CN1511433A - 采用激光束打微型孔的方法 - Google Patents

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Abstract

使用一个固体激光器(1)在一个多层基底(10)上打微型孔，该多层基底具有一个第一金属层和至少一个第二金属层(11，12)，并在每两个金属层之间设置一个电介质层(13)，利用所述固体激光器的光束在一个第一阶段去除金属层(11)，在一个第二阶段去除电介质层(13)直至第二金属层(12)。在第一阶段中，将激光束调节到至少为15千赫兹的重复频率，在第一金属层上聚焦，在与所要求的孔直径相应的圆周内多次移动，直至将该金属层切断。然后，在第二阶段中，将激光束调节到最好更小的重复频率上，在焦点之外对准孔内露出的电介质层(13)，以高于第一阶段的循环速度在一个或者多个同心圆内移动，直至去除掉孔范围内的电介质。通过调节散焦和循环速度来选择第二阶段中的有效能量密度，使有效能量密度低于去除第二金属层的界限。

Description

采用激光束打微型孔的方法
本发明涉及一种用于在一个多层基底上打微型孔的方法，该多层基底具有一个第一金属层和至少一个第二金属层、并在每两个金属层之间设置一个电介质层，所述打孔通过采用固体激光器的能量束的辐射来进行，其中，辐射在两个阶段中这样进行，在第一阶段中分别去除第一金属层和一部分位于第一金属层下面的电介质层；在第二阶段中将电介质层整洁地一直去除到第二金属层。
在电路基底小型化的进程中，对制造直径小于200微米的通孔以及盲孔的需求日益增长，而采用机械钻头或者冲针是几乎不可能完成的。在该领域长期惯用的做法是借助于激光钻孔来制造微型孔。然而，在这种情况下出现的问题是，一方面不同的材料、也就是导体材料例如铜和另一方面电介质、例如具有或者没有进行玻璃纤维强化的聚合物对激光加工提出了截然不同的要求。绝对公知的是，哪些激光器在哪些波长范围内最适合于在金属上打孔或者在塑料上打孔。如果多层基底采用同一个激光器打通孔，或者为产生与金属中间层的电连接而设有盲孔的话，又会出现问题。在对这类不同材料层进行打孔时，会产生负面的热效应、例如金属层和电介质层之间的分离效应，损坏电介质本身、或者将本该与盲孔接触的金属层意外打穿。
在US 5 593 606 A中描述了一种多层基底上对微型孔进行打孔的方法，其中，借助于具有同一个确定尺寸的UV-激光器将具有不同特性的至少两层完全打穿。但如果激光束这样确定尺寸，使它打穿第一金属层，此后完全去除电介质层，那么在没有通过相应的测量装置确定达到要求的孔深和及时停止打孔过程的情况下，无疑会存在这样的危险，即它在第二金属层处不能及时停住，此时第二金属层或多或少会共同受到侵蚀。
为解决这一问题，US 5 841 099提出了(在对两层进行打孔时)两阶段的方法，其中，在第一阶段中将激光器调整到较高的能量密度而对第一金属层打孔；其中，在第二阶段中如此降低激光器的能量密度而对电介质层进行打孔，使其不超过金属蒸发的界限。因此，激光器由于其降低的能量密度不会再打穿与电介质层邻接的第二金属层。为了在第二阶段调整这种降低的能量密度，在此处建议提高激光器的重复频率。然而，按照这种方式不能最佳利用激光器能量并获得最佳的加工速度。
因此本发明的目的在于，借助于一种激光器进行打微型孔的上述已知的两阶段方法这样完成，使得可以在最佳利用激光器功率的情况下，以高质量和尽可能高的加工速度制造微型孔。
采用根据本发明的方法该目的得以实现，即在一个多层基底上打微型孔，所述多层基底具有一个第一金属层和至少一个第二金属层，并在每两个金属层之间分别设置一个电介质层，所述打孔通过固体激光器以至少10千赫兹的重复频率、小于1100纳米的波长和小于50纳秒的脉冲宽度的能量束的辐射来进行，其中，辐射分两个阶段如此进行：在第一阶段中分别去除第一金属层和一部分位于所述第一金属层下面的电介质层；在第二阶段中将电介质层整洁地一直去除到第二金属层，包括下列步骤：
-在第一阶段中，将激光束调整到至少为15千赫兹的重复频率并在第一金属层上聚焦，以第一循环速度在与所要求的孔直径相应的圆周内多次移动，直至至少将第一金属层切断，其中，完全去除在孔范围内的金属层；以及
-在第二阶段中，将激光束调整到等于或者小于第一阶段的重复频率上，在焦点之外对准孔内露出的电介质层，以高于第一循环速度的循环速度在所要求的孔直径内部的一个或者多个同心圆周内多次移动，直至去除在孔范围内的电介质层，其中，这样调整散焦和/或者第二速度，以使有效能量密度在第二阶段低于用于去除第二金属层的界限。
