TWI505896B - 雷射加工裝置 - Google Patents

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Description

雷射加工裝置
本發明係關於一種對被加工物照射雷射光而於該被加工物上預先設定的複數位置處分別加工孔洞之雷射加工裝置，詳而言之，係關於一種可提高複數開孔加工的位置精確度並縮短開孔加工的時間之雷射加工裝置。
習知的雷射加工裝置係藉由震鏡掃描器(galvanometer scanner)來將雷射光導向被加工物上的照射位置，並對成為加工孔之雷射光的照射位置處照射脈衝型雷射光來進行脈衝發射(burst shot)加工，其係於使得在直交之二個軸的下方晃動之二個震鏡掃描器分別高速晃動，並移動雷射光的照射位置而定位並停止在被加工物上的目標位置後，對該目標位置處照射脈衝型雷射光來進行脈衝發射加工(參酌例如日本特開2009-154198號公報)。
然而，上述習知的雷射加工裝置中，利用震鏡掃描器所進行之雷射光照射位置的定位精確度為±15μm左右，當欲對應於半導體晶片(例如BGA(Ball Grid Array)或CSP(Chip Size Package)等)的電極端子而在印刷電路基板所形成之複數電極焊墊上的插入物(interposer)處分別形成有例如孔徑30μm~50μm的孔洞時，為了吸收因上述震鏡掃描器的定位精確度而造成之位置偏移，則上述電極焊墊便必須形成為100μm2 左右的大小尺寸。此時，由於上述半導體晶片之電極端子的配列間距通常為300μm左右，因此當欲於印刷電路基板之上述電極焊墊間形成100μm~150μm的配線時，則配線的餘裕空間便會成為25μm~50μm左右，而有發生配線短路等不良之虞。
又，由於習知的雷射加工裝置會有上述開孔加工之位置精確度的問題，而難以使印刷電路基板之電極焊墊的大小尺寸小於100μm，因此當半導體晶片之電極端子的配列間距小於300μm的情況，便會難以對應。
再者，由於係藉由震鏡掃描器來一邊重複進行雷射光照射位置之移動、停止，一邊對複數孔洞進行雷射加工，因此會有複數開孔加工的時間過長之問題。
於是，本發明鑑於上述問題點，其目的在於提供一種可提高複數開孔加工的位置精確度並縮短開孔加工的時間之雷射加工裝置。
為達成上述目的，本發明之雷射加工裝置係對被加工物照射雷射光，以於該被加工物上之預先設定的複數位置處分別加工孔洞之雷射加工裝置，其係於雷射光之光線路徑上自其上游側具有：光均勻化機構，係用以使雷射光的強度分布均勻；聚光元件，係用以使從該光均勻化機構所射出之雷射光成為平行光；及微鏡片列，係與該被加工物呈對向配置，並對應於該被加工物上的該複數位置處而形成有複數微鏡片。
藉由上述結構，係利用光均勻化機構來使雷射光的強度分布均勻化，利用聚光元件來使從光均勻化機構所射出之雷射光成為平行光，並利用與被加工物呈對向配置且對應於該被加工物上之預先設定的複數位置處而形成有複數微鏡片之微鏡片列，來將雷射光照射在被加工物上的上述複數位置處以分別進行開孔加工。於是，便可使用能夠藉由光微影技術來形成之微鏡片列，來將雷射光照射在被加工物上之預先設定的複數位置處，從而可提高上述複數開孔加工的位置精確度。又，可同時將雷射光照射在被加工物上的複數位置處，從而可縮短開孔加工的時間。
又，該光均勻化機構係縱橫地排列配置有複數鏡片之蠅眼透鏡。藉以利用蠅眼透鏡來使雷射光的強度分布均勻化而照射在微鏡片列。於是，便可使雷射光的強度分布均勻化，從而可進行深度均勻的開孔加工。
再者，該光均勻化機構係均質機(homogenizer)。藉以利用均質機來使雷射光的強度分布均勻化而照射在微鏡片列。於是，此情況亦可使雷射光的強度分布均勻化，從而可進行深度均勻的開孔加工。
又再者，該光均勻化機構係以該雷射光的光軸為中心而旋轉。藉此使光均勻化機構以雷射光的光軸為中心而旋轉。於是，便可加工正圓形的孔洞。因而可防止因雷射光的照射而產生之熱應力局部地集中在被加工物而發生龜裂。
然後，以雷射光的N次發射(n為2以上的整數)來形成預先設定好深度的該孔洞時，該光均勻化機構係被控制為在該雷射光的N次發射中會旋轉1圈以上。
