TWI426971B - 雷射鑽出具有改良錐度之孔洞的方法和裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於雷射處理一工作件，且具體言之，係關於在多層電子基板中雷射鑽出孔洞用以達成形成通孔(via)以允許在該等層之間進行電性互連之目的的方法和裝置。明確地說，本發明係關於在一工作件中雷射鑽出具有可選擇錐度的孔洞。
目前已製造的電子產品幾乎全部係藉由將電子組件附接至基板所建構而成的，例如其包含下面的器件：電腦、蜂巢式電話、以及其它消費性電子器件。電子組件包含積體電路、被動式器件、顯示器、以及連接器。基板係用來將該等電子組件固定在正確的地方並且在具有所希機械特性、熱特性、以及電性特性的組件之間提供電性連接。基板通常包含結合複數個導電成分的一或複數層非導電層，該等導電成分在電性方面會協同該等電子組件來發揮功能。形成非導體層的材料可能包含：結晶材料，例如矽或藍寶石；非晶體材料，例如非結晶矽或玻璃；燒結陶瓷材料，例如氧化鋁；或是有機材料，例如FR－4、聚醯亞胺、或ABF；或是前述材料之組合。導體會藉由各種製程形成在該基板之上或之中，該等製程包含：光刻沉積導體材料，例如多晶矽、鋁、或銅；使用網版印刷技術或噴墨技術來況積導體油墨；或是在基板之上或之中的疊層及/或圖案化導體層。
該些製程的共同需求係互連可能因非導電材料層而被分離的導電體。電子基板通常係由被排列成平面形式的導體層與非導體層所組成。圖1所示的便係由導電層或無機層10、12、以及14所組成的一多層基板的示意圖，該等導電層或無機層會藉由非導電層或有機層20來分離，其可能含有一或多層強化層24。
雷射通孔鑽鑿系統的效能係根據數項準則來評估，其包含總處理量、精確性、以及通孔品質。決定通孔品質的因素包含位置、形狀、碎片、以及錐度。錐度所指的係該等通孔側壁的形狀與角度。側壁錐度非常重要，因為在經過鑽鑿之後，通孔通常會被鍍上一導電材料，例如鍍銅，用以電性連接一多層基板中的複數層。高錐度(其中，該等壁部會非常平行)允許達成高品質且非常耐用的電鍍層。
本領域非常希望鑽出具有一特定錐度的高品質通孔，因為這會使其在該通孔底部的導體及頂端的導體之間提供良好的電性與機械性接觸。再者，提供一沒有任何碎片或是殘餘有機「污斑(smear)」的良好、有組織的表面，還可在該底部導體及該電鍍層之間達成良好的電性接觸，從而進一步改良通孔品質。同時，本領域還希望儘可能地維持極高的系統總處理量，其意謂著鑽鑿一通孔所花費的時間應該儘可能越少越好。在假定一雷射的最大重複率的前提下，這通常意謂著在所希的錐度及品質一致下，要儘可能利用越少的脈衝來鑽鑿該通孔。最後，本領域還希望實現一種系統與方法，用於以合理的成本與複雜度來達成上面
的目的。
Arai等人所提申，已受讓給Hitachi Via Mechanics,Ltd.的美國專利案第6,479,788號便試圖在鑽鑿通孔時藉由改變實質上為方形脈衝的脈衝寬度來解決此問題。此方式的困難在於其需要在非常高的速度下非常精確地控制該等雷射脈衝。因為現今的雷射可能每秒超過30,000個脈衝，所以，此系統需要能夠在非常高脈衝率、非常高功率處來修正具有可能為奈秒解析度之脈衝的控制與光學器件，其可能會降低系統可靠度並且提高成本。接著，本領域亦希望不需要對每一個脈衝進行精密的即時控制便可達成所希的錐度、品質、以及總處理量。
因此，對於用以在電子裝配件中雷射鑽出通孔之裝置的需求從未間斷，其必須能夠形成具有高錐度的通孔，同時維持可接受的系統總處理量、精確性、以及總品質。
