CN1377570A - 层压板的激光钻孔方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用一个倍频钕－钒酸盐激光器对具有至少一层金属层和至少一层用一种有机材料制成的电介质层的层压板进行激光钻孔,该激光器具有下列参数:脉冲宽度<40纳秒;脉冲频率≥30千赫,用于金属层,≥20千赫,用于电介质层;波长=532纳米。

Description

层压板的激光钻孔方法和装置
从EP-A-O 164 564已知用一个激元激光器来在一种层次为金属-电介质-金属的层压板上产生盲孔的方法。该层压板的最上金属层被当作孔掩模用，其孔图用光技术传输并随即通过蚀刻制作。然后通过激元激光器的作用把这个掩模的孔区内露出的电介质去掉直至达到最下的金属层并结束该加工过程。这种方法特别适用于制作多层印制电路板所需的盲孔形式的通孔。
从德国杂志《精密仪器技术和测量技术》91(1983)2，56～58页已知一种制造多层印制电路板的类似方法，这种方法是用一个CO2激光器来产生作为充分接触用的盲孔。在这里也是把最上层铜箔作为孔掩模用，在这种掩模时，凡是激光束要产生一个孔的地方，都把铜蚀刻去。
从DE-A-197 19 700也已知一些层压板激光钻孔装置。在这些装置中，金属层的钻孔使用波长约为266纳米至1064纳米范围的第一激光器，而电介质层的钻孔则使用波长约为1064纳米至10600纳米范围的第二激光器。
从US-A-5 593 606已知一种层压板的激光钻孔方法，该方法的金属层钻孔和电介质层钻孔都用唯一的紫外线激光器，其波长低于400纳米，而其脉冲宽度则低于100纳秒。在这种前提下，不用激元激光器，亦即金属和有机材料都用相同的紫外线激光器钻孔。
从DE-A-198 24 225中已知层压板的另一种激光钻孔方法，在该方法中，金属层的钻孔和电介质的钻孔例如都用一个波长为532纳米的SHG(二次谐波发生)-YAG(钇铝石榴石)激光器，或用一个波长为355纳米的THG(三次谐波发生)-YAG(钇铝石榴石)激光器。
原则上可这样论断：有机材料的激光钻孔用紫外线激光器，亦即用波长低于400纳米的激光器来使有机材料产生光化学的分解。亦即不产生烧蚀，并由于充其量只有极小的热负荷，所以层压板不产生脱层。而在用CO2激光器进行有机材料的激光钻孔时，有机材料产生热分解，亦即产生烧蚀，并对层压板产生脱层的危险。但与紫外线激光器比较，用CO2激光器进行激光钻孔可明显缩短加工时间。
根据本发明权利要求1和13，在具有至少一层金属层和用一种有机材料制成的至少一层电介质层的层压板进行激光钻孔时可实现盲孔或通过快速制作而不损伤层压板。
根据本发明，用一个波长为532纳米和脉冲宽度低于40纳秒的倍频钕-钒酸盐激光器可有效加工金属层和电介质层。其中，在金属层激光钻孔时选用脉冲频率≥30千赫，而在电介质层的激光钻孔时，则选用脉冲频率≥20千赫。在加工有机材料时，通过选用较高的脉冲频率可达到两种材料的特别有效的激光加工。在有机材料的激光加工时可产生光化学和热分解的组合作用，从而可达到比紫外线激光器短的加工时间并可避免CO2激光器产生的过高的热负荷。
根据本发明选用的倍频钕-钒酸盐激光器进行层压板钻孔可达到很高的脉冲频率，在小于40纳秒的小脉冲宽度时，脉冲频率甚至超过100千赫。高的脉冲频率可实现层压板的快速和有效的加工，而由于低的脉冲宽度则保证了很低的热负荷。用具有类似的或相同的波长工作的其他激光器不可能实现这种高脉冲频率和低脉冲宽度的组合。例如DE-A-198 24 225提出的SHG-YAG激光器在较高的脉冲频率时充其量可达到70至80纳秒的脉冲宽度。
本发明方法的各种有利方案可从权利要求2至12中得知。
按权利要求2的方案，通过小于30纳秒的脉冲宽度可实现层压板在激光钻孔时的更小的热负荷。
按权利要求3，在用点直径为10微米和100微米之间的聚焦激光束的情况下，可获得金属和有机材料的有效的激光加工。按 4，在用20微米之间的点直径时，可获得这两种材料的更有效的激光加工。
根据权利要求5的方案，通过有机材料对激光束的较高的吸收，可实现加工速度的明显提高。其中添加剂比纯粹的有机材料对波长为532纳米的激光束具有明显高的吸收度。
根据权利要求6的方案，可实现有机材料的吸收度的特别简单和经济的提高。
根据权利要求7的方案，可通过选用红色添加剂实现吸收度的最佳化，因为波长532纳米的绿色光可被互补色红色特别好地吸收。