以下，依據添附圖式詳細說明本發明之實施形態。圖1係顯示本發明之雷射加工裝置的實施形態之前視圖。該雷射加工裝置係對被加工物照射雷射光而於該被加工物上預先設定的複數位置處分別加工孔洞，其係具備有XY台座1、雷射光源2、第1蠅眼透鏡3、第1聚光透鏡4、擴散板5、第2蠅眼透鏡6、第2聚光透鏡7及微鏡片列8所構成。
上述XY台座1係使被加工物(例如印刷電路基板9)定位載置於上面並在XY的二維平面內移動，其具備有X軸及Y軸的位置感測器(省略圖示)。又，可以XY台座1的中心為軸而旋轉特定角度。
此處，上述印刷電路基板9如圖2所示，係預先設定有表面載置有BGA或CSP的半導體晶片之複數矩形晶片載置區域10，於該各晶片載置區域10處，其最上層(插入物下側的層)如圖3所示，係對應於上述半導體晶片的複數電極端子而形成有複數電極焊墊11。此外，圖3例示了複數電極焊墊11係形成於圍繞晶片載置區域10的矩形中央區域12之周邊區域13之情況。又，如圖2所示，於矩形晶片載置區域10外側處，晶片載置區域10的至少一對角線上係設置有自晶片載置區域10的中心互相朝相反方向相距預設距離之例如一對十字狀的基板側對位記號14。
上述XY台座1的上方設置有雷射光源2。該雷射光源2係用以使雷射光L脈衝發振之YAG雷射或CO2 雷射等，本實施形態係針對使用波長355nm的CO2 雷射之情況加以敘述。藉此，便可進行孔徑約30μm的開孔加工。
於上述雷射光L的光線路徑上，上述雷射光源2的下游側係設置有第1蠅眼透鏡3。該第1蠅眼透鏡3係具有能夠使雷射光L的強度分布均勻化並擴大光束徑之擴束器的功能，其係於雷射光L的光束徑內縱橫地配置具備有複數聚光透鏡。然後，接收從雷射光源2所放射之雷射光L，並使其暫時聚光在各聚光透鏡的後焦點位置後，放射狀地發散來擴大雷射光L的光束徑。
於上述雷射光L的光線路徑上，上述第1蠅眼透鏡3的下游側係設置有第1聚光透鏡4。該第1聚光透鏡4係用以使從第1蠅眼透鏡3所射出之雷射光L成為平行光，而配置為使其前焦點位置大致對齊於第1蠅眼透鏡3的後焦點位置(包含有各聚光透鏡的後焦點位置之面與雷射光L的光軸OA之交點位置)。
於上述雷射光L的光線路徑上，上述第1聚光透鏡4的下游側係設置有擴散板5。該擴散板5係用以防止從上述第1蠅眼透鏡3的各聚光透鏡所射出之複數雷射束在後述第2蠅眼透鏡6的入射側面上發生干涉，其係於表面隨機地形成有微細凹凸圖案之毛玻璃狀的板體。
於上述雷射光L的光線路徑上，上述擴散板5的下游側係設置有第2蠅眼透鏡6。該第2蠅眼透鏡6係用以使入射之雷射光L的強度分布均勻化之光均勻化機構，其結構為於雷射光L擴大後之束徑內縱橫地配置具備有複數聚光透鏡之二個鏡片列15a、15b係以相互對應之聚光透鏡的中心軸為對齊之方式而對向配置。然後，上述第2蠅眼透鏡6係藉由旋轉驅動機構(省略圖示)，來以雷射光L的光軸OA(光線路徑的中心軸)為中心而旋轉。此時，第2蠅眼透鏡6係被控制為當以雷射光L的N次發射(n為2以上的整數)來形成預先設定之特定深度的孔洞(介層孔洞)時，在雷射光L的N次發射中會旋轉1圈以上。本實施形態中，雷射光L發射40次便可進行特定深度(約40μm)的開孔加工。因此，第2蠅眼透鏡6係被控制為在雷射光L的40次發射中會旋轉1圈以上。
於上述雷射光L的光線路徑上，上述第2蠅眼透鏡6的下游側係設置有第2聚光透鏡7。該第2聚光透鏡7係用以使從第2蠅眼透鏡6所射出之雷射光L成為平行光之聚光元件，其係配置為使其前焦點位置大致對齊於上述第2蠅眼透鏡6的後焦點位置(包含有一對鏡片列15a、15b當中之下游側鏡片列15b的各聚光透鏡的後焦點位置之面與雷射光L的光軸OA之交點位置)。此外，圖1中，元件符號23係使光線路徑直角地彎折之全反射鏡。