所以，本發明的一目的便係提供一種具有雷射處理系統之形式的方法與裝置，其具有在包括電子基板的工作件中微加工高錐度通孔的改良能力。
於一實施例中，會藉由調整雷射脈衝參數來控制通孔錐度與品質，用以產生所希的結果。於要鑽鑿一盲孔貫穿有機材料抵達該基板內一非有機層的情況中，通孔鑽鑿可被分成兩個階段。在第一階段中，會儘可能利用少數的脈衝移除該通孔中的有機材料，同時維持該通孔所希的頂端直徑。在第二階段中，會從該通孔底部處移除剩餘的有機
材料，同時維持所希的底部直徑並且不會對該通孔底部處的無機導體造成破壞。本發明的目的便係決定單一組雷射脈衝參數，其能夠實現此製程第一與第二兩個階段的鑽鑿並且從而在該鑽鑿過程中達成更大的效率。
可被調整用以達成上面所述效果的雷射脈衝參數包含：脈衝能量、脈衝注量(pulse fluence)、脈衝持續長度、脈衝重複率、脈衝數量、脈衝光點尺寸、脈衝時間形狀、脈衝空間分佈、以及波長。本發明的目的係提供一種方法與裝置來選擇可用於單一通孔的兩個鑽鑿階段的單一組雷射脈衝參數。藉由使用單一組參數，便可以簡化該系統的控制架構，因為其不必在鑽鑿期間於行進中變更參數。鑽鑿效能亦可能會提高，在參數花費的時間大於該雷射之脈衝間間隔的情況中，部分脈衝會需要被捨棄，而無法用來對該工作件進行加工。
側壁的角度係通孔品質的一項重要決定性因素。假設側壁具有所希的筆直拓樸，那麼側壁角度或錐度便係該孔洞底部直徑與該孔洞頂端直徑的比率，其會以百分比來表示。圖2所示的係一具有約75%之錐度的通孔30，其中，該通孔30之底部處的外露導體直徑約為該通孔之頂端直徑的75%。圖2顯示出一具有一電鍍層36的通孔，該電鍍層係用來將導體10電性連接至導體12。錐度很重要的其中一項理由係，低錐度會讓已電鍍通孔更容易受到因所使用的各種材料之間的熱膨脹係數差異所造成的熱應力的影響。低錐度的通孔會比高錐度的通孔呈現更大比率的電
鍍層破裂(cracking)與剝離(delamination)。側壁應該非常筆直並且在該孔洞底部的直徑大於頂端處不應該呈現錐度。盲孔洞品質的另一項決定性因素係在該側壁和該底部導體接合的該孔洞底部處是否存在一有機材料「覆蓋區(foot)」，較佳的係，不存在一有機材料「覆蓋區」。不存在覆蓋區非常重要係因為該電鍍層品質的決定性因素中其中一項係和被電鍍在該通孔底部處的導體之面積有關。
藉由將具有預設脈衝參數的一或多道雷射脈衝導引至該基板上實質相同的位置來照射該基板的表面便可達成通孔鑽鑿的目的。該雷射脈衝的直徑和要被鑽鑿的通孔的尺寸具有相同等級。該等一或多道脈衝中的每一道脈衝均會移除該孔洞的材料，直到抵達所希的層為止。於此位置點處，倘若其判斷出在該通孔的底部處存在有機材料要被移除的話，一或多道具有相同預設脈衝參數組的雷射脈衝便會被導引至相同的位置，用以清除該通孔底部的剩餘有機材料，同時維持該孔洞所希的底部直徑。
較佳的CO2
處理雷射係操作在波長介於約9μm與約11μm之間的脈衝式CO2
雷射。一示範性的市售脈衝式CO2
雷射為位於美國康乃迪克州布隆菲爾德市的Coherent－DEOS所製造之型號為Q600的Q開關式雷射(9.3μm)。因為CO2
雷射無法有效地鑽鑿通孔貫穿金屬層12與14，所以，利用CO2
處理雷射來鑽鑿的多層工作件10會沒有金屬層12與14，或是在製備時會先利用UV雷射來預先鑽
鑿或使用另一製程(舉例來說，化學蝕刻)來預先蝕刻一目標位置，用以露出介電層20。
CO2
