技术，此者可用以控制运用于构成该通孔的照射，借此强化通孔质量，并且提供一种用于处理该金属层然后处理该整体材料的单通、两步骤方法。可通过运用一可变形映镜以完成此等技术，然而也可运用一AOM以完成。 

熟悉本项技艺的人士将能了解在此所揭示的技术可运用以实作三步骤通孔钻凿处理，使得能够运用不同的激光参数以处理该叠覆金属层、移除该整体材料并且清洁该焊接区。例如，可按一第一组参数来处理该金属层，而在移除该金属层的后改变重复率和/或光点大小以提供一第二组参数，然后可缩小该脉冲宽度俾提供一第三组参数以供清洁该焊接区材料。此外，可对于任何步骤运用不同的波长。可在一单一激光，或通过两个以上激光，内实作这些变化。 

熟悉本项技艺的人士将能了解这些焊接区清洁参数并不需受限于典型的 通量门坎值限制，原因在于移除微量的底置金属层可接受，并且或会希望如此，藉以确保该焊接区表面完全洁净。 

熟悉本项技艺的人士也将能了解，每当该通孔大小或焊接区大小较该光点大小为大时，该整体材料移除及该焊接区清洁工艺可运用朝外或朝内螺转或同心圆处理技术，或是任何循环基型处理技术的变化方式，像是Dunsky等人的美国专利第6,407,363号所揭示者。类似地，可运用环凿技术以产生通透孔洞。对于这些应用项目，典型的咬囓大小范围可为从约1nm到约15μm。典型的扫描速度范围可为每秒从约10到约1,000毫米。 

即如在各式具体实施例及范例中所呈现者，利用运用具有在微微秒范域内的脉冲宽度的脉冲的UV影像塑形激光输出，对于各种激光微加工应用项目确实存在有产量与质量两方面的益处。尤其是，一微微秒脉冲宽度固态UV激光可产较陡峭的热性梯度，而要求较少能量以清洁在该目标焊接区上最后残余的材料层、焊接光罩或阻抗材料。将较少能量注入目标焊接区的内将可较有效率地进行处理，并且较不易对微小的隔离目标焊接区造成热性损害。对于钻入或穿透织合强化树脂的通孔钻凿，这些激光输出参数可减少进入该通孔的侧壁的热扩散，因此可改善侧壁质量。对于穿过具有顶部金属层材料的通孔钻凿，该微微秒脉冲宽度范域可降低进入该金属层内的热扩散，并且获得较佳质量的切割结果，并且较不易对该金属层，尤其是对于薄型金属层造成热性损害。 

熟悉本项技艺的人士将了解，于不背离基本原理前提下，可对前述的本发明具体实施例的细节进行许多变化。从而，本发明的范围应仅由申请专利范围所界定。

Claims (33)

1.一种提高激光通孔钻凿产量的方法，是通过将用以钻凿具有所要操作特征的通孔的脉冲总数目最小化，其中该脉冲总数目N包含一用以移除整体材料，构成该通孔的整体移除脉冲的整体数目N₀，以及一用以清洁该通孔底部表面的底部表面清洁脉冲的底部表面清洁数目δN，该方法包含：

产生激光输出，该激光输出具有一通量F，以及至少一激光脉冲，该至少一激光脉冲具有一脉冲宽度τ，以清洁该通孔的底部表面，其中该δN具有一与F/τ^1/2的关系，其关系为减少脉冲宽度τ以增加F/τ^1/2，从而降低δN，使得δN/N₀小于或等于1；以及

在一目标位置处导引该激光输出，以清洁一通孔的底部表面。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包含：调整一参数L以最小化脉冲总数目，其中L＝(1/fτ)^1/2(1/fτ-1)^1/2，而f为重复率。

3.如权利要求1所述的方法，其中该激光输出具有一短于400奈米的波长。

4.如权利要求1所述的方法，其中该激光输出含有一约355奈米或351奈米的波长。

5.如权利要求1或4所述的方法，其中该激光脉冲具有一短于1,000微微秒的脉冲宽度。

6.如权利要求1或3所述的方法，其中该激光脉冲具有一短于500微微秒的脉冲宽度。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包含：运用影像塑形光学组件以塑形该激光输出。

