CN113857681A - 一种高密度载板的加工系统及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种高密度载板的加工系统及加工方法，所述高密度载板的加工系统包括激光微加工系统，用于对所述载板上的预设刻蚀路径进行激光刻蚀加工、形成精细线路；所述激光微加工系统包括激光光源系统、主控系统、图形处理系统以及定位系统，所述主控系统与所述激光光源系统、所述图形处理系统、所述定位系统三者分别信号连接；所述图形处理系统包括图象检测系统和图象识别系统，分别用于检测、识别所述刻蚀路径；所述定位系统用于将激光对准所述刻蚀路径。通过上述设置，可解决目前载板上精细线路加工效率与加工精度低、加工成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及载板加工技术领域，具体涉及一种高密度载板的加工系统及加工方法。
背景技术
载板技术的发展趋势中，PCB板制造工艺依次可分为：减成发、全加成法(SAP)、以及半加成法(MSAP)。
类载板为新一代PCB硬板，采用M-SAP制程，可将线宽/线距从HDI时的40/40微米缩短到30/30微米。
上述三种工艺具有不同的加工流程及制作要求，虽然MSAP与Sap制程可以制作更高精度的产品，但制作成本与制作良率是一大难点，同时设备投资成本非常高。
在实际生产中，精细线路一般存在于载板的局部区域，载板的其它区域仍为普通线路。
因此，为兼顾载板的加工效率与加工精度，需要改进现有载板加工设备及技术，来解决现有技术中的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高密度载板的加工系统及加工方法，所述高密度载板的加工系统用来解决目前载板上精细线路加工效率与加工精度低、加工成本高的问题。
为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种高密度载板的加工系统，包括激光微加工系统，用于对所述载板上的预设刻蚀路径进行激光刻蚀加工、形成精细线路；
所述激光微加工系统包括激光光源系统、主控系统、图形处理系统以及定位系统，所述主控系统与所述激光光源系统、所述图形处理系统、所述定位系统三者分别信号连接；所述图形处理系统包括图象检测系统和图象识别系统，分别用于检测、识别所述刻蚀路径；所述定位系统用于将激光对准所述刻蚀路径。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述定位系统包括光束定位器，用于将所述激光光源系统发出的脉冲激光束对准所述刻蚀路径。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述激光光源系统包括依次设置的激光器、扩束镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、振镜控制系统以及场镜聚焦系统；
所述激光器发出的激光经过所述扩束镜进行整形和放大处理、再依次经过四个全反射镜后平行射入所述振镜控制系统、最后经过所述场镜聚焦系统聚焦到加工材料表面。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述激光微加工系统还包括数据采集系统，用于采集加工数据；所述主控系统包括计算机，与所述数据采集系统、所述图形处理系统、所述光束定位器三者分别信号连接，用于根据所述加工数据与图形信息生成控制指令、发送给所述光束定位器。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述载板上线/空间<35um。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述高密度载板的加工系统还包括减成法加工系统，用于对所述载板上的普通线路进行加工。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述主控系统还包括故障预警系统，用于对激光加工过程中的故障进行报警与处理。
本发明一实施方式还提供一种高密度载板的加工方法，基于如上任一项所述的高密度载板的加工系统，所述方法包括：
清洁铜面；
涂覆光阻或贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
蚀刻；
通过所述激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成所述精细线路；同时，激光刻蚀加工所述精细线路至预设的深度，使得深浅度>10um；
