CN103493182B - 采用高脉冲重复频率的皮秒激光脉冲的激光直接烧蚀 - Google Patents

Abstract

激光直接烧蚀（LDA）产生切割到介电层中的图案以形成具有受控信号传播特性的导电迹线。LDA处理包括选择用于沿着工件表面上的刻划线移除期望深度的材料的剂量通量；选择一系列激光脉冲中每个激光脉冲的时间脉冲宽度；以及选择所述一系列激光脉冲的脉冲重复频率。所述脉冲重复频率至少部分基于所选择的时间脉冲宽度，以维持沿着所述刻划线的所选择的剂量通量。所选择的脉冲重复频率提供沿着所述刻划线的激光光斑的预定的最小重叠。所述LDA过程还包括根据所选择的剂量通量、时间脉冲宽度和脉冲重复频率生成包括所述一系列激光脉冲的激光束。

Description

采用高脉冲重复频率的皮秒激光脉冲的激光直接烧蚀

技术领域

本公开涉及激光微加工。具体来说，本公开涉及用于在工件中刻划图案来形成具有受控信号传播特性的导电迹线的系统和方法。

背景技术

集成电路（IC）衬底制造技术旨在缩减衬底尺寸和成本并增加功能性。一种最近的进展使用激光直接烧蚀（LDA）和特殊电镀工艺来形成介电层内的电信号迹线或路径，而不是使用传统的光刻技术在介电层的表面上形成信号迹线。嵌入式迹线的方法通过减小信号长度和优化迹线路由减少了总层数、改善了成本和产量并提高了电性能。可通过形成具有10μm或更小的宽度的信号迹线并结合无焊盘微通路设计来实现嵌入式迹线的方法。然而，用于介电移除的已知方法缺乏适于大量生产的高产且合算的制造技术。

对于LDA，已讨论了紫外线（UV）准分子和钇铝柘榴石（YAG）激光源。在矢量和光栅扫描方法中都可以操作UV YAG系统。UV YAG架构通常不需要成像掩模。因此，UV YAG系统提供设计变化的灵活性和快速适应。另一方面，准分子激光烧蚀使用掩模投影技术来移除大的区域中的材料。因此，当图案包括许多连接盘、接地平面或其它更大的特征时，准分子激光烧蚀可以提供高产能。使用准分子激光器时的产能与掩模区域内的图案密度无关。然而，在使用UV YAG激光器的直接刻写法的情况下，增大图案密度可以显著地影响产能。由于在掩模区域上的均匀和增量介电移除，与使用UV YAG激光器时相比，准分子烧蚀表现出更佳的分辨率和深度控制。UV YAG激光器的额定功率可从约3瓦至约40瓦，而准分子激光器的额定功率可达约300瓦。UV YAG激光器通常以从约50kHz至约250kHz的脉冲重复频率工作，而准分子激光器的脉冲重复频率通常为几百赫兹。由于在UV波长（例如，对于UV YAG激光器而言，通常为约355nm，而对于准分子激光器通常为约248nm和约308nm）下更高的烧蚀，UV YAG和准分子激光系统都提供用于介电材料的宽泛选择的处理。

发明内容

系统和方法使用短的时间脉冲宽度与高的脉冲重复频率来实现有效的LDA处理。高脉冲重复频率允许激光束跨工件快速移动（以实现高产能），同时维持足够的脉冲重叠。短时间脉冲宽度用于更有效且更干净的材料移除。在某个实施例中，使用UV激光器。在其它实施例中，使用绿色激光器。

在一个实施例中，一种用于激光直接烧蚀的方法产生切割到介电层中的图案以形成具有受控信号传播特性的导电迹线。该方法包括选择用于沿着工件表面上的刻划线移除期望深度的材料的剂量通量；选择一系列激光脉冲中每个激光脉冲的时间脉冲宽度；以及选择所述一系列激光脉冲的脉冲重复频率。脉冲重复频率的选择至少部分基于所选择的时间脉冲宽度，以维持沿着刻划线的所选择的剂量通量。所选择的脉冲重复频率提供沿着刻划线的激光光斑的预定的最小重叠。该方法还包括根据所选择的剂量通量、时间脉冲宽度和脉冲重复频率，使用激光源生成包括所述一系列激光脉冲的激光束。该方法还包括提供工件和激光束之间的相对运动使得激光束的路径以选定的速率循着沿着工件的表面的刻划线位置。

在某些实施例中，所选择的时间脉冲宽度小于或等于1μs，所选择的时间脉冲宽度在约10ps和约29ns之间的范围内，并且所选择的速率在约1m/s和约10m/s之间的范围内。在其它实施例中，所选择的速率在约2m/s和约4m/s的范围内。此外，或在其它实施例中，沿着刻划线的激光光斑的预定的最小重叠为光斑尺寸直径的约60%，光斑尺寸直径在约5μm和约30μm之间的范围内，并且所选择的脉冲重复频率在约750kHz和约5MHz之间的范围内。

在某些实施例中，该方法还包括确定作为所选择的时间脉冲宽度的函数的激光源的工作通量。该工作通量包括除以所选择的时间脉冲宽度的平方根的所选择的剂量通量。选择脉冲重复频率可包括：通过脉冲宽度的平方根来缩放激光源的最大脉冲重复频率；（对于沿着刻划线的激光光斑的所选择的最小重叠，）基于光斑尺寸和所选择的速率来计算最小脉冲重复频率；以及选择将在所缩放的最大脉冲重复频率和所计算的最小脉冲重复频率之间的脉冲重复频率。

