TW499344B - Switchable wavelength laser-based etched circuit board processing system - Google Patents

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經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 499344 A7 _____ B7 五、發明說明（I) 相關申請案 本申請案主張於1999年12月7日提出申請之美國臨 時專利申請案號60/253，120之優先權。 發明領域 本發明是關於以雷射爲基礎之微機械加工，特別是指 一種可以雙換波長的雷射用以形成鈾刻電路板中導體與介 電層的通孔。 發明背景 在習知技術中有許多種技術使用不同的雷射能量波長 來切割蝕刻電路板(ECBs)的導體與介電層。例如，之前的 工作人員在單一蝕刻電路板處理系統中使用紅外線(IR)Nd :YAG雷射與C〇2雷射。YAG雷射光束處理銅層的品質能 夠被接受，CCb雷射處理介電層的產出較高。 在其他的例子中，美國專利第5,847,960號“多工具定 位系統”，其讓與給本申請案的受讓人，其中描述一種多 種速度、多種工具的定位裝置用以切割蝕刻電路板的盲通 孔。這些工具有一半是紫外線(UV)雷射，能夠很容易地切 開導體與介電層。另一半的工具是紅外線雷射，只能夠輕 易地切開介電層。紫外線雷射被控制來切割上面的導體層 以及底下介電層的一部份，而紅外線雷射則是被控制來切 割剩下的介電層，其沒有切穿或損害到底下的第二導體層 。追樣組合的雷射處理步驟對於切割触刻電路板的盲通孔 具有一寬廣的製程窗。 在蝕刻電路板處理的工作人員都知道紫外線雷射的波 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線— _ 499344 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（y) 長展現出較高的聚合材料處理品質，例如一寬廣的製程窗 、小光束尺寸、以及淸潔的孔洞。然而由於紫外線雷射受 到現有紫外線功率的限制，在許多應用上其處理的產出受 到限制。再者，使用二種雷射過於複雜及昂貴，並且典型 地需要各別的光學以及使人厭煩的對準過程。 由於這些問題，某些先前的工作人員建議使用具有可 變換波長的單一雷射。特別是在美國專利號碼第5,321，268 號中提出一種「可變換二種波長的頻率轉換雷射系統以及 其功率控制」，其讓與給本申請案的受讓人，其中描述了 這樣的一種雷射以及其使用在半導體通孔切割方面。然而 ，它的效率也相當的低落，並且對於蝕刻電路板處理其紫 外線輸出功率不足。 因此，有必要提出一種較簡單、有效率、具經濟效益 、高產出的方式來處理蝕刻電路板的通孔。 本發明之槪要 因此，本發明之一目的在提供一種可變換波長的電射 裝置及方法，能夠適用於蝕刻電路板的處理。 本發明之另一目的在提供一種高產出之鈾刻電路板通 孔的形成方法與裝置。 本發明之一種可變換波長的雷射係基於一種固態的頻 率轉換雷射源，其類型爲通常使用一第四諧波紫外線雷射 光束來進行處理，而一第二諧波“綠光”雷射光束被拋棄並 且被浪費。然而，本發明之一較佳的實施例係使用通常被 浪費的綠光雷射光束來處理蝕刻電路板的銅層，由於綠光 4 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線丨 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 499344 A7 B7 五、發明說明（巧） 能量的功率高於紫外線能量因而能夠增加製程的產出。本 發明使用一M Pockel晶胞爲基礎的波長選擇技術，因此切 換綠光束或者紫外線光束射到工件上處理不同的材料。 綠光雷射能量的銅通孔處理品質相信是優於紅外線雷 射能量’這是因爲銅對於綠光能量高度的吸收之緣故。紫 外線能量優越的介電層處理品質被維持。本發明只需要單 一軌雷射源，因此較爲簡單、較具經濟效益、較有效率、 不需繁複的對準步驟，且具有較高的製程產出。 本發明之其他的目的及優點將伴隨著底下較佳實施例 的詳細說明及對應的圖式而變得更加的淸楚。 圖式簡要說明 第1圖顯示本發明之一種可變換波長雷射的微機械加 工系統的簡單方塊圖。 第2A至第2C圖係在使用第1圖所示之可變換波長雷 射處理的情況下，鈾刻電路板其導體與介電層的剖視圖。 元件圖號說明： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10 可變換波長之雷射 12 雷射源 14 非線性晶體 15 綠光雷射光束 16 Pockel晶胞 18 Pockel晶胞驅動器 20 鏡子 22 綠光傾倒中止 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 499344 A7 __ B7 五、發明說明（) 24 工件 26 紫外線光束 28 綠光束 30 蝕刻電路板 32 第一導體層 34 第二導體層 36 第三導體層 38 第一介電層 40 第二介電層 42 孔洞 44 孔洞 46 孔洞 48 孔洞 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 詳細說明 第1圖顯示一可變換波長之雷射10，其使用一雷射源 12產生一第二諧波綠光波長的雷射能量。