差分蚀刻。
本发明另一实施方式还提供一种高密度载板的加工方法，基于如上任一项所述的高密度载板的加工系统，所述方法包括：
清洁铜面；
涂覆光阻或贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
通过所述激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成所述精细线路；同时，激光刻蚀加工所述精细线路至预设的深度，使得深浅度≤10um；
显影；
蚀刻。
本发明又一实施方式还提供一种高密度载板的加工方法，基于如上任一项所述的高密度载板的加工系统，所述方法包括：
清洁铜面；
化镍，使得厚度>1um；或涂覆石墨、碳黑；或涂覆光阻；或贴干膜；
通过所述激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成所述精细线路；
对所述精细线路蚀刻至预设的深度；
清洁铜面；
涂覆光阻或真空贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
蚀刻。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
在高密度载板的加工系统中，设置激光微加工系统来加工载板上的精细线路，以提升加工效率与精度；
具体的，激光微加工系统中设置激光光源系统、主控系统、图形处理系统以及定位系统四个系统；图形处理系统中设置图象检测系统和图象识别系统，用于先检测载板上需要加工的线路区域，即预设的刻蚀路径；在经过主控系统控制后，定位系统则将激光出束定位并对准刻蚀路径，从而实现激光刻蚀加工、形成载板上的精细线路；而载板上的其他普通线路仍可以采用现有加工工艺；由此，可兼顾载板加工效率、加工精度以及生产成本，并极大提升加工效率与加工精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中激光微加工系统的结构框图；
图2是本发明一实施例中激光光源系统的示意图；
图3是本发明一实施例中金属材料吸收率与波长关系的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在现有技术中，激工微米级加工原理如下：
激光加工是将激光束作用于物体表面而引起物体形状或性能改变的加工过程。
激光加工适合于精密和形状复杂的零件的加工，激光加工还适用于表面的亚微米加工，能够加工传统方法难以实现的孔或空腔。
按照光与物质相互作用的机理，大体上可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。热加工对金属材料进行焊接、表面强化和切割等极为有利，冷加工则对化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化比较适合。
加工技术可以分为4个层次：一般加工、微细加工(加工精度1um一10um)、精密加工(加工精度0.1um---1um)和超精密加工(加工精度高于o.1um)。微细加工技术发展的标志之一就是加工线宽不断缩小，朝着亚微米、纳米的目标迈进。
激光具有高亮度、单色性、高相干性和良好的方向性等特点，在光机电系统中得到广泛的应用，同时在微细加工中具有明显的优越性。主要表现在以下几个方面：
1、加工条件较易满足,具有明显的经济性和现实性。
2、功率密度高。激光加工的功率密度可达10～r‘咖，大大缩短了加工时间。
3、加工对象广泛。可以用于多种材料的加工，如金属、有机物、无机物、陶瓷等，在加工中可以控制激光的作用深度、作用时间，扩展了应用范围。
4、自动化程度高。激光光源、光学器件、光电转换器俘、光电控制器件和成套设备种类繁多，方便进行数据采集、数据处理、自动控制。光电转换技术的成熟使其控制系统与计算机接口方便，使得加工系统有更高的自动化程度，更利于工业生产。
其中，激光微细加工国内外发展状况如下：
激光精密加工：与传统切割法相比，激光精密切割有很多优点。例如，它能开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小。
由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，故适宜于切割金属、陶瓷和半导体等硬质的材料；加上激光光斑小、切缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精密加工。
