CN110996557A - 激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法和设备，采用高能能量束，在高速振镜的控制下根据设计好的纹理图案路径进行扫描，照射到印刷电路板的铜表面，在高能能量束的照射下，被照射到的铜被升华，没被照射到的铜维持原样。本发明关联粗化使加工后铜的表面纹理和微观结构可控，既可以保证铜箔与树脂的结合力，又可以降低多层PCB传输高频信号的损耗；兼容各种硬度的基板材质，适应多品种、小批量生产的需求；操作简便、工作稳定；不消耗也不排出有害化学物质，不散发有害气体，不产生有害噪音。
Description
技术领域
本发明涉及印刷电路板生产制造过程中的表面处理技术领域，尤其是涉及一种激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法和设备。
背景技术
印制线路板（Printed Circuit Board，PCB）是电子行业不可或缺的电子元器部件之一，是保证各种电子元件实现电气互连的平台，应用于几乎所有的电子设备，小到计算器、智能手机、笔记本电脑，大到航天设备、军用武器系统等。PCB 在材料选择、层数要求和制作过程上十分多样化，以适用于不同类型电子产品的需求，因此按照不同的标准具有不同的分类方式。PCB 制造中使用的聚合物基材为玻纤布增强的环氧树脂、丙烯酸树脂、聚四氟乙烯以及聚酰亚胺等聚合物。将一层铜箔覆盖在聚合物基材的单面或双面上，然后在铜面上覆盖干膜，经过曝光、显影、蚀刻等制程后，铜面上便形成了线路图形，单面或双面的印制线路板通常用这种方法来制作。
由于单、双面板所能提供的电气互连程度十分有限，于是发展出了目前广泛使用的多层线路板。双面板又被称作内层板，将双面板堆叠起来，层与层之间用半固化树脂（Prepreg，PP）隔开，经过压合后就形成了多层板。
在印制线路板的生产制造中，提高和改善层间结合力一直是提高多层板热稳定性的一个重要研究内容。目前，为了提高铜与树脂之间的结合力，通过提高铜与树脂接触界面的表面积，通常采用粗化印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）铜表面的方式。对此，目前的技术可以分为机械粗化法和化学粗化法两大类。其中机械粗化法采用转轴式研磨机对PCB表面进行研磨，使表面粗糙度达到要求。而化学粗化法，先后经历了微蚀刻法（如过硫酸钠和硫酸等），黑氧化法（Black oxide）和棕化法（Brown oxide），通过酸液腐蚀铜表面的方式使表面粗糙度达到要求。
机械粗化法采用转轴式研磨的方法，如图1，在包胶辊输送PCB板的过程中，沾有磨料的磨辊高速旋转磨削PCB表面，并且磨辊可以沿着轴向往复运动，达到粗化PCB板铜表面的效果。研磨过程中要不断用水冲洗冷却磨削区域，以提高磨削质量和磨辊寿命，防止烧板或者磨辊损坏等情况发生。磨削的表面粗糙度大小是依靠磨辊旋转力大小间接控制，即控制磨辊与PCB板之间的距离，研磨过程中PCB板会以磨削受力点为中心两边发生轻微翘曲。以上原因，导致机械研磨法粗化PCB铜表面有以下缺点：1.铜表面粗化的表面纹理和微观结构不可控，而电流在导体内传导具有趋肤效应，铜表面微观不规则的波峰、波谷导致电流产生反射或者驻波，使高频信号（比如大于10GHz）损耗较大；2.对PCB基板材质有限制，比如无法研磨柔性印制线路板（FPCB），无法研磨陶瓷等硬质易碎基板或者其他软硬结合板；3.对PCB基板幅面尺寸有限制，比如无法研磨小于30mm×30mm的基板；4.对PCB基板厚度有限制，比如无法研磨小于0.036mm的薄基板；5.需要持续供水及排出废液，浪费水资源且污染环境；6.研磨过程噪声大，对工作环境噪声污染严重。
针对以上机械粗化法的问题，随着技术的发展，化学粗化法被开发出来，即采用酸液腐蚀铜表面，使其产生微观凹凸不平的结构，达到粗化铜表面的目的。化学粗化法先后经历了微蚀刻法（如过硫酸钠和硫酸等），黑氧化法（Black oxide）和棕化法（Brown oxide）。化学粗化法可以满足不同材质的基板，并且可以满足不同厚度不同幅面尺寸的基板。但是，以上原因，导致化学粗化法粗化PCB铜表面有以下缺点：1.铜表面粗化的表面纹理和微观结构不可控，而电流在导体内传导具有趋肤效应，铜表面微观不规则的波峰、波谷导致电流产生反射或者驻波，使高频信号（比如大于10GHz）损耗较大，化学粗化铜面SEM照片如图2；2.化学药液用量大且价格较贵；3.化学药液对会产生环境污染。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法和设备。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，采用高能能量束，在高速振镜的控制下根据设计好的纹理图案路径进行扫描，照射到印刷电路板的铜表面，在高能能量束的照射下，被照射到的铜被升华，没被照射到的铜维持原样。