Q開關式雷射所呈現的時間輪廓通常係以「高斯」來描述；不過，檢查圖3顯示出，實質上高斯脈衝會被「尾部」所修正，該尾部代表當雷射作用下降時來自雷射腔的能量洩漏。本案申請人研究顯示，此脈衝形狀可有效地用來在多層材料中鑽鑿高錐度通孔。高斯時間分佈和高斯空間分佈不同，高斯空間分佈係雷射脈衝剖面的函數。本文所討論的雷射脈衝兼具高斯時間分佈和高斯空間分佈。在本文所揭示的雷射裝置中亦可以使用其它的固態雷射激射物(lasant)或是操作在不同波長處的CO2
雷射。本發明亦涵蓋各種類型的雷射腔配置、固態雷射之諧振生成、固態雷射與CO2
雷射的Q開關式操作、激昇技術、以及用於CO2
雷射的脈衝生成方法。對於使用非Q開關式雷射的情況來說，可能會使用額外的脈衝整形光學器件從較長的脈衝中形成較短的脈衝，直到並且包含操作在連續波(CW)模式中的雷射為止。
圖4所示的係在通孔鑽鑿過程期間材料移除的關係圖。X軸代表燒蝕深度而Y軸代表脈衝的數量。如圖4中所示，脈衝0至N0
會移除該通孔的大部份材料(bulkmaterial)，從而會在脈衝N0
處抵達下方的無機導體。接著會使用選配的δN脈衝來清除該通孔底部的剩餘有機材料。N0
的範圍通常可能係從1至數十個或數百個脈衝，端視於該等脈衝參數(例如脈衝注量及波長)以及要被移除的
材料數額而定。δN的範圍通常可能係從0至數十個或數百個脈衝，其同樣端視於該等脈衝參數以及要被移除的材料數額而定。
對於配合有機聚合物的CO2
雷射相互作用來說，材料移除主要係經由雷射誘發的熱降解來達成，其可能發生在達到蒸發點之前。特定蒸發作用亦可能經由相態轉變而發生(固態－玻璃態－熔融－蒸發)。對CO2
雷射照射來說，因為聚合物的吸收深度約為10μm，其代表該雷射射束能夠穿透聚合物至非常深的深度，因而會造成體加熱而非僅造成表面加熱。
目前的鑽鑿實行工作已經顯示出，單一雷射脈衝便能夠爆發性地移除銅觸墊上厚度約35μm的整個ABF樹脂層。不過，為達良好通孔形狀的目的，較佳的係，藉由一群短脈衝來移除該大部份的樹脂材料，每一道脈衝均僅會小心地移除總材料深度的一小部分，而非爆發性地移除，這會對該體加熱過程進行更佳的控制。
對一一階近似式來說，用於經由熱分解來燒蝕聚合物的高斯CO2
雷射脈衝的每個脈衝之燒蝕速率(χ)可以表示如下：
其中，k 0
與k 1
為和材料常數有關的係數；F為脈衝注量；I
為尖峰功率強度。對一給定的尖峰功率強度I來說，每個脈衝之燒蝕深度χ係受控於脈衝注量F。脈衝注量可以尖峰功率強度I乘以脈衝寬度τ來近似：
(2)Dt F＝I
‧τ
脈衝注量為通孔頂端直徑的主要決定性因素。當脈衝注量提高時，材料移除便會變得更為爆發性並且比較不受控制，尤其是對高斯時間脈衝來說。圖5所示的係一具有實質高斯空間射束分佈的雷射脈衝的脈衝注量之空間分佈剖面圖。對一給定的材料來說，該孔洞的尺寸會與每道脈衝的注量有關。本案申請人的實驗結果顯示，對一給定的光點尺寸來說，有一小範圍的脈衝注量數值會產生所希的通孔頂端直徑。這顯示在圖5中，其中，D1
與D2
為利用兩種不同脈衝注量來鑽鑿的通孔頂端直徑。從圖中可以看出，對脈衝注量F1
來說，脈衝能量會超過直徑D1
的介電質燒蝕臨界值，而具有脈衝注量F2
的脈衝則會超過直徑D2
的介電質臨界值，從而會鑽出一具有該頂端直徑的孔洞。
此原理適用於高斯分佈以外的射束空間分佈。如Dunsky等人的美國專利案第 6,433,301 號及第 6,791,060 號中所述，具有「高帽(top hat)」分佈的雷射脈衝亦可用來鑽鑿通孔，本文以引用的方式將每一案併入。圖6所示的便係具有高帽空間分佈的脈衝之剖面圖。如圖6中所示，具有高帽空間分佈的雷射脈衝在脈衝注量、燒蝕、以及通孔頂端直徑之間所呈現的關係雷同於高斯空間分佈所呈現的關係。