一產生第四諧波 的非線性晶體(NLC)接收綠光能量，並且將其中一部份轉換 成紫外線能量。 雷射源12可以是，例如，一 l，064nm的Nd:YAG或者 Nd:YV〇4 雷射，或者一 l，053nm 或 l，047nm 的 Nd:YLF 電射 。一 Q切換、產生第二諧波的非線性晶體、以及共振鏡即 是雷射源12的所有部份。儘管波長少於大約355nm較爲適 當，雷射源較佳者爲一 l，064nm的Nd:YAG雷射，其係產 生一 532nm的綠光雷射光束15。本發明中的非線性晶體可 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

一-口， ϋ n ϋ 1_ I- n ϋ I I 1 n I n n I n n n n n ϋ 1 n n ϋ ϋ n n ϋ n I I 499344 A7 B7 五、發明說明（ζ ) 以是由BB〇、LBO、或CLBO晶體，或且任何其他適用於 產生紫外線的非線性晶體材料所形成。 波長的選擇係使用一 Pockel晶胞16，其係介於雷射源 12與非線性晶體14之間。Pockel晶胞16被一 Pockel晶胞 驅動器18啓動。當Pockel晶胞驅動器18沒有送出驅動電 壓給Pockel晶胞16時，來自雷射源12的一部份綠色雷射 光束15被非線性晶體14轉換成紫外線能量，剩餘的是殘 留的綠光能量。紫外線能量偏振被非線性晶體14相對於綠 光雷射光束旋轉90度。一鏡子20被設計來幾乎100%地反 射進來之具有與紫外線能量相同偏振的雷射光束能量。因 此，剩餘的綠光能量經由鏡子20傳導至一綠光傾倒中止 22，而大部份的紫外線能量被反射至一工件24，例如鈾刻 電路板，來進行處理。反射的紫外線能量在以下被稱爲紫 外線光束26，其具有之波長少於大約266nm。 當Pockel晶胞驅動器18送出一預定的電壓至Pockel 晶胞16,綠光雷射光束15的偏振被旋轉90度。這避免非線 性晶體14產生任何的紫外線，因爲綠光能量偏振此時並不 適於頻率轉換。然而，綠光能量偏振對於鏡子20的反射是 恰當的，因而，基本上所有的綠光能量被反射至工件24以 進行處理。反射的綠光能量在以下稱爲綠光束28，其具有 之波長少於大約532nm。 本發明一典型的運用係處理工件24的孔洞，例如切割 單或多層、單面或雙面之蝕刻電路板的通孔。多層蝕刻電 路板的製作典型地係由定位、堆疊在一起、形成薄板、並 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) n I ϋ ϋ n ϋ· 一0Jt n I n n n n n I n - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499344 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（G) 且壓成0.05〜0.08毫米(0.002〜0.003英吋)厚的電路板層。每 一層典型地包含一不同的內連接墊與導體圖案，在經過處 理之後組成一複雜的電氣元件安裝與內連接裝置。蝕刻電 路板之組成與導體密度的趨勢是隨著積體電路的高度集積 化而增加。因此，鈾刻電路板之孔洞的定位準確度、以及 尺寸容許度亦成比例地增加。 對於任何的孔洞處理工具來說，處理通孔都是一項困 難的挑戰，這是因爲牽涉到嚴格的深度、直徑、以及位置 容許度。這是因爲通孔典型地係穿過一第一導體層(例如銅 、鋁、金、鎳、銀、鈀、錫、鉛)來處理，穿過一層或多層 的介電層(例如聚醯亞胺、FR-4樹脂、苯並環丁烯、雙馬來 醯亞胺三氮啡、氫酸鹽酯爲基礎的樹脂、陶瓷)直到、但未 穿過第二導體層。結果產生的通孔係典型地鍍上一層導體 材料以電性連接第一與第二導體層。 某些應用需要切割出較大的孔洞，直徑大約200微米 左右。由於紫外線雷射光束典型地具有一只有大約20微米 的光束直徑’紫外線能量應沿著螺旋狀與環狀路徑來切割 孔洞。然而’綠光能量具有較大的光束直徑，因此將切割 出具有相對較大直徑的孔洞。 藉由可變換波長雷射10之範圍的正負0.13毫米(正負 0.005英吋)的深度，蝕刻電路板厚度變化是很容易能夠適 應的。 可變換波長之雷射10所產生之紫外線光束26與綠光 束28原本便呈同一直線，適用於使用在處理不同材料形成 8 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 夢 . -丨線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 499344 A7 -------------B7____ 五、發明說明（q ) 的触刻電路板’例如銅導體層與聚醯亞胺介電層。