进一步的，所述的高能能量束是激光束或电子束。
进一步的，所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法包括以下步骤：
步骤S1、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4、采用Z向位移台对待粗化PCB板进行调试对焦，确保PCB板Z向位置准确；
步骤S5、把待粗化PCB板放置于激光粗化设备的工作位置；
步骤S6、激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S7、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；重复S5到S7，直到整批产品生产完毕；
步骤S8、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
进一步的，所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法包括以下步骤：
步骤S1’、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2’、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3’、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4’、把待粗化PCB板放置于激光工作位置；
步骤S5’、采用CCD和Z向位移台对PCB板待粗化铜面进行在线对焦，确保PCB板Z向位置准确；
步骤S6’、PCB板对焦后，激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S7’、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；重复S4到S7，直到整批产品生产完毕；
步骤S8’、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
进一步的，所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法包括以下步骤：
步骤S1”、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2”、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3”、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4”、把待粗化PCB板放置于激光工作位置；
步骤S5”、采用CCD和Z向位移台对PCB板待粗化铜面进行在线对焦，确保PCB板Z向位置准确；
步骤S6”、采用CCD对PCB板待粗化铜面MARK位对位，确保PCB板XY方向位置准确；
步骤S7”、PCB板对焦、对位OK后，激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S8”、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；大批量生产，重复S4到S8，直到整批产品生产完毕。
步骤S9”、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
进一步的，Z向位移是控制激光系统进行Z向移动，或者是控制PCB板进行Z向移动。
进一步的，XY向位移是控制激光系统进行XY向移动，或者是控制PCB板进行XY向移动。
进一步的，根据生产效率情况，采用一个或多个激光发生器对PCB板不同区域同时进行激光粗化，在PCB的两面分别布置激光头对双面进行同时激光粗化；
根据生产效率情况，同时粗化单面，或者同时粗化双面，粗化双面时在PCB上下两面分别设置激光系统。
第二方面，本发明提供一种激光粗化印刷电路板铜箔表面的设备，包括激光系统、对焦对位系统和控制系统；
所述的激光系统包含激光发生器、扩束镜、高速振镜和光束聚焦模块；用于发出能量均匀可调、光斑直径可调、光斑能量密度可调的激光；
所述的对焦对位系统包括包括Z向位移台、和/或CCD相机、和/或XY位移台；用于微调激光系统与PCB板面之间的位置关系，确保激光焦点在PCB板待粗化面上；
所述的控制系统包括工业计算机；用于设置并记录各项工艺参数，并根据工艺参数和设计好的粗化路径文件转化为激光系统的扫描路径，准确地在PCB待加工面把设计纹理制作出来。
进一步的，根据激光系统的焦深情况，分为大焦深和小焦深，焦深小于50微米为小焦深，在50微米以上为大焦深，小焦深情况下每次粗化前，PCB板放置在工作区进行自动对焦后才可以进行粗化；
根据激光粗化路径是否与待制作的线路关联，可分为自由粗化或者关联粗化。