於上述雷射光L的光線路徑上，上述第2聚光透鏡7的下游側係對向於印刷電路基板9而配置有微鏡片列8。該微鏡片列8係對應於印刷電路基板9上所預先形成之複數電極焊墊11的位置處而形成有複數微鏡片19。具體來說，例如圖4所示，係於圍繞矩形透明基材16的矩形中央區域17之周邊區域18形成有複數微鏡片19。此時，縱橫配置之複數微鏡片19的中心線間隔w係相等於印刷電路基板9之電極焊墊11的配列間距w(參酌圖3)。又，矩形透明基材16的至少一對角線上係對應於印刷電路基板9的基板側對位記號14而形成有例如一對框狀的鏡片側對位記號20。上述微鏡片列8可利用例如光微影技術來製造，可以次微米至數微米的精確度來形成各微鏡片19的配列間距。
然後，利用上述微鏡片列8上方所配設之對位用照相機(省略圖示)，來將上述鏡片側對位記號20與位在其下側之基板側對位記號14捕捉至同一視野內，並測量例如各對位記號20、14中心位置的偏移量，移動XY台座1來使上述偏移量為零，以進行微鏡片列8與印刷電路基板9的晶片載置區域10之對位。
此外，微鏡片列8可於微鏡片19的外側區域形成有遮光膜，抑或未形成有遮光膜亦可。當未形成有遮光膜的情況，由於穿透微鏡片19外之雷射光L亦不會被聚光在印刷電路基板9上，因此雷射光L的能量不會集中在印刷電路基板9上，便不會因該等雷射光L而使得印刷電路基板9被加工。
接下來，針對上述方式構成的雷射加工裝置動作加以說明。
首先，將印刷電路基板9定位並載置於XY台座1上。接著，開啟起動開關後，XY台座1會在XY平面內移動，來使印刷電路基板9之最初的晶片載置區域10(例如圖2中，位在左上端部之晶片載置區域10)位在微鏡片列8的正下方位置。
接下來，利用對位用照相機(省略圖示)來將微鏡片列8的鏡片側對位記號20與基板側對位記號14捕捉至同一視野內並拍攝影像，藉由控制機構(省略圖示)來將該影像進行影像處理，並測量例如鏡片側對位記號20及基板側對位記號14的中心間距離。然後，微微移動XY台座1來使兩者的中心間距離成為預設值(例如零)，以進行微鏡片列8與印刷電路基板9的最初的晶片載置區域10之間的對位。又，依需要來使XY台座1以其中心為軸而旋轉來進行對位。
上述對位結束後，打開雷射光源2而放射出以一定頻率發振之脈衝雷射光L。該雷射光L會因第1蠅眼透鏡3而使得強度分布被均勻化，且光束徑會被放大而入射至第1聚光透鏡4。
入射至第1聚光透鏡4後的雷射光L會因該第1聚光透鏡4，使得從上述第1蠅眼透鏡3的各聚光透鏡所射出之雷射束的主光線成為平行於光軸OA之平行光而入射至擴散板5。
上述擴散板5中，雷射光L會在一定的角度範圍內擴散至隨機方向。藉此，於第2蠅眼透鏡6的入射側面上，從上述第1蠅眼透鏡3的各聚光透鏡所射出之雷射束便不會發生干涉，而不會有干涉橫紋產生的情況。
從擴散板5射出後的雷射光L會因第2蠅眼透鏡6而使得強度分布被均勻化，再者，會因第2聚光透鏡7，使得從第2蠅眼透鏡6的各聚光透鏡所射出之雷射束的主光線成為平行於光軸OA之平行光而入射至微鏡片列8。
微鏡片列8的各微鏡片19會使雷射光L聚光在對應於印刷電路基板9的各電極焊墊11之位置處，而於印刷電路基板9上形成有形狀與第2蠅眼透鏡6的射出側端面相似之例如四角形的波束點(beam spot)。藉此，印刷電路基板9之電極焊墊11上的插入物便會如圖5所示般地被加工有例如四角形的孔洞21。
上述實施形態中，當一定深度(例如40μm)的開孔加工係以雷射光L的N次發射(n為2以上的整數，例如40次發射)所形成時，藉由旋轉驅動機構(省略圖示)，則第2蠅眼透鏡6便會以光軸OA(光線路徑的中心軸)為中心而在雷射光L的N次發射(40次發射)中旋轉1圈以上。藉此，照射在印刷電路基板9上之上述四角形的複數波束點便會一邊對複數電極焊墊11上的插入物進行開孔加工，一邊朝圖5之例如箭頭方向旋轉。於是，各電極焊墊11上便會被同時加工有以微鏡片列8之各微鏡片19的中心軸為中心之橫剖面為圓形的複數孔洞22。此時，由於各孔洞22的配列間距係依微鏡片列8之各微鏡片19的形成精確度來決定，故該位置精確度便會是次微米至數微米程度。
接著，使XY台座1移動相等於晶片載置區域10的配列間距之距離(例如往圖2之左方移動)，來使第2個晶片載置區域10位在微鏡片列8的正下方。之後，與上述同樣地進行微鏡片列8與第2個晶片載置區域10的對位後，一邊旋轉第2蠅眼透鏡6一邊照射雷射光L來加工對應於第2個晶片載置區域10的複數電極焊墊11之複數孔洞22。之後，藉重複實施上述步驟，來對印刷電路基板9上的所有晶片載置區域10進行開孔加工。