綠光束 28較佳者用來處理銅層，紫外線光束％較佳者用來處理 聚醯亞胺或者其他聚合材料形成的介電層。一般而言，本 發明提供的綠光能量多於紫外線能量。藉由使用綠光束28 來處理銅，可以實現較高的處理產出，而藉由使用紫外線 光束26處理介電層，能夠維持較高的處理品質。 第2A圖至第2C圖顯示一示範的多層蝕刻電路板3〇， 其具有一第一、第二、以及第三導體層32、34以及30分 別被第一與第二介電層38與40隔開。在這個典型的例子 中，在壓合第一與第二介電層38與4〇之前，第一與第二 導體層32與34被蝕刻至預定的圖案。在這個例子中，第 三導體層36係一導電平面的“接地平面，，層。鈾刻電路板 30較佳者係隨著可變換波長之雷射1〇進行處理，其起始 地切換至產生綠光束28。 第2Α圖顯示綠光束28落在第一導體層32。 第2Β圖顯示綠光束28穿過第一導體層32來處理一孔 洞42 ’其落在並且部份地處理第一*介電層38。在這個時候 ’可變換波長之雷射10從產生綠光束28切換至產生紫外 線光束26。 弟2C圖顯不紫外線光束26透過第一^介電層38處理孔 洞44，並且落在第二導體層34上。如同前面所描述的， 紫外線光束26較佳者沿著螺旋狀或者環狀路徑處理在第一 介電層38中的孔洞44。由於紫外線光束26相對較低的能 量，以及導體層的反射，孔洞44自我終止在第一導體層 9 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - 訂---------線丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 499344 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（^ ) 34，導致一寬廣的製程窗。 第2C圖更進〜步顯示孔洞46與48分別延伸穿過第三 導體層36與第二介電層4〇。孔洞46與48較佳者係以如同 孔洞42與44相同的方式進行處理，但隨著蝕刻電路板％ 顛倒，使得綠光束28與紫外線光束26分別處理第三導體 層36與第二介電靥4〇。 熟習該項技藝者將能夠了解本發明的部份也許可以使 用不同於上述實施例的描述來實施。例如，不同的雷射、 不同的諧波、波長、以及功率準位可以被使用來處理蝕刻 電路板中許多不同的材料組合以及其他的微機械加工應用 。雷射源12典型地需要一發出雷射光的媒介(弧光燈、雷 射二極體等等)光學幫浦源、一光學幫浦源的冷卻系統、以 及控制電子裝置。一雷射二極體幫浦源是較佳的。倍頻紅 外線雷射源12之基本頻率係第二諧波綠光能量，然後再次 倍頻係產生第四諧波紫外線能量。亦可以是混合紅外線與 綠光能量的頻率係產生第三諧波紫外線能量。 對於一般具有本項技術者而言，許多其它的修改係可 對於本發明的上述實施例之細節進行，而不脫離本發明的 基礎原理。於是，將可體認到本發明也可應用至除了在飩 刻電路板製造以外之以雷射爲基礎的爲機械加工應用。因 此，本發明的範疇應該只藉由以下的申請專利範圍來決定 10 --------訂---------線丨» (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 499344 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1、 一種用以處理在一蝕刻電路板之孔洞的裝置，該蝕 刻電路板係包括被一介電層分隔開之至少第一與第二導體 層’該裝置係包括： 一單一軌雷射系統，其係可選擇性地產生一綠光波長 光束與一紫外線波長光束，該綠光波長光束係穿過該第一 導體層以及該介電層的一部份以處理一孔洞，該紫外線波 長光束係穿過該介電層剩餘的部份來完成處理該孔洞，並 且在該第二導體層上，該紫外線波長光束係中止處理動作 〇 2、 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該單一軌 雷射系統係包括一紅外線雷射與一倍頻非線性晶體以產生 該綠光波長光束。 3、 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該非線性 晶體係由BB〇、LB〇、或者CLBO晶體形成。 4、 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該單一軌 雷射系統更包括： 一偏振切換晶胞，用以在第一與第二偏振狀態之間切 換該綠光波長光束； 一產生諧波的非線性晶體，當其在該第一偏振狀態接 收到該綠光波長光束時，在該第二偏振狀態下產生紫外線 波長光束，並且在該第一偏振狀態下傳導剩下的綠光波長 光束，並且當其在該第二偏振狀態接收該綠光波長光束時 ，在該第二偏振狀態下傳導該綠光波長光束；以及 一偏振選擇鏡，其係反射在該第二偏振狀態的光束， 1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、言.