本发明的有益效果在于：
1.关联粗化使加工后铜的表面纹理和微观结构可控，既可以保证铜箔与树脂的结合力，又可以降低多层PCB传输高频信号（比如大于10GHz）的损耗；
2.对待加工对象具有很高的兼容性：兼容各种硬度的基板材质，兼容小的基板幅面（比如小于30mm×30mm），兼容各种基板幅面厚度，具有应对各种类型PCB的粗化加工能力；
3.生产灵活性：适应多品种、小批量生产的需求；
4.操作简便、工作稳定：不需要复杂的调试、添加化学药液等工序，不需要定期更换磨辊或者药液；
5.环保：不消耗也不排出有害化学物质，不散发有害气体，不产生有害噪音。
附图说明
图1为现有技术中的机械粗化法中的转轴式研磨方式；
图2为现有技术中的化学粗化法铜面SEM照片；
图3为本发明的激光粗化印刷电路板铜表面大焦深自由粗化的方法流程；
图4为本发明的激光粗化印刷电路板铜表面小焦深自由粗化的方法流程；
图5为本发明的激光粗化印刷电路板铜表面小焦深关联线路粗化的方法流程；
图6为本发明的激光粗化印刷电路板铜表面关联线路粗化法的原理；
图7为本发明的激光粗化印刷电路板铜表面系统单激光器单面粗化原理图；
图8为本发明的激光粗化印刷电路板铜表面系统多激光器单面粗化原理图；
图9为本发明的激光粗化印刷电路板铜表面系统多激光器双面粗化原理图。
图标标记说明如下：1、激光发生器，2、扩束镜，3、高速振镜，4、光束聚焦模块，5、PCB板，6、XY位移台，7、Z位移台，8、工业计算机，9、CCD。
具体实施例
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
机械粗化法通过磨料与PCB板铜面相互作用，利用机械外力的方式，使铜表面产生粗糙表面。化学粗化法通过化学药液与铜反应，Cu+H2SO4+H2O2 →CuSO4+2H2O，使铜表面产生粗糙表面。
本发明采用高能能量束，比如激光束或者电子束，可以在振镜的控制下根据设计好的路径进行扫描，照射到铜表面，在高能能量束的照射下，被照射到的部分铜被升华，没被照射到的部分维持原样，这样来使铜表面达到具有可控的表面纹理和微观结构的粗糙度，达到铜表面可控粗化的目的。可控粗化体现在2个方面：轮廓算术平均偏差Ra可控，微观纹理和微观结构可控。
根据生产效率情况，可以同时粗化单面，或者双面，粗化双面时在PCB上下两面分别设置激光系统。
根据激光系统的焦深情况，分为大焦深和小焦深，比如焦深小于50微米为小焦深，由于PCB板本身厚度公差限制，每次粗化前，PCB板放置在工作区进行自动对焦后才可以进行粗化，否则粗化质量降低；而焦深大的情况下，该环节可以省去。
根据激光粗化路径是否与待制作的线路关联，可将系统分为自由粗化或者关联粗化；自由粗化，表示设计粗化纹理或者图案时，不用考虑未来要制作什么样的PCB线路，只需保证设定的表面粗糙度值；关联粗化，如图6，表示设计粗化纹理或者图案时，以未来要制作的PCB线路为依据，基于线路走向设计激光粗化路径，既需要保证设定的粗糙度值，又需要保证与PCB线路之间的关系，达到保证铜和树脂结合力的同时，减少电流流动方向的波峰波谷，减少高频信号（比如大于10GHz）损耗。[PC1]
实施例一
本实施例的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，在激光系统焦深较大且粗化路径与PCB待制作线路不关联的情况下，PCB板自由平放时可以保证对应的平面度使铜面在焦深范围内，只需要在第一片PCB板粗化前，对待粗化铜面进行对焦，如图3所示，包括以下步骤：
步骤S1、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4、采用Z向位移台对待粗化PCB板进行调试对焦，确保PCB板Z向位置准确；
进一步的，Z向位移是控制激光系统进行Z向移动，或者是控制PCB板进行Z向移动。
步骤S5、把待粗化PCB板放置于激光粗化设备的工作位置；
步骤S6、激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S7、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；重复S5到S7，直到整批产品生产完毕；
步骤S8、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
实施例二
本实施例的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，在激光系统焦深较小且粗化路径与PCB待制作线路不关联的情况下，比如焦深小于50μm，PCB板自由平放时无法保证对应的平面度使铜面在焦深范围内，则每片PCB板粗化前都对待粗化铜面进行对焦，如图4所示，包括以下步骤：