通孔鑽鑿的另一項原理係關於該通孔底部的尺寸與品質。和通孔頂端直徑不同的係，底部直徑並非單純為脈衝注量的函數。讓鑽鑿變複雜的原因為構成該通孔底部的非
有機層。此非有機層通常係由銅所構成，不過亦可能包含其它導體材料。此層可能會在下面數個方面改變通孔鑽鑿過程：首先，該非有機層傾向於反射該雷射能量，而不會如有機材料般地吸收它。此被反射的能量可能會對該等有機層造成不分要的侵蝕，從而對該等有機層造成下切作用，這會讓錐度變成負值，其為不樂見的結果。有機導體還會充當一散熱片，用以在通孔被鑽鑿時將熱導離該通孔。此冷卻該通孔底部的作用會促使已蒸發的有機材料重新沉積在該底部上，從而讓後續的電鍍層無法完全電性接觸該接觸點底部的導體材料。另外，該非有機層亦可能藉由用來鑽鑿該通孔的雷射脈衝而部分熔化，從而導致該通孔的底部呈現一光滑、玻璃狀的外貌，不同於典型的結節狀或粗糙的外貌。此光滑樣態會使得後續的電鍍更難以附著於該通孔的底部並且可能有礙於達成良好的電性接觸效果。所有該些效應均與底部直徑直接或間接相關。
接著，非常重要的係，當該等雷射脈衝抵達該通孔的預期底部時必須套用正確的功率數額，方能達成正確的直徑，而不會造成不良的效應。本案申請人的研究指出，通孔的底部直徑具有下面等式的函數：(3)Db F/
τ1/2
其顯示出，Db
(通孔的底部直徑)與脈衝注量F除以脈衝寬度τ的平方根成正比。圖7所示的係介於通孔的底部直徑、對該通孔底部所造成的破壞、以及脈衝注量除以脈衝寬度的平方根之間的關係。從圖7中可以看出，脈衝注
量與脈衝寬度必須經過調整，方能達成所希的底部直徑，同時避免破壞該觸墊或破壞該通孔的底部。
雷射鑽出一具有所希頂端直徑與底部直徑之通孔同時避免破壞該通孔底部之問題的解決方法可藉由同時解出等式(1)與(3)來達成，其額外的條件限制如下：(4)Db
＝(T)Dt
其中，Db
與Dt
為所希的底部直徑與頂端直徑；而T為錐度，其係以－1與＋1之間的分數來表示。因為脈衝注量為脈衝寬度與尖峰功率強度兩者之函數，所以，上面的等式會存在一個以上的解答。事實上，脈衝寬度與尖峰功率強度存在一個範圍來解決該問題。於此解答空間內，會選擇一特殊的脈衝寬度與尖峰功率，以便有助於最小化鑽鑿耗時數，也就是，最小化鑽鑿該通孔所需的脈衝數量，並且與所選擇的雷射及光學器件的能力相符。
圖8所示的係使用利用上面的方法算出的雷射脈衝在一多層基板中所鑽鑿的通孔之圖式。該基板有機材料為ABFGX3(位於日本東京的Anjinomoto Co. Ltd.所售)，其在該通孔的底部具有一銅質非有機觸墊。該已鑽鑿的通孔具有53微米的頂端直徑以及80%的錐度。該通孔係利用上面所提及的型號為Q－600的CW Q開關式2.4W尖峰功率強度的CO2
雷射所鑽出的，其係操作在30KHz的脈衝重複率處。其需要用到五個脈衝來鑽出如圖所示的通孔。從圖8中可以看出，該通孔沒有任何碎片，而且該通孔的底部呈現出一種表示其並未被熔化或破壞的組織。
熟習本技術的人士便會明白，可以對上面所述之本發明的實施例的細節進行許多變更，其並不會脫離本發明的基本原理。所以，本發明的範疇應該僅取決於下面的申請專利範圍。
10‧‧‧導體層
12‧‧‧導體層
14‧‧‧導體層
20‧‧‧介電層
24‧‧‧強化層
30‧‧‧通孔
36‧‧‧電鍍層
圖1所示的係一多層工作件的剖面圖。
圖2所示的係一位於圖1的工作件中的電鍍通孔之示意圖。
圖3所示的係一具有高斯時間分佈的CO2
雷射脈衝的關係圖。
圖4所示的係在通孔鑽鑿期間材料移除的關係圖。
圖5所示的係針對具有高斯空間分佈的脈衝介於雷射脈衝能量與通孔頂端直徑之間的關係圖。