   經齊部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 499344 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 α D8 六、申請專利範圍 使得該紫外線波長光束與該綠光波長光束反射至該蝕刻電 路板，並且剩下的綠光波長光束透過該鏡子傳導，而遠離 該蝕刻電路板。 5、 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該非線性 晶體係由BB〇、LB〇、或者CLBO晶體形成。 6、 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該單一軌 雷射系統係包括一 Nd:YAG、Nd:YV〇4、或Nd:YLF雷射。 7、 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該綠光波 長光束之波長少於532nm。 8、 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第一與 第二導體層之材料係由銅、鋁、金、鎳、銀、鈀、錫、以 及鉛中至少一種所構成的。 9、 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該介電層 的材料係選自聚醯亞胺、FR-4樹脂、苯並環丁烯、雙馬來 醯亞胺三氮啡、雙馬來醯亞胺三氮啡、以及陶瓷所組成的 群組中。 10、 一種用以處理蝕刻電路板之孔洞的方法，該t虫刻 電路板包括被一介電層分隔開之至少第一與第二導體層， 該方法係包括下列步驟： 提供一單一軌雷射系統，該單一軌雷射系統可選擇性 地產生一綠光波長光束與一紫外線波長光束； 切換該單一軌雷射系統，以產生綠光波長光束； 以該綠光波長光束穿過該第一導體層與該介電層的一 部份來處理一孔洞； 2 ( CNS ) ( 210 X 297^¾ ) 一 '~~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1T 線 499344 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 切換該單一軌雷射系統，以產生紫外線波長光束；以 及 以該紫外線波長光束穿過該介電層剩下的部份處理該 孔洞。 11、 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中提供該 單一軌雷射系統的步驟更包括下列步驟： 提供一偏振切換晶胞用以在第一與第二偏振狀態下切 換該綠光波長光束； 提供一諧波產生非線性晶體，其在該第一偏振狀態接 收到該綠光波長光束時，在該第二偏振狀態產生紫外線波 長光束，並且在該第一偏振狀態傳導剩下的綠光波長光束 ’並且其在該第二偏振狀態接收該綠光波長光束時，在該 第二偏振狀態傳導該綠光波長光束；以及 提供一偏振選擇鏡，其反射在該第二偏振狀態的光束 ’使得該紫外線波長光束與該綠光波長光束反射至該蝕刻 電路板，並且剩下的綠光波長光束透過該鏡子傳導，遠離 該餘刻電路板。 12、 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中更包括 沿著螺旋狀或者一環形路徑偏斜該紫外線波長光束，以便 在該介電層剩下的部份處理該孔洞。 13、 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中更包括 在該第二導體層中止處理該孔洞。 14、 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該中止 處理的步驟是由於該紫外線波長光束的功率準位不足以處 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499344 A8 B8 ___J__ 六、申請專利範圍 理該第二導體層所導致之自我中止的步驟。 15、 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該中止 處理的步驟係由於該紫外線波長光束在該第二導體層產生 的反射所導致之自我中止的步驟。 16、 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該中止 處理的步驟是由於該紫外線波長光束的功率準位不足以處 理該第二導體層以及由於該紫外線波長光束在該第二導體 層產生的反射中至少一種所導致之自我中止的步驟。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 釐 9 2