步骤S1’、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2’、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3’、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4’、把待粗化PCB板放置于激光工作位置；
步骤S5’、采用CCD和Z向位移台对PCB板待粗化铜面进行在线对焦，确保PCB板Z向位置准确；
进一步的，Z向位移是控制激光系统进行Z向移动，或者是控制PCB板进行Z向移动。
步骤S6’、PCB板对焦后，激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S7’、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；重复S4到S7，直到整批产品生产完毕；
步骤S8’、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
实施例三
本实施例的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，在激光系统焦深较小且粗化路径与PCB待制作的线路关联的情况下，这种情况需要提前根据待制作的PCB线路文件进行激光粗化路径的设计，旨在于控制线路部分纹理使其具有低的高频信号（比如大于10GHz）损耗，这种情况一般采用小光斑激光（光斑50μm），对应焦深较小，PCB板自由平放时无法保证对应的平面度使铜面在焦深范围内，则每片PCB板粗化前都对待粗化铜面进行对焦。如图5所示，包括以下步骤：
步骤S1”、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2”、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3”、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4”、把待粗化PCB板放置于激光工作位置；
步骤S5”、采用CCD和Z向位移台对PCB板待粗化铜面进行在线对焦，确保PCB板Z向位置准确；
进一步的，Z向位移是控制激光系统进行Z向移动，或者是控制PCB板进行Z向移动。
步骤S6”、采用CCD对PCB板待粗化铜面MARK位对位，确保PCB板XY方向位置准确；
进一步的，XY向位移是控制激光系统进行XY向移动，或者是控制PCB板进行XY向移动。
步骤S7”、PCB板对焦、对位OK后，激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S8”、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；大批量生产，重复S4到S8，直到整批产品生产完毕。
步骤S9”、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
实施例四
本实施例提供的激光粗化印刷电路板铜箔表面的设备，包括激光系统、对焦对位系统和控制系统；
激光系统：包含激光发生器、扩束镜、高速振镜和光束聚焦模块；用于发出能量均匀可调、光斑直径可调、光斑能量密度可调的激光。
目前市面常用的激光器有355nm的固体激光器、532nm的固体激光器、1064nm的固体激光器、1070nm的光纤激光器和1060nm的二氧化碳激光器等。本发明所述激光包含所有波段的激光，出于成本和功率方面的考虑，优选地，选择1064nm的固体激光器作为激光源。
所述激光的光斑大小和能量大小可以根据需求设定。市面上目前光斑大小可以做到10μm或更小，激光器功率最大可以做到3KW以上。
控制系统：包括工业计算机；用于设置并记录各项工艺参数，并根据工艺参数和设计好的粗化路径文件转化为激光系统的扫描路径，准确地在PCB待加工面把设计纹理制作出来。
对焦对位系统包括包括Z向位移台、和/或CCD相机、和/或XY位移台。
对焦对位系统的作用是：当PCB板放置于工作区域后，微调激光系统与PCB板面之间的位置关系，确保激光焦点在PCB板待粗化面上。
激光粗化印刷电路板铜表面设备原理图如图6至8所示。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，其特征在于：采用高能能量束，在高速振镜的控制下根据设计好的纹理图案路径进行扫描，照射到印刷电路板的铜表面，在高能能量束的照射下，被照射到的铜被升华，没被照射到的铜维持原样。
2.根据权利要求1所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，其特征在于：所述的高能能量束是激光束或电子束。
3.根据权利要求1所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤S1、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4、采用Z向位移台对待粗化PCB板进行调试对焦，确保PCB板Z向位置准确；