在某些实施例中，该方法还包括在抖动方向上来回地抖动激光束，同时激光束的路径以所选定的速率循着沿着工件的表面的刻划线位置。

通过以下优选实施例的详细描述，额外的方面和优势将显而易见。下面的详细描述参照附图来进行。

附图说明

图1示意性地示出了介电材料的顶部表面上的第一导电迹线和第二导电迹线的侧视图。

图2A示意性地示出了根据一个实施例的包括使用激光烧蚀切割到介电材料的顶部表面中的第一切口和第二切口的工件的侧视图。

图2B示意性地示出了根据一个实施例的具有在第一切口上形成的第一导电迹线和在第二切口上形成的第二导电迹线的图2A中所示工件的侧视图。

图3示意性地示出了根据一个实施例的包括使用激光烧蚀切割到介电材料的顶部表面中的多个切口的工件的顶部视图。

图4图示了根据某些实施例的用于介电材料的每脉冲烧蚀速率。

图5图示了根据某些实施例的作为线性剂量通量的函数的烧蚀速率。

图6图示了根据某些实施例的切口宽度和光斑直径之间的比值与在1/e2高斯（Gaussian）光斑处的剂量通量。

图7图示了根据某些实施例的大量移除效率的对比。

图8是根据一个实施例的用于将切口激光烧蚀到介电材料中的方法的流程图。

图9图示了根据一个实施例的用355nm激光的ABF GX-13树脂的烧蚀速率。

图10图示了根据某些实施例的用于使用恒定功率对ABF GX-13进行UVLDA处理的脉冲能量和PRF与脉冲宽度。

图11图示了根据某些实施例的用于使用除以脉冲周期的平方根的恒定通量对ABF GX-13进行UV LDA处理的通量和PRF与脉冲宽度。

图12是根据一个实施例的示例性LDA处理系统的框图。

具体实施方式

I.概述

系统和方法在激光直接烧蚀（LDA）应用中提供具有高产能的高产处理（例如，使用矢量扫描方法）。高速光束定位和高脉冲重复频率（PRF）提供控制在介电材料中切割的切口的均匀性和特征的足够的连续激光脉冲重叠。然后，可使用已知的电镀工艺来在切口中形成具有期望的信号传播特性（例如，阻抗、电阻和电容）的电路径。

在某些实施例中，将高速光束定位方案与模式锁定激光器结合使用。随着光束定位技术的发展，激光源的脉冲重复频率成为限制因素。例如，在采用工件处的10μm光斑尺寸、以10kHz脉冲重复频率（PRF）运行的激光源和高于100mm/秒的激光束相对于工件表面的速率的情况下，侵蚀尺寸（一个激光光斑和下一个激光光斑之间的距离）为10μm或更大。因此，在本实例中，不存在脉冲重叠，并且激光束在工件中产生离散的点或虚线，（在用导电材料电镀时，）这些点或虚线阻止信号传播且/或使信号传播特性降级（与连续且均匀的线相比）。

为了利用高速光束定位方案，根据某些实施例，使用高PRF来提供期望的脉冲重叠百分比。随着光斑直径变小，可以使用更高的PRF。将脉冲重叠百分比定义为（光斑尺寸－侵蚀尺寸）/光斑尺寸*100%。在一个实施例中，脉冲重叠百分比为至少60%，以使用高斯光束提供稳定的累积通量分布。模式锁定激光器由于其高频率操作而允许具有高脉冲重叠百分比。然而，本公开不限于模式锁定激光器操作，并且技术人员将通过本公开认识到也可以使用其它类型的激光器。换言之，只要PRF高到足以提供期望的脉冲重叠百分比，就仍然可以利用高速光束定位方案。

在某些实施例中，激光器产生具有短时间脉冲宽度的激光脉冲。虽然随着激光束在材料表面上移动连续波（CW）激光器操作消除了对光斑到光斑距离的担心，但是CW操作可引起不期望的热累积。使用短时间脉冲宽度模式锁定激光器可减少或最小化不期望的热累积。此外，短时间脉冲宽度可增加材料对某些波长的激光能量的吸收。有效烧蚀阈值根据波长和时间脉冲宽度而变化。在采用具有短时间脉冲宽度激光的高强度光束的情况下，非线性吸收可使温度升高率超过有机树脂的热分解温度，从而烧蚀材料。因此，烧蚀阈值通量移向较低端。

在某些实施例中，激光脉冲具有UV波长。LDA工艺在介电树脂中形成沟道，并且这些沟道随后被金属化以使其成为导电迹线。由于在印刷线路板材料中更佳的吸收性，UV波长可能有用。烧蚀效率可更高，并且烧蚀阈值通量在使用在UV范围内的更短波长的情况下可更低。在其它实施例中，可使用可见波长。例如，可使用产生具有在纳秒范围内的时间脉冲宽度的激光脉冲的绿色激光器。然而，与产生具有在皮秒范围内的时间脉冲宽度的激光脉冲的的UV激光器相比，这种绿色激光器可能需要约高出五倍的平均功率且慢约八分之一。

现在参考附图，其中相同的参考数字指代相同的元件。在以下描述中，提供了大量具体细节，以便透彻理解本文公开的实施例。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下或者用其它方法、组件或材料来实施这些实施例。此外，在一些情况下，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作，以避免使实施例的方面晦涩难懂。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合所述的特征、结构或特点。