因此在根据本发明的方法中，不像现有技术中那样，为降低有效能量密度在第二阶段去除电介质时提高重复频率，而是最好降低或者最多保持在与第一阶段相同的参数上。更确切地说，降低有效能量密度是通过散焦、因此也是通过扩大由激光束所击中的光点直径来完成的，此外还通过提高循环速度，由此缩短单个激光脉冲对准确定平面的作用时间。
为在第一阶段中在金属层(铜层)上的孔进行打孔，一般可以将激光器在与所要求的孔直径相应的唯一圆周内这样反复移动，直至将金属层切出圆周状就足够了。在达到直径150微米的情况下，切出的金属芯由于热效应自动脱开并从中弹出。在更大直径的情况下，附加脉冲可以对切开的金属芯进行加热。
为获得金属层上整洁的孔边缘，在激光打孔的第一阶段争取达到构成圆周的单个脉冲的高重叠(＞50％)。为此目的，为该第一阶段选择至少为15千赫兹、最好为20和30千赫兹之间的较高重复频率。在该范围内，虽然可使用的激光器不再提供最大的平均功率，但是最好使用钕-钒酸盐-激光器(Nd：VO4-激光器)，在更高的重复频率下功率下降仍然相当小。这样，在焦点直径为12微米的、3.5瓦的355纳米-钕-钒酸盐-激光器上可以达到大于175毫米/秒的线性循环速度。在更高功率的激光器上，由于更高的重复频率也可以达到更高的速度。波长为532纳米的钕-钒酸盐-激光器使用效果也很好。
在第二阶段中，电介质材料可以通过引导激光器而在至少两个同心圆内去除，在这种情况下不要求相继激光脉冲的重叠。在这里大致这样选择重复频率，以便使用最大可使用的激光功率进行材料去除。这种最大的功率已知在Nd：VO4-激光器上是在较低的重复频率时、也就是在约为10至20千赫兹时产生的。在这种情况下，有效能量密度与低于金属蒸发界限数值的匹配如上所述，通过扩大辐射的光点直径、也就是通过散焦或通过改变视准管的放大率来完成。此外，最好这样提高循环速度，使单个脉冲不再仅仅击中与辐射直径相应的光点，而是其能量通过润滑效应分布到更大的面上。
在使用功率更高的钕-钒酸盐-激光器的情况下也可以设想，在第二阶段中不让激光束在圆周内循环，而是如此扩张光束，使它覆盖整个孔面。在这种情况下，利用光束的中心调节来去除电介质，其中，在第一阶段中从金属层中切出的孔起到掩模的作用。
下面借助附图的实施例对本发明作详细说明。附图示出：
图1采用用于根据本发明的方法的第一阶段的调节方式的激光器装置；
图2采用用于根据本发明的方法的第二阶段的调节方式的图1的激光器装置；
图3A至3C在根据本发明的方法的第一实施方式中对微型孔进行打孔时，不同阶段中基底的剖面图；
图4为了制造根据图3A和3B的孔在根据本发明的方法的第一阶段控制激光束的示意图；
图5为了制造根据图3C的孔在根据本发明的方法的第二阶段控制激光束的示意图；
图6A至6C在根据本发明的方法的第二实施方式中制造微型孔时，不同阶段中基底的剖面图；
图7为了制造根据图6A和6B的金属层上的微型孔的激光束控制的示意图；
图8为了制造根据图6C的微型孔在电介质层上激光束控制的示意图；
图9用于说明不同半导体激光器根据重复频率的平均输出功率的曲线图；
以及
图10用于说明355纳米波长的钕-钒酸盐-激光器根据脉冲重复频率的平均输出功率和脉冲宽度的曲线图。
具体实施方式
在图1和2中简要地和并非按正确比例示出的设置表明，一个激光器1具有一个致偏部分2和一个光学投影部分3，激光束4通过它们对准基底10。该基底具有一个上部第一金属层(铜层)11以及一个第二金属层12，其间设置一个电介质层13。该电介质层由一种例如RCC的聚合材料或者例如FR4的玻璃纤维强化的聚合材料制成。与一般由铜制成的金属层为了加工或去除始终要求使用相同的能量(在相同厚度和相同体积情况下)相反，电介质上需要的能量完全取决于其成分。还要提及的是，基底10也可以由多于所述的三层组成，其中，其它金属层分别通过电介质层彼此隔开，可以选择通过相应的孔相互并与最上部的金属层11连接。
在该实施例中，第一金属层11通过盲孔14与第二金属层12连接，而无需将层12打穿。该孔14的直径例如为约100到120微米，但也可以增大或者减小。
根据本发明，在两个阶段中完成打孔。图1示出第一阶段的设置，其中，激光束4在层11的表面焦点F1上聚焦。在这种情况下，激光束的能量对准一个直径为f1的光点(斑点)，以便使能量尽可能地聚焦而去除金属层11。在这种情况下，如图4所示，激光束在直径为D1的圆周内移动。在该圆周D1内的循环速度这样选择，使单个脉冲例如以大于60％进行重叠。按照这种方式，从金属层中切出一个光滑的边缘。根据金属层的厚度，需要一定数量的圆周循环，直至金属层完全切断。图3A和3B示出不同状态下该阶段1在时间上的变化。金属根据图3A环状切出，直至金属层断开。.比后，(至少在孔直径小于150微米的情况下)分离的芯由于热效应自动弹出，从而产生图3B的状态。