步骤S5、把待粗化PCB板放置于激光粗化设备的工作位置；
步骤S6、激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S7、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；重复S5到S7，直到整批产品生产完毕；
步骤S8、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
4.根据权利要求1所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤S1’、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2’、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3’、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4’、把待粗化PCB板放置于激光工作位置；
步骤S5’、采用CCD和Z向位移台对PCB板待粗化铜面进行在线对焦，确保PCB板Z向位置准确；
步骤S6’、PCB板对焦后，激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S7’、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；重复S4到S7，直到整批产品生产完毕；
步骤S8’、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
5.根据权利要求1所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤S1”、设计粗化表面纹理图案；
步骤S2”、把设计好的纹理图案文件导入到激光粗化设备的控制系统；
步骤S3”、设置光斑大小，设置激光能量密度，设置扫描速度；
步骤S4”、把待粗化PCB板放置于激光工作位置；
步骤S5”、采用CCD和Z向位移台对PCB板待粗化铜面进行在线对焦，确保PCB板Z向位置准确；
步骤S6”、采用CCD对PCB板待粗化铜面MARK位对位，确保PCB板XY方向位置准确；
步骤S7”、PCB板对焦、对位OK后，激光粗化设备启动，根据设计的纹理图案进行激光扫描粗化；
步骤S8”、一片PCB板激光扫描粗化后，激光粗化设备的激光系统关闭，取下粗化好的PCB板；大批量生产，重复S4到S8，直到整批产品生产完毕;
步骤S9”、批量化生产结束后，关闭激光粗化设备。
6.根据权利要求3至5任一项所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，其特征在于：Z向位移是控制激光系统进行Z向移动，或者是控制PCB板进行Z向移动。
7.根据权利要求5所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，其特征在于：XY向位移是控制激光系统进行XY向移动，或者是控制PCB板进行XY向移动。
8.根据权利要求3至5任一项所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的方法，其特征在于：
根据生产效率情况，采用一个或多个激光发生器对PCB板不同区域同时进行激光粗化，在PCB的两面分别布置激光头对双面进行同时激光粗化；
根据生产效率情况，同时粗化单面，或者同时粗化双面，粗化双面时在PCB上下两面分别设置激光系统。
9.激光粗化印刷电路板铜箔表面的设备，其特征在于：包括激光系统、对焦对位系统和控制系统；
所述的激光系统包含激光发生器、扩束镜、高速振镜和光束聚焦模块；用于发出能量均匀可调、光斑直径可调、光斑能量密度可调的激光；
所述的对焦对位系统包括包括Z向位移台、和/或CCD相机、和/或XY位移台；用于微调激光系统与PCB板面之间的位置关系，确保激光焦点在PCB板待粗化面上；
所述的控制系统包括工业计算机；用于设置并记录各项工艺参数，并根据工艺参数和设计好的粗化路径文件转化为激光系统的扫描路径，准确地在PCB待加工面把设计纹理制作出来。
10.根据权利要求9所述的激光粗化印刷电路板铜箔表面的设备，其特征在于：根据激光系统的焦深情况，分为大焦深和小焦深，焦深小于50微米为小焦深，在50微米以上为大焦深，小焦深情况下每次粗化前，PCB板放置在工作区进行自动对焦后才可以进行粗化；
根据激光粗化路径是否与待制作的线路关联，可分为自由粗化或者关联粗化。
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