II.LDA处理

图1示意性地示出了在介电材料116的顶部表面114上的第一导电迹线110和第二导电迹线112的侧视图。导电迹线110、112可包括例如铜（Cu）。

图2A示意性地示出了根据一个实施例的包括使用激光烧蚀切割到介电材料216的的顶部表面214中的第一切口210和第二切口212的工件200的侧视图。介电材料216可包括有机树脂（其也可包括无机增强颗粒和/或金属）。在某些实施例中，介电材料216包括可从日本川崎的Ajinomoto Fine-Techno Co.,Inc.获得的ABF GX-3或ABF GX-13介电薄膜。

图2B示意性地示出了根据一个实施例的具有在第一切口210中形成的第一导电迹线218和在第二切口212中形成的第二导电迹线220的图2A中所示工件200的侧视图。导电迹线218、220可包括铜（Cu）或另一种导电材料。如图2B中所示，在相应的切口210、212内形成导电迹线218、220降低了工件200的总体高度（与图1相比）。此外，图1中所示导电迹线110、112各仅在一侧上绑定到介电材料116的顶部表面114，而图2B中所示的导电迹线218、220各在三侧上绑定到介电材料216，这减少了在应力下的迹线断裂和电路与介电材料216的分离。在相应的切口210、212内形成导电迹线218、220也通过减小信号长度并优化迹线路由而减少了总体层数，改善了成本和产量，并且提高了电性能。

图3示意性地示出了根据一个实施例的包括使用激光烧蚀切割到介电材料312的顶部表面中的多个切口310（示出了六个）的工件300的顶部视图。在某些实施例中，切口310各自具有在约5μm和约15μm之间的范围内的宽度。技术人员将通过本文的公开认识到，也可将更宽的切口和/或更大的特征（例如，焊盘）刻划到介电材料312的表面中。例如，图3也示出了使用本文所述的激光烧蚀技术在介电材料312中形成的多个通路314（示出了三个）。通路是延伸穿过芯片封装衬底或电路板的导电结构。通常通过在通路孔的内壁上沉积导电材料层来提供电路径。在传统的带焊盘通路中，通路焊盘可表示通路所耗用的总横向面积的例如超过50%的大百分比。本文公开的激光处理实施例减小或消除了通路焊盘以大体上缩小通路314的表面占用空间，具有在可用表面空间和互联路由灵活性和效率方面的对应增强。

参考图2A和图2B，在介电材料216中的切口210、212的激光烧蚀可使用剂量通量来特征化，剂量通量可由诸如功率、激光束相对于工件200的速率和光斑尺寸的参数来控制。参见例如剂量通量的以下等式：

其中ω₀是光斑半径。

剂量通量越高，目标材料的移除量就越高。当给出了切口210、212的期望宽度和深度时，可确定剂量通量。为了更快的材料移除（例如，更高的产能），光束扫描的速率可为一个因素。可维持激光器功率，以便提供恒定的剂量通量的范围。

可将皮秒UV激光源（参见图12）用于直接烧蚀介电材料216。在一个实施例中，激光源包括可以可达约80MHz的PRF工作的模式锁定激光器。激光源的每脉冲能量可低至几纳焦耳（nJ），从而通过不到10μm的光斑直径提供低至几mJ/cm²的工作通量。其它实施例使用其它波长和/或时间脉冲宽度。例如，图4、5、6和7示出了使用皮秒绿色激光器、纳秒绿色激光器、皮秒UV激光器和纳秒UV激光器处理介电体（ABF GX-13）之间的差异。

III.UV和绿色激光器的示例性激光器参数

图4图示了根据某些实施例的用于介电材料（ABF GX-13）的每脉冲烧蚀速率。沿图的x轴示出的通量在高斯光斑的中心处。沿图的y轴示出了每脉冲烧蚀深度值。如图4所示，在某些实施例中，UV波长可比绿色波长具有材料移除效率的优势。纳秒UV激光器的烧蚀速率几乎是皮秒绿色激光器的烧蚀速率的两倍高。如图4所示，在某些实施例中，皮秒时间脉冲宽度可比纳秒时间脉冲宽度具有优势。用来开始使用纳秒激光器的有效烧蚀的阈值通量大体上高于用来开始使用皮秒激光器的有效烧蚀的阈值通量。

图5图示了根据某些实施例的作为线性剂量通量的函数的烧蚀速率。虽然图4中所示的“光斑中心通量”指与作用于工件上的单个点的单个激光脉冲相关的能量密度，但图5中的“线性剂量通量”指与跨工件上的线段提供的一系列脉冲相关的累积能量密度。光斑中心通量为2*（脉冲能量/脉冲面积）。2的因子是由于在每个激光脉冲内的高斯能量分布（在光斑中心处是两倍的平均密度）。对于线性剂量通量，以速度v在长度为L的线段上移动具有光斑直径D的激光束，同时以重复频率R和功率P发射激光，将导致在每个脉冲具有P/R的能量的情况下提供R*L/v。因此，在“L乘以D”的长方形区域上提供P*L/v的总能量，并且线性剂量为：

k*(P*L/v)/(L*D)=k*P/(v*D)。

因子k来自个别激光脉冲的高斯性质。

沿图的x轴示出的线性剂量通量位于高斯光斑的中心处，高斯光斑由激光束在工作区上移动时光斑区域上的累积通量定义。沿图的y轴示出了烧蚀深度值。如图5所示，在某些实施例中，UV波长可比绿色波长具有优势。注意，使用皮秒和纳秒时间脉冲宽度的UV激光器的烧蚀速率很好地匹配（即，UV皮秒和纳秒数据点彼此相对接近），而与使用皮秒绿色激光器获得的烧蚀深度相比，纳秒绿色激光器需要大体上更高的线性剂量通量来获得相似的烧蚀深度。