根据权利要求8的方案，在添加颜料作添加剂时可确定一个添加量的范围，这个范围可特别好地保证吸收度的提高而不损害别的性能。其中权利要求9给出的较窄的添加量范围被看成是最佳的。
如果按权利要求10添加的添加剂使有机材料的吸收度提高到至少50％，则可获得有机材料的加工速度的明显提高。在按 11使吸收度提高到至少60％或按权利要求12提高到至少80％的情况下，可相应地进一步缩短有机材料激光钻孔的加工时间。
在下述的例子中使用了下列的激光器型号：
激光器I
美国加州Spectra Physics，Mountain View公司生产的二极管抽运的、倍频的钕-钒酸盐激光器
  型号：         T80-YHP40-532QW
  波长：         532纳米
  功率：         约8.5瓦
  工作方式：     单模TEMoo
  脉冲宽度：     在10千赫脉冲频率时为20纳秒
  脉冲频率：     到200千赫
  尺寸：         100×100毫米2
激光器II
德国Schramberg Haas-Laser GMbH有限责任公司生产的二极管抽运的、倍频的钕-钒酸盐激光器
  型号：        无，因为只有样机
  波长：        532纳米
  功率：        约4.0瓦
  工作方式：    单模TEMoo
  脉冲宽度：    在10千赫脉冲频率时为25纳秒
  脉冲频率：    至200千赫
  尺寸：        100×100毫米2
用激光器I和II加工了下列材料：
材料I
一种RCC材料(RCC＝树脂涂铜箔)被层压到两面用铜箔涂覆的、玻璃纤维增强的FR4材料(FR4＝4级阻燃环氧树脂-玻璃复合材料)上。产生的层压板的层次为一层12微米厚的铜箔、一层60微米厚的没有增强的环氧材料、一层16微米厚的铜箔、一层1毫米厚的玻璃纤维增强的环氧材料和一层16微米厚的铜箔。
材料II
在一种60微米厚的FR4材料上两面分别层压12微米厚的铜箔。
为了改进上述材料I和II，可用下列添加剂：
添加剂I
中华人民共和国河北堔州(Shenzhou)城西京明(Xijingming)公司生产的型号为“1501快红”的有机红颜料(C.I.颜料红48∶1)，这是一种以钡盐为基的偶氮颜料。
添加剂II
德国拜尔公司生产的商标为“Bayferrox”的无机红色颜料(C.I.颜料红101)。这是一种氧化铁红颜料。
添加剂III
瑞士CIBA-Geigy股份公司生产的商标为“Oracet”的Gelb GHS的聚合物可溶性蒽醌颜料(C.I.溶解黄163)。
添加剂IV
宝石红玻璃纤维，这种玻璃通过添加按重量百分比计算的2％的硒、1％的硫化镉、1％的三氧化二砷和0.5％的碳制成成份为NA2O-ZnO-4SiO2的基玻璃。
例1
用激光器I在材料I的上层12微米厚的铜箔和用未增强的环氧树脂材料制成的60微米厚的电介质层上加工直径为125微米的盲孔。铜层钻孔用的脉冲频率为45千赫，电介质层钻孔用的则为25千赫。脉冲长度为30纳秒。
在用两个检流计镜子来偏转x方向和y方向的激光束的情况下，加工了10厘米×10厘米的面积。铜钻孔的激光束在外孔区用大约25微米的聚焦激光束的点直径在少量的同心圆内运动，然后自动抛出内区。外同心圆的直径为110微米。激光束的线速度为900毫米/秒。为了进行环氧树脂材料的钻孔，激光束被调到焦点外1.6毫米，但在这种情况下也描绘同心圆。在钻通环氧树脂材料后，位于下面的铜箔只受到轻微腐蚀。
铜箔的钻孔用每秒钟289孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒钟220孔的速度进行。所以钻入层板的盲孔以每秒120孔的速度进行。
例2
与例1不同的是，使用了具有相同激光参数的激光器II。这里铜箔的钻孔以每秒145孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒122孔的速度进行。所以钻入层压板的盲孔以每秒65孔的速度进行。
例3
与例1不同的是，盲孔被钻入材料II中，其结果是相当的。
例4
与例2不同的是，盲孔被钻入材料II中，其结果是相当的。
例5
与例1不同的是，这里制作直径为100微米的盲孔。铜箔的钻孔以每秒398孔进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒382孔进行。所以钻入层压板中的盲孔以每秒183孔的速度进行。
例6