在打穿金属层11后，将激光器根据图2这样调节，使焦点F2处于所要打孔的孔范围的外面，也就是例如铜层12上面的s为2毫米处。在所要打孔层的部位上，激光束因.此击中直径为f2的光点。此外，最好降低重复频率，以便利用最大的激光能量。现在再次使这样调整的激光束在圆内移动，具体地说，先在直径为D1的圆内、此后在直径为D2的同心圆内移动。对于正常的孔直径和材料厚度来说，此时较少的循环就足够按照这种方式将电介质材料完全和整洁地一直去除到第二金属层12。即使在激光束循环时没有重叠整个孔面的情况下，剩余的电介质也会由于析热而同时蒸发。根据材料、材料厚度和所要求的孔直径，当然也可以采用激光束来完成更多同心圆。在这种情况下循环速度这样选择，使有效能量密度低于第二金属层12的蒸发的界限。最终产生根据图3C的盲孔14。
如借助图1和2可以看出的那样，首先为所有打孔14完成第一阶段，也就是说，为所有设置的孔首先打穿金属层，从而达到根据图3B的状态。此后将激光器调节到第2阶段，通过去除电介质层而完成所有的孔。
对于图3A至3C以及4和5中示出的实施例来说，采用波长355纳米的Nd：VO4-激光器进行打孔，具体地说直径为110微米。在这种情况下按照下列条件进行加工：
    条件   第1阶段   第2阶段
    材料/厚度   Cu/12微米   RCC/65-70微米
    圆周直径的数量     1     2
    圆周循环     4     2
    循环速度   200毫米/秒   400毫米/秒
    重复频率   30千赫兹   10千赫兹
    焦点 在(第一)金属层11上 在金属层11上方2毫米
    光点直径   13微米   20微米
    能量/脉冲   0.11兆焦耳   0.32兆焦耳
    总能量密度(每个孔打孔时间累加)   525焦耳/平方厘米   84焦耳/平方厘米
在这种调节中，第一阶段产量为每秒130个孔，第二阶段产量为每秒305个孔。
现借助图6A-6C、7和8介绍具有略有变化的调节的另一实施例。如上述实施例那样，金属层也由铜制成，而电介质层现在由采用玻璃纤维进行强化的FR4制成。为了在这种情况下也可以尽可能有效地制造孔，在第1阶段采用比仅用于切断金属层11所需要的激光束4更多的循环。按照这种方式，在第一阶段至少是在边缘范围内就已经很深地切入电介质层12(图6B)。为了使用尽可能高的激光能量，在这种情况下选择更低的重复频率，即20千赫兹。由此少于上述实施例中的单个脉冲相切，如在与图4对照的图7中所示的那样。但是这通过更大的循环数量得到补偿，从而尽管如此铜内仍形成平滑的边缘。在第二阶段内，将激光器调节到与第一实施例中相同的10千赫兹的重复频率。当然，这里的(在两个同心圆D1和D2内的)激光束循环已经足够去除剩余的电介质。具体说，在该实施例中适用于下列参数：
    条件 第1阶段 第2阶段
    材料/厚度 Cu/12微米 FR4/65-70微米
    圆周直径的数量 1 2
    圆周循环 7 1
    循环速度 200毫米/秒 400毫米/秒
    重复频率 20千赫兹 10千赫兹
    焦占 在第一金属层11上 金属层11上方2毫米
    光点直径 13微米 20微米
    能量/脉冲 0.19兆焦耳 0.32兆焦耳
    总能量密度 1036焦耳/平方厘米 42焦耳/平方厘米
在该第二实施例中，第一阶段产量为每秒77个孔，第二阶段产量为每秒543个孔。
图9示出具有355纳米或532纳米的钇铝石榴石激光器(Nd：YAG-激光器)与Nd：VO4-激光器在某种重复频率情况下其功率的对比。在这里可以明显看出，Nd：VO4-激光器在其平均功率上明显上升到重复频率为10千赫兹处的上面，在20和30千赫兹之间达到其最大值，而Nd：YAG-激光器的最大值为在5千赫兹时，此后剧烈下降。由此表明，Nd：MO4-激光器为根据本发明的方法提供了明显的优点。
图10再次示出在取决于具有波长355纳米的Nd：VO4-激光器的重复频率的情况下，功率与脉冲宽度共同的变化。由此表明，在10和40千赫兹之间的重复频率的优选利用范围内，激光器的平均输出功率处于最大范围内，而脉冲宽度低于约35纳秒。