图6图示了根据某些实施例的切口宽度和光斑直径之间的比值与在1/e²高斯光斑处的剂量通量。沿图的y轴示出了切口宽度和光斑直径之间的比值，并且沿图的x轴示出了在1/e²高斯光斑处的剂量通量。如图6所示，在某些实施例中，剂量通量的有效阈值在使用皮秒UV激光器时最低且在使用纳秒绿色激光器时最高。注意，在大约相同的剂量通量下，皮秒UV结果示出了比纳秒UV结果稍宽的切口。

图7图示了根据某些实施例的大量移除效率的对比。沿图的y轴将相对大量移除示出为任意单位（au），并且沿图的x轴示出了在1/e²高斯光斑处的剂量通量。由于图7中所示的小差异，皮秒UV激光器显示比纳秒UV激光器仅稍微更佳的大量移除效率。

IV.LDA处理方法

图8是根据一个实施例的用于将切口激光烧蚀到介电材料中的方法800的流程图。方法800可用作例如产生切割到介电材料中的图案以形成具有受控信号传播特性的导电迹线的LDA工艺的部分。方法800包括：对于选定的时间脉冲宽度，确定810作为除以该时间脉冲宽度的平方根的目标材料的期望烧蚀通量的激光器的工作通量。然后，对于选定的时间脉冲宽度，通过该时间脉冲宽度的平方根来缩放812激光源的最大PRF。方法800还包括：对于连续的激光脉冲之间的选定的最小重叠，基于光斑尺寸和激光束相对于工件表面的最大速率来计算814最小PRF。在一个实施例中，选定的最小重叠是光束光斑直径的60%，即（光斑尺寸–侵蚀尺寸）/光斑尺寸*100%=60%。方法800还包括：通过以确定的工作通量和介于所缩放的最大PRF和所计算的最小PRF之间的PRF来操作激光源来生成816一系列激光脉冲，以便在形成切口期间维持大体上恒定的剂量通量。

V.示例性LDA处理参数

以下实例示出了可以如何使用时间脉冲宽度、通量、PRF以及其它处理参数的特定值来将图8的方法用于对ABF GX-13进行LDA处理。技术人员将认识到，示例性材料和参数值仅是作为实例来提供的，而不是作为限制来提供的。实例使用UV激光源。然而，如上文所述，也可以使用其它波长（例如，绿色）。

通常将使用UV激光源的有机材料的批量烧蚀速率χ（或蚀刻速率）建模如下：

$x=\frac{1}{\mathrm{\α}}\·\ln \left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{th}}}\right)$

其中，α是材料在一个激光波长下的吸收系数[cm^-1]，θ是激光源的工作通量[J/cm²]，而θ_th是用于开始在材料中的烧蚀的阈值通量。对于使用具有成像光学器件的各种纳秒UV激光器的ABF GX-13树脂钻削工艺，将α回归到近似于18513.57471cm^-1，其中θ_th近似于0.104887849J/cm²。参见例如图9，图9图示了根据一个实施例的使用355nm激光器的ABF GX-13树脂的烧蚀速率。图9中的数据点的烧蚀速率拟合曲线通过y=（1/1.851357471E+04）^ln（F/0.104887849）给出。

通常，聚合物往往在蒸发之前分解。在分子的长链分割成片段之后，它们才能够离开材料体。烧蚀的热活化可能像典型的“阿累尼乌斯之尾（Arrheniustail）”那样发生，而不是明确的烧蚀阈值。这是基于激光烧蚀是源自激光加热的材料体内的光热键断裂反应。可考虑不同的烧蚀模型。在基于光化学的模型中，电子激发导致直接的键断裂，而没有热化。在基于热的模型中，键被热断裂，其中烧蚀工艺的热性质受阿累尼乌斯之尾的观测以及烧蚀速率和烧蚀阈值对激光脉冲重复频率和脉冲宽度的依赖性的支持。在光物理模型中，热和非热特征都被使用，并且都被视为键断裂的两个独立渠道或意味着用于基态和电子激发发色团的不同键断裂能量。

通过增大吸收系数可使阈值通量下降，无论降低阈值通量是与波长的下降、掺杂剂的添加还是缺损的生成相关。或者，可通过降低时间脉冲宽度来降低阈值通量。采用更短的脉冲，激发能量的空间耗散减少，并且在更低的通量达到阈值通量。这个观测可能与热透深度的下降和/或由于多光子激发的吸收系数的增大相关。

假定最初通过加热材料来进行烧蚀，可通过使用通量和时间脉冲宽度来近似得到材料温度。以下等式基于脉冲期间和脉冲之后的一维（1D）表面温度模型。为简单起见，此分析模型将礼帽光束分布用于时间和空间形状。也可以使用其它时间和空间形状。如果光束直径大于树脂的热扩散距离且如果树脂厚度大于树脂的热扩散距离，则模型相当准确。

对于表面温度模型，在脉冲周期期间表面温度的等式由下面给出：

$T{(0,t)}_{0\≤t\≤\mathrm{\τ}}=\frac{2\mathrm{\ϵ}\·I}{K}\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}\·t}{\mathrm{\π}}}+T_0$

其中τ是脉冲周期，ε是吸收，I是辐照强度，K是热导率，κ是热扩散系数，且T₀是脉冲周期之前的初始表面温度。

在脉冲周期之后的表面温度的等式由下面给出：

$T{(0,t)}_{t\≥\mathrm{\τ}}=\frac{2\mathrm{\ϵ}\·I}{K}\·\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\π}}}\·(\sqrt{t}-\sqrt{t-\mathrm{\τ}})+T_0$