激光精密加工的一个典型应用就是切割印刷电路板PCB中表面图形。
传统的PCB加工方法是化学刻蚀法，其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚，若采用前面Msap工艺或Sap工艺，其工艺流程长，工序繁杂、加工周期长，良率低，加工成本高。
若采用激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成品尺寸进行再加工，特别是加工精度及间距密度明显优于前者，制作费也由早期的远低于上述工工艺。
但由于用于激光加工的加工效率远低于Msap工艺或Sap工艺，并且对环氧树脂基材有伤害。经过二十多年的努力，我国在激光精密加工工艺与成套设备方面，尤其是陶瓷激光划片与微小型金属零件的激光加工等领域有了很大发展，但在应用市场广阔的微电子线路精密切割与刻蚀工艺、陶瓷片与印刷电路板上各种规格尺寸的通孔、盲孔与异型孔、槽的激光精密加工等方面，尚处于研究与开发阶段。
为此，如图1至图3所示，本发明一实施例提供了一种高密度载板的加工系统，包括激光微加工系统，用于对载板上的预设刻蚀路径进行激光刻蚀加工、形成精细线路；
激光微加工系统包括激光光源系统、主控系统、图形处理系统以及定位系统，主控系统与激光光源系统、图形处理系统、定位系统三者分别信号连接；图形处理系统包括图象检测系统和图象识别系统，分别用于检测、识别刻蚀路径；定位系统用于将激光对准刻蚀路径。
具体的，在高密度载板的加工系统中，设置激光微加工系统来加工载板上的精细线路，以提升加工效率与精度；
激光微加工系统中设置激光光源系统、主控系统、图形处理系统以及定位系统四个系统；图形处理系统中设置图象检测系统和图象识别系统，用于先检测载板上需要加工的线路区域，即预设的刻蚀路径；在经过主控系统控制后，定位系统则将激光出束定位并对准刻蚀路径，从而实现激光刻蚀加工、形成载板上的精细线路；而载板上的其他普通线路仍可以采用现有加工工艺；由此，可兼顾载板加工效率、加工精度以及生产成本，并极大提升加工效率与加工精度。
激光微加工载板与引线框架的原理为：
激光微加工精细线路就是利用激光工艺对精细线路进行精密加工的手段。是一种集光学、精密机械、计算机控制、精密测量等多种技术于一体的高技术加工手段，是混合集成电路中利用激光对集成电路局部高精密区域进行精密加工的关键。
利用激光器发出的脉冲激光束聚焦成为很小的光点、达到适合的能量密度，对导体材料(例如铜，镍，铝，锡等)的表面进行切割，使材料表面熔融、蒸发，以改变材料的有效导电宽度及有效间距，达到制造精密线路的目的。
进一步的，定位系统包括光束定位器，用于将激光光源系统发出的脉冲激光束对准刻蚀路径。
在实际使用中，激光可聚焦成很小的光斑、能量集中、不产生污染、易于计算。由此，可利用光束定位器使激光按照一定的轨迹和路径切割铜面，直至设计的深度。激光加工具有高精度、高效率、工艺简便等特点。
进一步的，激光光源系统包括依次设置的激光器、扩束镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、振镜控制系统以及场镜聚焦系统；
激光器发出的激光经过扩束镜进行整形和放大处理、再依次经过四个全反射镜后平行射入振镜控制系统、最后经过场镜聚焦系统聚焦到加工材料表面。
由此，合理利用激光光路原理，使得最终发出脉冲激光束。
进一步的，激光微加工系统还包括数据采集系统，用于采集加工数据；主控系统包括计算机，与数据采集系统、图形处理系统、光束定位器三者分别信号连接，用于根据加工数据与图形信息生成控制指令、发送给光束定位器。
在实际使用中，首先把数据和图形传送给计算机，计算机根据预先设计好的指令利用光束定位器使激光按照一定的轨迹和路径切割铜面，直至设计的深度，从而实现激光加工过程的自动化。
进一步的，载板上线/空间<35um。
由此，使得载板上激光加工后形成精细线路。
进一步的，高密度载板的加工系统还包括减成法加工系统，用于对载板上的普通线路进行加工。
同时，载板上的其他普通线路仍可以采用现有加工工艺，即减成法加工等工艺，从而兼顾载板加工效率、加工精度以及生产成本。
即，本发明创造性地引入激光加工到减成法制作过程中，可以极大的提高图形精度制作能力，同时也兼顾生产效率，设备投资也比较低。
进一步的，主控系统还包括故障预警系统，用于对激光加工过程中的故障进行报警与处理。
由此，提升整体系统的自动化程度、提升加工质量。
进一步的，刻蚀路径为直线或直线的组合。