圖6所示的係針對具有「高帽(top hat)」空間分佈的脈衝介於雷射脈衝能量與通孔頂端直徑之間的關係圖。
圖7所示的係介於雷射脈衝能量與通孔底部直徑之間的關係圖。
圖8所示的係根據本文所述之方法所鑽鑿的通孔之圖式。
Claims (8)
- 一種使用雷射脈衝在一包含導體層與介電層的電子基板中形成一通孔的方法，該通孔具有一體積、一深度、以及一由頂端直徑及底部直徑所定義的錐度，而該等雷射脈衝係由預設的脈衝參數來定義，該方法包括：藉由同時最佳化用來決定一通孔之頂端直徑及該通孔之底部直徑的等式來計算該等預設的脈衝參數；以及產生以該等預設的脈衝參數為特徵的一或多道雷射脈衝並且將它們導引入射在該基板上，用以移除實質上全部的介電層材料，以便形成該通孔的體積，其並不會導致實質破壞該通孔底部的導體層材料並且同時會維持一預設的錐度以及最小化用來從該通孔中移除實質上全部該介電層材料之雷射脈衝的數量；其中，該等脈衝參數包含注量和脈衝寬度，其中，該頂端直徑是藉由以下等式而關聯於注量：Dt F ，其中，Dt 為該頂端直徑且F 為該注量，以及其中，該底部直徑是藉由以下等式而關聯於注量和脈衝寬度：Db F/ τ1/2 ，其中，Db 為該底部直徑且τ為該脈衝寬度。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該通孔的錐度大於或等於一。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該等通孔頂端直徑與底部直徑介於約20微米與約500微米之間。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該脈衝寬度介於約1與約100ns之間，而該等預設的脈衝參數進一步包含 脈衝能量，該脈衝能量所產生的注量數值介於約1.0與約10.0J/cm2 之間。
- 一種在包含導體層與介電層的電子基板中形成通孔的系統，該等通孔具有體積、深度、以及由頂端直徑及底部直徑所定義的錐度，其包括：一雷射，用以產生雷射脈衝，該等雷射脈衝會沿著一雷射射束路徑傳播並且以預設的脈衝參數為特徵；雷射射束光學器件，用以將該等雷射射束脈衝照射在該電子基板上；以及一控制器，其可運作用以計算該等雷射脈衝參數並且指示該系統用以產生與該等參數相符的該等雷射脈衝，該控制器會藉由同時最佳化用來決定每一個該等通孔之該通孔的一頂端直徑及一底部直徑之等式來計算該等預設的脈衝參數，並且指示該雷射用以產生以該等預設的脈衝參數為特徵的一或多道雷射脈衝，用以移除實質上全部的介電層材料，以便形成該通孔的體積，其並不會導致實質破壞該通孔底部的導體層材料並且同時會維持一預設的錐度以及最小化用來從該通孔中移除實質上全部該介電層材料之雷射脈衝的數量；其中，該等脈衝參數包含注量和脈衝寬度，其中，該頂端直徑是藉由以下等式而關聯於注量：Dt F ，其中，Dt 為該頂端直徑且F 為該注量，以及其中，該底部直徑是藉由以下等式而關聯於注量和脈衝寬度：Db F/ τ1/2 ，其中，Db 為該底部直徑且τ為該脈衝寬度。
- 如申請專利範圍第5項之系統，其中，該通孔的錐度大於或等於一。
- 如申請專利範圍第5項之系統，其中，該等通孔頂端直徑與底部直徑介於約20微米與約500微米之間。
- 如申請專利範圍第5項之系統，其中，該脈衝寬度介於約1與約100ns之間，而該等預設的脈衝參數進一步包含脈衝能量，該脈衝能量所產生的注量數值介於約1.0與約10.0J/cm2 之間。
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