在t= τ，当T=T_d（分解温度）时：

$T(0,\mathrm{\τ})=T_d=\frac{2\mathrm{\ϵ}\·I}{K}\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}\·\mathrm{\τ}}{\mathrm{\π}}}+T_0$

将所有与材料相关的常量简化成单个常量C

$C=\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}K(T_d-T_0)}{2\mathrm{\ϵ}\sqrt{\mathrm{\κ}}}$

等式变成： $\frac{\mathrm{\θ}}{\sqrt{\mathrm{\τ}}}=C$ 或 $I\sqrt{\mathrm{\τ}}=C$

当常量C相同时，材料的表面温度T相同，即使使用不同的辐照强度和时间脉冲宽度值。存在这样一些C值：对于这些C值，超出了聚合物材料的分解温度。该方法已被成功调适用于在盲通路形成中特征化铜捕获焊盘的表面样子。

以下等式包括在脉冲期间和在脉冲之后材料内的温度。

在脉冲周期期间温度的等式由下面给出：

$T{(z,t)}_{0\≤t\≤\mathrm{\τ}}=\frac{2\mathrm{\ϵ}\·I}{K}\sqrt{\mathrm{\κ}\·t}\·\mathrm{ierfc}\left(\frac{z}{2\sqrt{\mathrm{\κ}\·t}}\right)+T_0$

其中z是材料内的深度，而ierfc是补充误差函数的积分（参见下面的等式）。

在脉冲周期之后温度的等式由下面给出：

$T{(z,t)}_{t\≥\mathrm{\τ}}=\frac{2\mathrm{\ϵ}\·I\·\sqrt{\mathrm{\κ}}}{K}\·[\sqrt{t}\·\mathrm{ierfc}\left(\frac{z}{2\sqrt{\mathrm{\κ}\·t}}\right)-\sqrt{(t-\mathrm{\τ})}\·\mathrm{ierfc}\left(\frac{z}{2\sqrt{\mathrm{\κ}(t-\mathrm{\τ})}}\right)]+T_0$

其中

$\mathrm{ierfc}\left(x\right)=\frac{e^{{-x}^2}}{\sqrt{\mathrm{\π}}}-x\·\mathrm{erfc}\left(x\right),\mathrm{erfc}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{\∞}{e}^{{-\mathrm{\ζ}}^2}\mathrm{d\ζ}$

在本实例中，吸收系数α=10563.0357cm^-1（热透深度，1/α=0.95033μm），而反射率R=0.063149，这导致来自树脂的椭偏仪测量的吸收ε=(1-R)=0.936851，热导率Κ=0.003W/cm²，而热扩散系数κ=0.0025cm²/s。热分解温度为583°K，而玻璃化转变温度为363°K。

在本实例中，估计的UV激光器的有效烧蚀阈值为约4.55mJ/cm²（使用约50ps的时间脉冲宽度时）和约110mJ/cm²（使用约29ns的时间脉冲宽度时）。针对这些条件计算的常量C或θ/τ^1/2值对于50ps和29ns时间脉冲宽度结果为大约相同的值，即20.34mJ/cm²·ns^1/2。参见图11中示出的“低端通量”的图形。采用皮秒激光器，观测到温度骤变，并且材料中的温度提升微弱，这说明了更低的每脉冲烧蚀速率。参见图4和图5。

在本实例中，激光源的有用工作通量值为约72.45mJ/cm²·ns^1/2。对于使用50ps的时间脉冲宽度的UV激光脉冲，通量为：

72.45mJ/cm²·ns^1/2*(5000ns)^1/2=16.2mJ/cm²

对于使用29ns的时间脉冲宽度的UV激光脉冲，通量为：

72.45mJ/cm²·ns^1/2*(29ns)^1/2=390mJ/cm²

对于本实例，图10图示了根据某些实施例的用于使用恒定功率对ABFGX-13进行UV LDA处理的脉冲能量和PRF与脉冲宽度。图10包括低端脉冲能量、工作脉冲能量、缩放的最大PRF（从80MHz缩放）和下限PRF（使用在3m/s的光束速率下连续激光光斑的60%重叠）的图形。此外，对于本实例，图11图示了根据某些实施例的用于使用除以脉冲周期的平方根的恒定通量对ABF GX-13进行UV LDA处理的通量和PRF与脉冲宽度。图11包括低端通量（在20.34mJ/cm²·ns^1/2）、工作通量（在72.45mJ/cm²·ns^1/2）、缩放的最大PRF（从80MHz缩放）和下限PRF（使用在3m/s的光束速率下连续激光光斑的60%重叠）的图形。在图10和图11中示出的估计值是基于本实例中的烧蚀机制更趋向于遵从热模型（相对于上面讨论的光化学或光物理模型）的假设。

72.45mJ/cm²·ns^1/2的工作通量值转换成在10μm光斑的情况下在工作表面处的至少1.02W的平均功率要求。根据某些实施例，对于不同的时间脉冲宽度，功率应维持恒定，因为剂量通量在确定产能时很重要。

基于使用50ps激光器时的80MHz PRF，通过维持相同的通量除以特定时间脉冲宽度值的平方根来缩放最大PRF。例如，1ns激光器应以不超过下面的频率工作：

缩放的PRF_最大=80MHz*(.05)^1/2=17.9MHz

以提供72.45mJ/cm²的工作通量。

通过光斑尺寸和要使用的光束速率来确定最小PRF，从而确定脉冲重叠百分比。如上文所述，高于60%的脉冲重叠可减小激光脉冲之间的间隙和深度变化。如果在具有10μm光斑尺寸直径的情况下光束速率为3m/sec，则PRF被选择为高于约750kHz，这由下面给出：