在实际使用中，由于受激光束控制难易的影响，刻蚀路径一般为直线或直线的组合。
进一步的，激光微加工系统还包括加工质检系统，用于对激光加工效果进行检测与评价。
由此，实现加工效果的自动评价、减少人力质检成本、提升生产效率。
进一步的，主控系统包括人-机界面系统。
由此，方便人员操控，适用于各种加工模式。
在实际使用中，影响线宽间距精度的因素如下：
1.激光在材料表面上的扫描路径称为刻蚀路径，激光微加工线路精度与刻蚀路径有关。由于受激光束控制难易的影响，刻蚀路径一般为直线或直线的组合。
2.激光功率；影响刻蚀路径的质量，在一定的振镜扫描速度下，功率过低，激光无法刻到相对应的深度；功率过高，激光会刻透金属材料，对基材造成伤害。因此为保证刻蚀路径的质量，激光功率必须选择适当。
3.光频率和振镜扫描速度；激光微加工是以光斑为单位对材料进行光刻的。光斑的刻蚀步长与直径直接影响刻蚀精度。
4.定位系统与图形处理系统；两大系统直接关系到激光微加工与化学刻蚀重叠度。若处理不当，则会出现两种不同的加工方式出现错位。
此外，在激光微加工系统中，
对于激光光源，大功率激光器在加工中具有生产效率高的特点，各种激光器已基本实现了国产化；优质、高效、稳定、可靠、廉价的激光器是精密加工推广应用的前提，国产激光器已具有转换效率高、工作稳定性好、光束质量好、体积小等一系列优点。
对于智能加工系统，加工系统过程的自动化和智能化包括：激光光源的自动控制、光路的自动控制、加工工件运动的自动控制、自动检测以及过程中的故障报警与处理等内容，这些功能保证了加工系统的可靠性和实用性。
智能化主要体现在加工系统的功能上，例如：图象检测、图象识别、加工的目标值的自动获取、加工效果的自动评价以及友好的人-机界面等功能。
激光微加工原理如下：
研究激光与材料相互作用过程中的能量变化，其目的是为了说明激光与材料作用时，激光将能量传递给各种材料的机理。显然，激光与材料的能量转化遵从能量守恒法则。
E0＝E反射+E吸收+E透过
E0——入射到材料表面的激光能量
E反射——被材料反射的能量
E吸收——被材料吸收的能量
E透过——激光透过材料后仍保留的能量
1＝E反射/E0+E吸收/E0+E透过/E0＝R+α+T
R为反射系数，α为吸收系数，T为透射系数。
对于金属材料，其透射率为零。故激光能量被材料吸收后，激光的强度减弱。实践证明，对于各向同性的均匀物质来说，强度为I的入射激光通过厚度为dI的薄层后，其激光强度的相对减少量dI与吸收层厚度dx成正比：dI/I∝dx。
Lambert-Beer-Bouguer定律说明两点：
第一、随激光入射到材料内部深度的增加，激光强度将以几何指数减弱。
第二、激光通过厚度1/α的物质后，其光强将减少为1/e。说明材料吸收激光的能力应归结为其吸收系数α的数值。
其中，影响吸收率的因素如下：
影响吸收率的因素主要有：材料、激光波长、温度、表面粗糙度、涂层等方面。
1.波长对吸收率的影响
一般对于金属来说，波长越短，吸收率越高。
2.材料对激光的吸收率随温度的升高而增大。金属材料在室温时的吸收率均很小，当温度升高至熔点时，吸收率可达成40％-50％；
3.表面涂层及镀层、表面状态对吸收率的影响
利用涂层来提高激光热处理的光能利用效率，已是激光处理应用的必要措施。涂层材料对激光有很高的吸收率，常用石墨、碳黑等，其吸收率均在70％左右。
本发明一实施方式还提供一种高密度载板的加工方法，基于如上任一项的高密度载板的加工系统，方法包括：
清洁铜面；
涂覆光阻或贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
蚀刻；
通过激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成精细线路；同时，激光刻蚀加工精细线路至预设的深度，使得深浅度>10um；
差分蚀刻。
在实际操作中，高密度载板的加工方法基于上述包含激光加工设备的加工系统。
由此，在第一方案中，通过激光微加工实现载板上L/s<35um区域的加工，形成精细线路，且精细线路的深浅度>10um。
本发明另一实施方式还提供一种高密度载板的加工方法，基于如上任一项的高密度载板的加工系统，方法包括：
清洁铜面；
涂覆光阻或贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
通过激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成精细线路；同时，激光刻蚀加工精细线路至预设的深度，使得深浅度≤10um；