Claims (11)

1.一种用于在一个多层基底(10)上打微型孔(14)的方法，该多层基底具有一个第一金属层(11)和至少一个第二金属层(12)，并在每两个金属层之间设置一个电介质层(13)，所述打孔通过固体激光器(1)以至少10千赫兹的重复频率、小于1100纳米的波长和小于50纳秒的脉冲宽度的能量束的辐射来进行，其中，辐射分两个阶段进行，在第一阶段中分别去除第一金属层和一部分位于第一金属层下面的电介质层；在第二阶段中将电介质层整洁地一直去除到第二金属层，包括下列步骤：
-在第一阶段中，将激光束(4)调节到至少为50千赫兹的重复频率，并在第一金属层(11)上聚焦，以第一循环速度在与所要求的孔直径(D1)相应的圆周内多次移动，直至至少将第一金属层(11)切断，其中，完全去除在孔范围内的金属层；以及
-在第二阶段中，将激光束(4)调整到等于或者小于第一阶段的重复频率上，在焦点之外对准孔(14)内露出的电介质层(13)，并以高于第一循环速度的循环速度在所要求的孔直径内部的一个(D1)或者多个(D2)同心圆内多次移动，直至去除在孔范围内的电介质层，其中，调整散焦(s)和第二速度，以使有效能量密度在第二阶段中低于第二金属层去除的界限。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用波长为355纳米的钕-钒酸盐-激光器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用波长为532纳米的钕-钒酸盐-激光器。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第一阶段中将重复频率调节到约15千赫兹和约40千赫兹之间，在第二阶段中将重复频率调整到约10千赫兹和20千赫兹之间，其中，第二阶段的重复频率始终等于或者小于第一阶段。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在所述两个阶段中将重复频率调节到15千赫兹。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，激光束(4)的循环速度在第一阶段中处于200和300毫米/秒之间，在第二阶段中处于200和600毫米/秒之间，但在任何情况下在第二阶段中的循环速度都要高于第一阶段中的循环速度。
7.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，循环速度在第二阶段中高于600毫米/秒。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在所要求的孔直径大于150微米时，在第一阶段中将激光脉冲的附加圆周对准由激光束(4)所划定的圆周(D1)内部的范围。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，首先为加工范围的所有孔完成第一阶段，然后使激光器的调节发生改变，为该范围的所有孔实施第二阶段。
10.一种用于在一个多层基底(10)上打微型孔(14)的方法，该多层基底具有一个第一金属层(11)和至少一个第二金属层(12)，并在每两个金属层之间设置一个电介质层(13)，所述打孔通过固体激光器(1)以至少10千赫兹的重复频率、小于1100纳米的波长和小于50纳秒的脉冲宽度的能量束的辐射来进行，其中，辐射分两个阶段进行，在第一阶段中分别去除第一金属层和一部分位于第一金属层下面的电介质层；在第二阶段中将电介质层整洁地一直去除到第二金属层，包括下列步骤：
-在第一阶段中，将激光束(4)调整到至少为50千赫兹的重复频率，并在第一金属层(11)上聚焦，以第一循环速度在与所要求的孔直径(D1)相应的圆周内多次移动，直至至少将第一金属层(11)切断，其中，完全去除在孔范围内的金属层；以及
-在第二阶段中，将激光束调节到等于或者小于第一阶段的重复频率上，同心地对准孔内露出的电介质层，其中，将射束这样散焦，以使由所述射束辐射的光点与所要打孔的面积至少同样大小，在第一阶段从金属层中所切出的孔起到掩模的作用。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用波长为532纳米的钕-钒酸盐-激光器。
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