10μm*(1-60%)=4μm

PRF_最小=(3m/s)/(4μm)=750kHz

因此，根据某些实施例，在选择或制定用于LDA处理的激光器参数时，不能忽视脉冲宽度。对于给定的时间脉冲宽度，激光源的工作通量为期望的目标材料的烧蚀通量除以脉冲宽度的平方根。例如，(16.2mJ/cm²)/(5000ns)^1/2=72.45mJ/cm²·ns^1/2。然后，基于给定脉冲宽度的现有工作条件和所需的通量来缩放激光源的最大PRF（例如，80MHz）。基于光斑尺寸和最大速率来确定最小PRF，以得到最小可接受的脉冲重叠。维持平均功率，以便维持剂量通量来实现高产能。

VI.示例性LDA处理系统

图12是根据一个实施例的示例性LDA处理系统1200的框图。系统1200包括用于抖动激光束的AOD子系统1206和检流计（galvanometer，galvo）子系统1208。本文讨论的高PRF使得能够将AOD子系统1206用于快速抖动激光束，如下文所述。系统1200包括用于向AOD子系统1206提供处理光束1212的激光源1210。在一个实施例中，激光源1210包括脉冲激光源，使得处理光束1212包括一系列激光脉冲。在另一实施例中，激光源1210包括连续波（CW）激光源，使得处理光束1212包括CW激光束。在某些这样的实施例中，AOD子系统1206通过以离散（“脉冲”）间隔使处理光束1212偏转来从CW激光束生成激光脉冲。系统1200还包括处理器1203，其被配置来执行存储在计算机可读介质（示出为存储设备1205）上的计算机可执行指令，以执行上面讨论的过程。例如，处理器1203可执行指令以执行上文参照图8所述的方法。

AOD子系统1206使处理光束1212的一级光束1213以AOD偏转角度1214偏转，并且使处理光束1212的零级光束1215偏转到束流收集器1216。系统1200可还包括固定反射镜1218，以使一级光束1213偏转到检流计子系统1208；以及扫描透镜1220，以使激光束光斑1222聚焦在工件1224上或内。扫描透镜1220的输出在本文可称为聚焦激光束1225。系统还包括用于在激光束1225和工件1224之间提供相对运动的运动平台1209。例如，运动平台1209可包括线性X-Y平台和/或Z平台。

在一个实施例中，AOD子系统1206可包括用于在检流计子系统1208沿着处理轨道1226在第二方向上提供偏转的同时在第一方向（例如，抖动方向）上来回地提供偏转的单个AOD。然而，为了获得提高的速度和多样性，在图12中示出的实施例中的AOD子系统1206提供相对于工件1224的表面沿着X轴和Y轴的2-D偏转。在本实例中，可认为Y轴平行于处理轨道1226且X轴垂直于处理轨道1226。因此，X轴可称为抖动方向。例如，处理轨道1226可对应于这样的方向：沿着该方向，系统1200将沟道1228刻划或切割到工件1224的表面中（例如，在检流计子系统1208的控制下）。

为了提供所示的2-D偏转，AOD子系统1206包括在检流计子系统1208沿着处理轨道1226移动光束轴时用来使一级光束1213在第一方向上偏转的第一AOD1230和用来使一级光束1213在第二方向上偏转的第二AOD1232。换言之，由AOD子系统1206提供的光束光斑位置的移动叠加在由检流计子系统1208提供的光束光斑位置的移动之上。如图12所示，检流计子系统1208也可包括第一检流计反射镜1233和第二检流计反射镜1235，以使一级光束1213相对于工件1224的表面在X轴和Y轴方向上都偏转。

AOD偏转的朝向可能不与检流计子系统1208的偏转轴对准。通常，可将坐标变换应用于AOD偏转命令来使所得的AOD偏转对准于期望的坐标框架。此坐标变换也可以是速率的函数，从而旋转AOD偏转坐标框架，以便使AOD光束偏转保持垂直于由检流计子系统1208所界定的处理轨道。

在AOD子系统1206包括在系统1200中的情况下，可以采取几种操作模式。在一个实施例中，一种操作模式包括抖动处理光束1212以有效拓宽在工件1224处的激光束光斑1222的能力。换言之，抖动处理光束1212包括空间定位一系列聚焦的激光束光斑1234以产生具有大于由扫描透镜1220聚焦的个别激光束光斑1222的尺寸的尺寸的几何特征。出于说明目的，图12示出了在沟道1228在处理轨道1226的方向上被处理时从工件1224的表面上方观察到的抖动的激光束光斑1234。因此，例如，在给定（高）重复频率下的这一系列抖动的激光束光斑1234具有在更低的脉冲重复频率下在处理轨道1226的方向上连续应用的一系列更大直径的激光束光斑的效果。