显影；
蚀刻。
由此，在第二方案中，通过激光微加工实现载板上L/s<35um区域的加工，形成精细线路，且精细线路的深浅度≤10um。
本发明又一实施方式还提供一种高密度载板的加工方法，基于如上任一项的高密度载板的加工系统，方法包括：
清洁铜面；
化镍，使得厚度>1um；或涂覆石墨、碳黑；或涂覆光阻；或贴干膜；
通过激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成精细线路；
对精细线路蚀刻至预设的深度；
清洁铜面；
涂覆光阻或真空贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
蚀刻。
由此，在第三方案中，通过激光微加工实现载板上L/s<35um区域的加工，形成精细线路，通过普通的蚀刻来加工精细线路的深浅度。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高密度载板的加工系统，其特征在于，包括激光微加工系统，用于对所述载板上的预设刻蚀路径进行激光刻蚀加工、形成精细线路；所述激光微加工系统包括激光光源系统、主控系统、图形处理系统以及定位系统，所述主控系统与所述激光光源系统、所述图形处理系统、所述定位系统三者分别信号连接；所述图形处理系统包括图象检测系统和图象识别系统，分别用于检测、识别所述刻蚀路径；所述定位系统用于将激光对准所述刻蚀路径。
2.根据权利要求1所述的高密度载板的加工系统，其特征在于，所述定位系统包括光束定位器，用于将所述激光光源系统发出的脉冲激光束对准所述刻蚀路径。
3.根据权利要求2所述的高密度载板的加工系统，其特征在于，所述激光光源系统包括依次设置的激光器、扩束镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、振镜控制系统以及场镜聚焦系统；
所述激光器发出的激光经过所述扩束镜进行整形和放大处理、再依次经过四个全反射镜后平行射入所述振镜控制系统、最后经过所述场镜聚焦系统聚焦到加工材料表面。
4.根据权利要求3所述的高密度载板的加工系统，其特征在于，所述激光微加工系统还包括数据采集系统，用于采集加工数据；所述主控系统包括计算机，与所述数据采集系统、所述图形处理系统、所述光束定位器三者分别信号连接，用于根据所述加工数据与图形信息生成控制指令、发送给所述光束定位器。
5.根据权利要求4所述的高密度载板的加工系统，其特征在于，所述载板上线/空间<35um。
6.根据权利要求5所述的高密度载板的加工系统，其特征在于，所述高密度载板的加工系统还包括减成法加工系统，用于对所述载板上的普通线路进行加工。
7.根据权利要求6所述的高密度载板的加工系统，其特征在于，所述主控系统还包括故障预警系统，用于对激光加工过程中的故障进行报警与处理。
8.一种高密度载板的加工方法，其特征在于，基于如权利要求1-7任一项所述的高密度载板的加工系统，所述方法包括：
清洁铜面；
涂覆光阻或贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
蚀刻；
通过所述激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成所述精细线路；同时，激光刻蚀加工所述精细线路至预设的深度，使得深浅度>10um；
差分蚀刻。
9.一种高密度载板的加工方法，其特征在于，基于如权利要求1-7任一项所述的高密度载板的加工系统，所述方法包括：
清洁铜面；
涂覆光阻或贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
通过所述激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成所述精细线路；同时，激光刻蚀加工所述精细线路至预设的深度，使得深浅度≤10um；
显影；
蚀刻。
10.一种高密度载板的加工方法，其特征在于，基于如权利要求1-7任一项所述的高密度载板的加工系统，所述方法包括：
清洁铜面；
化镍，使得厚度>1um；或涂覆石墨、碳黑；或涂覆光阻；或贴干膜；
通过所述激光微加工系统对线/空间<35um区域进行激光微加工、形成所述精细线路；
对所述精细线路蚀刻至预设的深度；
清洁铜面；
涂覆光阻或真空贴干膜；
对线/空间≥35um区域进行LDI曝光；
蚀刻。
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