依據本發明，由於係藉由對應於印刷電路基板9的複數電極焊墊11而形成有複數微鏡片19之微鏡片列8，來使雷射光L分別聚光在上述複數電極焊墊11上以進行開孔加工，因此相較於利用習知的檢流計鏡(galvanometer mirror)來使雷射光L一邊步進移動一邊進行開孔加工之情況，可大幅提高開孔加工的位置精確度。於是，以相同配列間距來形成孔徑與習知相同的孔洞22時，便可使電極焊墊11的大小尺寸較習知要小。因而即便是於鄰接之電極焊墊11間形成有配線的情況，仍可確保充分的餘裕空間，從而可減少配線短路等不良發生。
又，即便是半導體晶片的電極端子間隔很狹窄的情況，藉由對應於其而縮小各微鏡片19的口徑，並準備縮小該間隔後的微鏡片列8，便可容易地對應。
再者，由於可對應於一個晶片載置區域10的複數電極焊墊11來同時進行複數開孔加工，因此可縮短開孔加工的時間。
此外，上述實施形態中，雖已針對光均勻化機構為蠅眼透鏡(第2蠅眼透鏡6)的情況加以說明，但本發明不限於此，光均勻化機構亦可為均質機。
又，上述實施形態中，雖已針對聚光元件為聚光透鏡的情況加以說明，但本發明不限於此，聚光元件亦可為凹面鏡。
再者，上述實施形態中，雖已針對微微移動XY台座1來進行微鏡片列8與印刷電路基板9的對位之情況加以說明，但本發明不限於此，亦可微微移動微鏡片8側，或微鏡片8及XY台座1兩者。
然後，以上的說明雖已針對被加工物為印刷電路基板9之情況加以敘述，但本發明不限於此，被加工物只要是能夠雷射加工複數孔洞22之組件則可為任何物體。
w．．．中心線間隔(配列間距)
L．．．雷射光
OA．．．光軸
1．．．XY台座
2．．．雷射光源
3．．．第1蠅眼透鏡
4．．．第1聚光透鏡
5．．．擴散板
6．．．第2蠅眼透鏡
7．．．第2聚光透鏡
8．．．微鏡片列
9．．．印刷電路基板
10．．．晶片載置區域
11．．．電極焊墊
12．．．中央區域
13．．．周邊區域
14．．．基板側對位記號
15a、15b．．．鏡片列
16．．．透明基材
17．．．中央區域
18．．．周邊區域
19．．．微鏡片
20．．．鏡片側對位記號
21、22．．．孔洞
23．．．全反射鏡
圖1係顯示本發明之雷射加工裝置的實施形態之前視圖。
圖2係顯示本發明所使用之印刷電路基板的一構成例之俯視圖。
圖3係顯示上述印刷電路基板的晶片載置區域之說明圖。
圖4係顯示上述雷射加工裝置之微鏡片列的一構成例之俯視圖。
圖5係顯示使用上述雷射加工裝置之開孔加工之說明圖。
L．．．雷射光
OA．．．光軸
1．．．XY台座
2．．．雷射光源
3．．．第1蠅眼透鏡
4．．．第1聚光透鏡
5．．．擴散板
6．．．第2蠅眼透鏡
7．．．第2聚光透鏡
8．．．微鏡片列
9．．．印刷電路基板
15a、15b．．．鏡片列
19．．．微鏡片
23．．．全反射鏡

Claims (3)

  1. 一種雷射加工裝置，係對被加工物照射雷射光，以於該被加工物上之預先設定的複數位置處分別加工孔洞之雷射加工裝置，其特徵為於雷射光之光線路徑上自其上游側係具有：光均勻化機構，係用以使雷射光的強度分布均勻；聚光元件，係用以使從該光均勻化機構所射出之雷射光成為平行光；及微鏡片列，係與該被加工物呈對向配置，並對應於該被加工物上的該複數位置處而形成有複數微鏡片；該光均勻化機構係以該雷射光的光軸為中心而旋轉，並可進行以該複數微鏡片的各中心軸為中心之圓形的孔洞加工。
  2. 如申請專利範圍第1項之雷射加工裝置，其中該光均勻化機構係縱橫地排列配置有複數鏡片之蠅眼透鏡。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之雷射加工裝置，其中以雷射光的N次發射(n為2以上的整數)來形成預先設定好深度的該孔洞時，該光均勻化機構係被控制為在該雷射光的N次發射中會旋轉1圈以上。
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