与例2不同的是，这里制作直径为100微米的盲孔。铜箔的钻孔以每秒199孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒212的速度进行。所钻入层压板的盲孔以每秒99孔的速度进行。
例7
与例1不同的是，这里制作直径为75微米的盲孔。铜箔的钻孔以每秒750孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒800孔的速度进行。所以钻入层压板的盲孔以每秒300孔的速度进行。
例8
与例2不同的是，这里制作直径为75微米的盲孔。铜箔的钻孔以每秒370孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒400孔的速度进行。所钻入层压板的盲孔以每秒150孔的速度进行。
例9
与例1不同的是，这里用改进的材料I，即在未增强的环氧树脂材料中添加了大约1.5％重量百分比的添加剂I。通过改善激光束的吸收度而可把环氧材料的钻孔速度提高互每秒550孔。层压板内盲孔的钻入速度可提高大约50％达到大约180孔。
例10
与例9不同的是，在未增强的环氧树脂材料中添加了大约1.5％重量百分比的添加剂II。其结果是相当的。
例11
与例9不同的是，在未增强的环氧树脂材料中添加了大约1.5％重量百分比的添加剂III。环氧树脂材料钻孔速度的提高在这里有所下降。
例12
与例9不同的是，这里使用了具有相同激光参数的激光器II。环氧树脂材料钻孔速度可提高到每秒306孔。
例13
与例9不同的是，这里制作直径为100微米的盲孔。环氧树脂材料的钻孔速度为每秒956孔。
例14
与例12不同的是，这里制作直径为100微米的盲孔。环氧树脂材料的钻孔速度为每秒531孔。
例15
与例3不同的是，这里使用了改进的材料II，即FR4材料作为环氧树脂材料构成，而不用大约以50％重量百分比的添加剂IV的纤维增强的一般玻璃纤维增强材料。环氧树脂材料的钻孔速度可提高2至2.5倍。
当然，也可制作通孔来代替例1至15所述的盲孔。在这种情况中，在相同条件下，用上铜箔的钻孔相同的时间消耗进行上铜箔的钻孔。

Claims (13)

1.具有至少一层金属层和至少一层用一种有机材料制成的电介质层的层压板的激光钻孔方法，其特征为，所用的倍频钕-钒酸盐激光器具有如下的激光参数：
-脉冲宽度   ＜40纳秒；
-脉冲频率   ≥30千赫，用于金属层，
            ≥20千赫，用于电介质层；
-波长       ＝532纳米。
2.按权利要求1的方法，其特征为，使用的脉冲宽度＜30纳秒。
3.按权利要求1或2的方法，其特征为，所用的聚焦激光束具有10微米和100微米之间的点直径。
4.按权利要求3的方法，其特征为，所用的聚焦激光束具有20微米和40微米之间的点直径。
5.按前述权利要求任一项的方法，其特征为，在该有机材料中添加了添加剂，这些添加剂可很好地吸收波长为532纳米的激光束。
6.按权利要求5的方法，其特征为，作为添加剂使用至少一种无机的和/或有机的颜料和/或至少一种聚合物可溶性颜色和/或至少一种纤维状的填料。
7.按权利要求6的方法，其特征为，作为添加剂使用至少一种无机的红颜料和/或一种有机的红颜料和/或一种聚合物可溶性红颜料。
8.按权利要求6或7的方法，其特征为，在该有机材料中添加的颜料介于按重量百分比计算的0.1％和5.0％之间。
9.按权利要求6或7的方法，其特征为，在该有机材料中添加的颜料介于按重量百分比计计算的1％和2％之间。
10.按权利要求5至9任一项的方法，该有机材料通过加入添加剂对波长为532纳米的激光照射具有至少50％的吸收度。
11.按权利要求5至9任一项的方法，其特征为，该有机材料通过加入添加剂对波长为532纳米的激光照射具有至少60％的吸收度。
12.按权利要求5至9任一项的方法，其特征为，该有机材料通过加入添加剂对波长为532纳米的激光照射具有至少80％的吸收度。
13.具有至少一层金属层和至少一层用一种有机材料制成的电介质层的层压板的激光钻孔装置，包括一个具有下列激光参数的倍频钕-钒酸盐激光器：
-脉冲宽度     ＜40纳秒；
-脉冲频率     ≥30千赫，用于金属层，
              ≥20千赫，用于电介质层；
-波长         ＝532纳米。
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