在某些实施例中，AOD1230、1232可以以约0.1μs至约10μs的级别将其相应的声场更新（用新的声音波形填充光孔）。假定约1μs的标称更新率，可以快速更新处理光束的位置，使得在处理期间抖动的激光束光斑1234中的几个重叠。抖动的激光束光斑1234可在垂直于处理轨道1226的维度（例如，沿着X轴或抖动方向）上重叠以拓宽被处理的特征（例如，沟道1228）。如图12所示，抖动的激光束光斑1234也可以在处理轨道1226的方向上重叠。为了保持抖动的光束朝向与处理轨道1226正交，根据某些实施例，可以随着处理轨道1226的角度变化而不断调整抖动轴。此外，可以调整抖动轴来补偿作为处理轨道速率的函数的在抖动点的线上产生的角度。假设轨道速率V、抖动更新周期Td、抖动点数Npts和抖动漂移Dd，此角度等于atan[Td*(Npts-1)*V/Dd]。

除了相对于工件1224的表面抖动光束位置之外，或者在其它实施例中，AOD子系统1206还可用于改变抖动轴中的强度分布。沿着抖动轴操纵处理光束1212的强度分布使得能够将被处理的沟道1228的横截面定形。例如，可将沟道1228处理为具有长方形、U形或V形横截面。诸如侧壁斜率的定形特征可能在诸如交叉形成的情况下有用。定形分辨率可基于基础光斑尺寸，并且定形的强度分布可以是抖动图案（位置和强度）和光斑强度分布（例如，高斯或另一分布形状）的卷积。例如，可通过沿抖动轴在某些位置重叠脉冲（例如，可在同一位置应用两个或更多个脉冲）以移除选定量的目标材料和/或通过调制作为沿抖动轴的偏转位置的函数的激光脉冲的功率振幅来将特征定形。

除了沿抖动轴的特征定形之外，或在其它实施例中，AOD子系统1206还可用于控制作为沿处理轨道1226的位置的函数的功率，以允许被处理的线性特征的“端点”的相似定形。控制作为沿处理轨道1226的位置的函数的功率也可能在诸如交叉形成的应用中有用。AOD子系统1206的使用使得能够以非常高的速度（例如，在微秒级）进行功率调制，使得在高处理速率（例如，在约1m/s和约5m/s之间的范围内）下可以精细控制强度分布（例如，具有在约5μm和约50μm之间的范围内的特征尺寸）。

在某些实施例中，AOD子系统1206也可以用于对工件1224的区域进行光栅扫描以形成焊盘或对其进行星型扫描以形成通路。

如上文针对LDA处理所述，工件1224可能包括有机树脂层（其可能包括无机增强颗粒和/或金属）。可如上文所述来选择激光源1210的处理通量，只要其高于工件1224中目标材料的有效烧蚀阈值即可。用于LDA的脉冲能量可低至几纳焦耳（例如，对于10ps的脉冲宽度）。如上文所述，短的脉冲宽度可能有助于降低有效烧蚀阈值，并且即使使用如此低的脉冲能量（或通量）也仍然可以观察到材料移除。由于工件1224的目标材料中的树脂（例如，绝缘材料）的低热扩散系数，来自短脉冲持续时间的热效应可能对于LDA处理来说较小。在某些实施例中，如果脉冲宽度大于约1μs，则热效应可能变成一个问题。

如上文所述，可以以高PRF来操作激光源1210，以维持用于沿着切线的均匀几何脉冲分布的期望的脉冲重叠。根据某些实施例，脉冲重叠可高于60%。可通过将侵蚀尺寸乘以激光束1225相对于工件1224的表面的速率来计算最小的期望PRF。例如，可通过7μm*(1-60%)=2.86μm给出对于7μm光斑尺寸用来维持60%脉冲重叠的最大侵蚀尺寸。例如，如果速率可达到10m/s，则最小PRF为(10m/s)/(2.86μm)=3.5MHz。随着PRF变得越来越高，可缩短脉冲持续时间，使得仍然使用较低的脉冲能量（或通量）来进行烧蚀。

可通过期望的深度和可用速率来确定平均功率。在一个实施例中，当使用7μm光斑尺寸目标深度为约13μm且扫描速率为1m/s时，平均功率可低至0.7W。在另一实施例中，当使用14μm光斑尺寸目标深度为约18μm且扫描速率为10m/s时，平均功率可高达25W。可通过生成多个光束来利用额外的功率，以同时处理多个部分，从而获得更高的产能。

在某些实施例中，系统1200提供可达10m/s的扫描速率。在其它实施例中，可使用高于10m/s的扫描速率。

在一个实施例中，激光源1210可以是支持大于2.5W的功率、50ps时间脉冲宽度、355nm的波长和80MHz的脉冲重复频率的模式锁定UV激光器。工件1224可以是高密度互连（HDI），并且特征尺寸可以远大于IC封装（ICP）的特征尺寸。因此，扫描透镜1220可包括250.8mm焦距的透镜来将激光束1225向下聚焦到大约21μm。扫描场尺寸可为约100mm×约100mm，并且可仅使用检流计场（例如，由检流计子系统1208提供的激光束1225和工件1224之间的相对运动）来刻划整个电路图案。为了处理整个工件1224，可以在移动步骤中且以重复方式来使用运动平台1209。

在一个实施例中，激光源1210包括可从加利福尼亚州圣克拉拉的Spectra-Physics获得的355nm、50ps、12W、80MHz激光器。在另一实施例中，激光源1210包括可从Spectra-Physics获得的355nm、12ps、2.5W、80MHz激光器。在另一实施例中，激光源1210包括可从加利福尼亚州圣克拉拉的Coherent Inc.获得的355nm、10ps、10W、80MHz激光器。在另一实施例中，激光源1210包括可从Coherent Inc.获得的355nm、20-30ns、7W、30-70kHz7000激光器。在另一实施例中，激光源1210包括可从Spectra-Physics获得的532nm、10-15ns、15-50kHz、11W激光器。在另一实施例中，激光源1210包括532nm、10ps、200kHz–4MHz、1W（例如，使用可从瑞士苏黎世的Time-BandWidth Products AG获得的1064nm激光器转换）。技术人员将通过本文的公开认识到，激光源1210也可以包括其它类型的激光器或激光器型号。