8.如权利要求1所述的方法，其中是在一印刷接线板内钻凿该通孔。

9.如权利要求1所述的方法，其中该整体材料包含一由同构性薄膜、粒子填充树脂、聚酰亚胺物和纤维强化聚合物所组成的群组中所选择的一种材料。

10.如权利要求9所述的方法，其中该整体材料进一步包含一金属包覆。

11.如权利要求10所述的方法，其中该金属包覆厚度小于18微米。

12.如权利要求1所述的方法，其中该底部表面材料包括金属。

13.如权利要求1所述的方法，其中该激光输出是由一固态激光或一纤维激光所产生。

14.如权利要求1所述的方法，其中该激光输出是运用于用以盲通孔钻凿的激光钻孔工艺中，其中循序雷射脉冲是导引于一工件上的单一目标位置处，直到获得所欲深度为止。

15.如权利要求1所述的方法，其中该整体材料包含一纤维强化聚合物，并且该通孔具有展现最小纤维突出的侧壁。

16.如权利要求1所述的方法，其中该激光输出具有一小于或等于10百万赫兹的重复率。

17.如权利要求1所述的方法，其中该激光输出具有一小于或等于1百万赫兹的重复率。

18.如权利要求1所述的方法，其中是以相同通量，不同的脉冲宽度，来执行该整体材料移除及底部表面清洁处理。

19.如权利要求1所述的方法，其中该底部表面清洁处理移除小于2微米厚度的材料。

20.如权利要求1所述的方法，其中是通过一环凿、螺转或循环工艺完成该通孔钻凿处理。

21.如权利要求1所述的方法，其中一位于一目标位置处的工件包含一叠覆金属层，一位于该叠覆金属层下方的整体材料，以及一底置金属层或位于该整体材料下方的焊接区，并且其中该叠覆金属层是通过一第一组激光参数所移除，该整体材料是通过一第二组激光参数所移除，而该底置金属层是通过一第三组激光参数所清洁，其中这些第一、第二及第三组参数为相异。

22.如权利要求1所述的方法，其中多个通孔在一单通中构成并清洁，使得该激光由一光束定位系统所导引，以在一旦执行整体材料移除和清洁的两种操作时，满足每一个目标位置。

23.如权利要求1所述的方法，其中该激光输出具有一介于10百万赫兹及100百万赫兹之间的重复率。

24.如权利要求1所述的方法，其中该激光输出具有至少一具有一短于400奈米的波长并且具有一小于500微微秒的脉冲宽度的激光脉冲，且其中运用影像塑形光学元件以塑形该激光输出。

25.如权利要求24所述的方法，其中是在一印刷接线板内钻凿该通孔。

26.如权利要求24所述的方法，其中该底部表面材料包括金属。

27.如权利要求24所述的方法，其中该激光输出具有一小于或等于10百万赫兹的重复率。

28.如权利要求24所述的方法，其中该整体材料包含一阻抗材料。

29.如权利要求24所述的方法，其中多个通孔在一单通中构成并清洁，使得该激光由一光束定位系统所导引，以在一旦执行整体材料移除和清洁的两种操作时，满足每一个目标位置。

30.如权利要求24所述的方法，其中该激光输出具有一介于10百万赫兹及100百万赫兹之间的重复率。

31.一种用以清洁一经覆盖有一光罩材料的焊接区的表面的方法，其中包含：

产生激光输出，含有一用以移除整体材料的整体移除脉冲的整体数目N₀，该激光输出也含有一用以清洁该焊接区表面的表面清洁脉冲的表面清洁数目δN，其中脉冲总数目N包含整体移除脉冲的整体数目N₀和表面清洁脉冲的表面清洁数目δN，其中该激光输出具有一通量F，以及至少一激光脉冲，此者具有一脉冲宽度τ，以清洁该焊接区的表面，其中该δN具有一与F/τ^1/2的关系，其关系为减少脉冲宽度τ以增加F/τ^1/2，从而降低δN，使得δN/N₀小于或等于1，且其中该激光输出含有至少一激光脉冲，此者具有一短于400奈米的波长并且具有一小于1,000微微秒的脉冲宽度；以及

在覆盖该焊接区的光罩材料处导引该激光输出，借以清洁该焊接区表面。

32.一种用以清洁一焊接区的表面的激光系统，其中包含：

一震荡器模块，其用以产生震荡器输出，而该输出含有至少一具有一小于1,000微微秒的脉冲宽度的震荡器输出脉冲；

一放大模块，其用以将该震荡器输出转换为激光输出，而该激光输出包含一用以移除整体材料的整体移除脉冲的整体数目N₀，该激光输出也含有一用以清洁该焊接区表面的表面清洁脉冲的表面清洁数目δN，其中脉冲总数目N包含整体移除脉冲的整体数目N₀和表面清洁脉冲的表面清洁数目δN，其中该激光输出具有一通量F，以及至少一激光脉冲，此者具有一脉冲宽度τ，以清洁该焊接区的表面，其中该δN具有一与F/τ^1/2的关系，其关系为减少脉冲宽度τ以增加F/τ^1/2，从而降低δN，使得δN/N₀小于或等于1，且其中该激光输出包含至少一激光脉冲，而该激光脉冲具有短于400奈米的波长并具有一小于1,000微微秒的脉冲宽度；以及

一光束定位系统，其用以在叠覆一焊接区的焊接光罩材料的一目标局部处导引该激光输出，使得能够移除该焊接光罩材料的目标局部。

33.一种提高激光通孔钻凿产量的方法，是通过将用以钻凿具有所要操作特征的通孔的脉冲总数目最小化，其中该脉冲总数目N包含一用以移除整体材料，构成该通孔的整体移除脉冲的整体数目N₀，以及一用以清洁该通孔底部表面的底部表面清洁脉冲的底部表面清洁数目δN，该方法包含：

产生激光输出，此者具有一短于400奈米的波长、一通量F、以及至少一激光脉冲，此者具有一短于1,000微微秒的脉冲宽度τ，以清洁该通孔的底部表面，其中该δN具有一与F/τ^1/2的关系，其关系为减少脉冲宽度τ以增加F/τ^1/2，从而降低δN，使得δN/N₀小于或等于1；以及

导引该激光输出从该激光到一目标位置，以移除该整体材料的主要部分并清洁一通孔的底部表面，使得用于移除该整体材料主要部分并清洁该通孔底部表面的激光输出的激光脉冲具有一短于400奈米的波长及一小于1,000微微秒的脉冲宽度。

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