本领域技术人员应理解可以在不脱离本发明的基本原理的情况下对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应当仅由权利要求书来确定。

Claims (24)

1.一种用于激光直接烧蚀的方法，所述激光直接烧蚀产生切割到介电层中的图案以形成具有受控信号传播特性的导电迹线，所述方法包括：

选择用于沿着工件表面上的刻划线移除期望深度的材料的剂量通量；

选择一系列激光脉冲中每个激光脉冲的时间脉冲宽度；

选择所述一系列激光脉冲的脉冲重复频率，其中所述脉冲重复频率的所述选择至少部分基于所选择的时间脉冲宽度，以维持沿着所述刻划线的所选择的剂量通量，并且其中所选择的脉冲重复频率提供沿着所述刻划线的激光光斑的预定的最小重叠；

根据所选择的剂量通量、时间脉冲宽度和脉冲重复频率，使用激光源生成包括所述一系列激光脉冲的激光束；以及

提供所述工件和所述激光束之间的相对运动，使得所述激光束的路径以选定的速率循着沿着所述工件的所述表面的所述刻划线位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所选择的时间脉冲宽度小于或等于1μs。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所选择的时间脉冲宽度在10ps和29ns之间的范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所选择的速率在1m/s和10m/s之间的范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所选择的速率在2m/s和4m/s之间的范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述沿着所述刻划线的激光光斑的预定的最小重叠为光斑尺寸直径的60％。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光斑尺寸直径在5μm和30μm之间的范围内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所选择的脉冲重复频率在750kHz和5MHz之间的范围内。

9.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

确定作为所选择的时间脉冲宽度的函数的所述激光源的工作通量，所述工作通量包括除以所选择的时间脉冲宽度的平方根的所选择的剂量通量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中选择所述脉冲重复频率包括：

通过所述脉冲宽度的所述平方根来缩放所述激光源的最大脉冲重复频率；

对于沿着所述刻划线的激光光斑的所选择的最小重叠，基于光斑尺寸和所选择的速率来计算最小脉冲重复频率；以及

选择将在所缩放的最大脉冲重复频率和所计算的最小脉冲重复频率之间的所述脉冲重复频率。

11.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

在抖动方向上来回地抖动所述激光束，同时所述激光束的所述路径以所选定的速率循着沿着所述工件的所述表面的所述刻划线位置。

12.一种用于激光直接烧蚀的系统，所述激光直接烧蚀产生切割到介电层中的图案以形成具有受控信号传播特性的导电迹线，所述系统包括：

处理器；

计算机可读介质，其存储用于促使所述处理器执行以下步骤的计算机可执行指令：

选择用于沿着工件表面上的刻划线移除期望深度的材料的剂量通量；

选择一系列激光脉冲中每个激光脉冲的时间脉冲宽度；以及

选择所述一系列激光脉冲的脉冲重复频率，其中所述脉冲重复频率的所述选择至少部分基于所选择的时间脉冲宽度，以维持沿着所述刻划线的所选择的剂量通量，并且其中所选择的脉冲重复频率提供沿着所述刻划线的激光光斑的预定的最小重叠；

激光源，其用来根据所选择的剂量通量、时间脉冲宽度和脉冲重复频率来生成包括所述一系列激光脉冲的激光束；以及

运动元件，其用来提供所述工件和所述激光束之间的相对运动使得所述激光束的路径以选定的速率循着沿着所述工件的所述表面的所述刻划线位置。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所选择的时间脉冲宽度小于或等于1μs。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所选择的时间脉冲宽度在10ps和29ns之间的范围内。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所选择的速率在1m/s和10m/s之间的范围内。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所选择的速率在2m/s和4m/s之间的范围内。

17.根据权利要求12所述的系统，其中所述沿着所述刻划线的激光光斑的预定的最小重叠为光斑尺寸直径的60％。

18.根据权利要求12所述的系统，其中所述光斑尺寸直径在5μm和30μm之间的范围内。

19.根据权利要求12所述的系统，其中所选择的脉冲重复频率在750kHz和5MHz之间的范围内。

20.根据权利要求12所述的系统，其中所述计算机可执行指令还促使所述处理器执行以下步骤：

确定作为所选择的时间脉冲宽度的函数的所述激光源的工作通量，所述工作通量包括除以所选择的时间脉冲宽度的平方根的所选择的剂量通量。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述计算机可执行指令还促使所述处理器通过以下步骤来选择所述脉冲重复频率：

通过所述脉冲宽度的所述平方根来缩放所述激光源的最大脉冲重复频率；

对于沿着所述刻划线的激光光斑的所选择的最小重叠，基于光斑尺寸和所选择的速率来计算最小脉冲重复频率；以及

选择将在所缩放的最大脉冲重复频率和所计算的最小脉冲重复频率之间的所述脉冲重复频率。

22.根据权利要求12所述的系统，其中所述运动元件包括一个或多个检流计。

23.根据权利要求12所述的系统，其中所述运动元件还包括X-Y运动平台。

24.根据权利要求12所述的系统，其还包括：

一个或多个声光偏转器，其用来在抖动方向上来回地抖动所述激光束，同时所述激光束的所述路径以所选定的速率循着沿着所述工件的所述表面的所述刻划线位置。