TWI640140B - 利用一氧化碳雷射於印刷電路板中鑽製通孔之技術 - Google Patents

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Abstract

用以在印刷電路板(PCB)中鑽製通孔的裝置，包含一一氧化碳雷射會輸送雷射輻射脈衝。該等脈衝具有一較寬廣的波長範圍，及緩慢上升和下降的邊緣。該等脈衝的上升和下降邊緣係被使用一聲光調制器來削波。一色散補償器會補償該等削波的脈衝中被該聲光調制器致生的色散。消色差聚焦光件會將該色散已補償的削波脈衝聚焦在該印刷電路板上以供鑽製該通孔。

Description

利用一氧化碳雷射於印刷電路板中鑽製通孔之技術 發明領域
本發明概有關於印刷電路板(PCB)中之通孔的雷射鑽製。本發明特別是有關使用來自一氣體放電雷射的長波長紅外線輻射之雷射鑽孔的印刷電路板。
背景技術論述
密封式射頻(RF)激發的二氧化碳(CO2)雷射目前係被偏好用來在印刷電路板中鑽製通孔(通孔鑽製)。該等雷射相對於可用的輸出功率係較為精小。舉例而言，一長度小於一米的雷射能以一400瓦(W)或更大的平均功率來輸送一波長約為10.6微米(μm)之長波長紅外線(IR)輻射的射束。雖CO2雷射通孔鑽製係快速又有效率，但由於該雷射束的長波長，能被鑽製的最小孔之尺寸會有一終極的限制。針對用於所謂“智慧手機”的印刷電路板之最小孔尺寸和間隔的要求係迅速地增加，該等手機實際地考量，乃是手持的可攜式電腦裝置，而比簡單製造和接收的手機具有許多的更多功能。在該智慧手機的目前狀態，一PCB可能具有多達30,000個通孔。因更多的功能會被添加於該等智慧手 機，故將會需要具有更多通孔的更複雜電路，且，最後將會需要一更短的鑽製波長來達成更小的孔尺寸和更緊密的間隔。
曾認為一較佳的通孔鑽製波長係為一在約2μm至約8μm之間的所謂中紅外線(MIR)波長。除了可用於較小孔尺寸和較緊密間隔的潛能之外，MIR波長在PCB材料中會有一比較長的CO2雷射輻射波長更高的吸收係數。此將可容許熱更迅速地被吸收於該PCB中，其一般將會造成具有較乾淨的壁且較少附隨之熱損害的孔。
MIR波長可以被由商業上可得的近紅外線(NIR)發射器、固態雷射、光纖雷射、或光泵式半導體雷射，使用總和頻率產生法或光參數產生法來產生。但是此將會需要具有許多倍在一CO2雷射系統中可達到之每瓦成本的裝置。
可論證的是，用以取代一CO2雷射來供通孔鑽製的唯一可能實用的候補MIR雷射係為一CO雷射。目前對密封CO雷射的研究已導致一種密封式CO雷射，其係為一種僅有一簡單調變的密封式CO2雷射，但具有一不同的雷射氣體混合物。一對應的CO2雷射之一大約80%的功率輸出已被達成。
在通孔鑽製操作時，CO2雷射係被以一脈衝模式來驅動。利用CO雷射之一問題係，當以一脈衝模式驅動時，脈衝上升和下降時間會較長。脈衝的長上升和下降時間會在雷射鑽製的通孔周圍造成不可接受的附隨熱損害。至少在理論上，雷射脈衝的上升和下降時間能藉使用一聲 光調制器(AOM)來調制該等雷射脈衝的“削波”而被縮短。
然而，以一CO雷射輸出的寬廣波長範圍，此乃是複雜的。CO雷射輸出會發生在大約4.5μm至約6.0μm之間的雷射波長範圍。一AOM功能由於一折射率光柵之故，會因施加一高射頻(RF)電壓於一晶體，譬如一鍺(Ge)晶體，而造成一易受影響的晶體。致生該光柵會使一來自一穿過沒有光柵發生的晶體之路徑的雷射束，轉入一對該未轉向(施加RF)路徑呈一角度的變化路徑中。當然，該轉向路徑的角度是依從波長的。以一具有全帶寬的CO雷射之準直射束，一轉向射束將會被分散成一射線扇，要將該射束聚焦於一PCB上來供鑽孔將會是複雜的。
此射束被一AOM分散乃可藉限制該CO雷射的帶寬而被減緩，例如，藉在該雷射共振器內使用一光譜選擇裝置，比如一標準具或光柵。但是，該CO雷射的本質係會使輸出功率正比於光譜帶寬減少的程度而減少。減少該光譜帶寬至可與該AOM相容的比例，將會使該CO雷射功率減低至一可相較尺寸之泵抽式CO2雷射的五分之一。針對一CO雷射之此及相關的問題必須被克服，才能成為一用於鑽製通孔的CO2雷射之一商業上可用的替代物。
本發明之概要說明
在一態樣中，依據本發明的裝置包含一聲光調制器(AOM)及一一氧化碳(CO)雷射。該CO雷射會發射雷射輻射脈衝，而該等脈衝中的輻射具有許多波長，在一大約45 μm與6.0μm之間的波長範圍內。該等輻射脈衝具有一時間的上升邊緣及一時間的下降邊緣。該等雷射輻射脈衝係以一入射方向入射在該AOM上。該AOM係被設成能接收該等輻射脈衝，分散該等脈衝之一中心時間部份，排除該上升邊緣的一部份和該下降邊緣的一部份，在依從波長的分散方向之一第一範圍內對該入射方向呈一角度。該等脈衝的殘餘部份會被該AOM沿該入射方向傳送。一色散補償器會被設來接收該等脈衝的中心時間部份，並縮減該分散方向之範圍至一小於該第一範圍的第二範圍。至少一光學元件係被設成能將來自該色散補償器的時間脈衝部份消色差地聚焦在該工件上。
10、12A‧‧‧裝置
12‧‧‧CO雷射
52‧‧‧聲光調制器(AOM)
54‧‧‧射頻放大器
56‧‧‧射束棄場
64‧‧‧色散補償器
65、67‧‧‧稜鏡
68‧‧‧轉向鏡
70‧‧‧消色差聚焦光件
72、114、116‧‧‧凹面鏡
74‧‧‧印刷電路板(PCB)
102、104、108、120、122、124、126‧‧‧轉向鏡
112‧‧‧中繼望遠鏡
RFG1、RFG2、RFG3‧‧‧射頻產生器
所附圖式係被併入並構成本說明書的一部份，乃示意地示出本發明之一較佳實施例，並與前述之概括說明和於後的較佳實施例之詳細說明一起用來解釋本發明的原理。
圖1為一方塊圖，示意地示出依據本發明的通孔鑽製裝置，包含一圖1的CO雷射以一脈衝方式操作，且脈衝具有一如該CO雷射之特徵的寬廣波長範圍，一聲光調制器(AOM)用以選擇及削波該CO雷射所發出的脈衝，一色散補償器用以修正被該AOM選擇並削波的脈衝中所致生的色散，及消色差聚焦光件用以將該等色散經修正的脈衝聚焦在一印刷電路板(PCB)上來供鑽製通孔。
圖2示意地示出圖1的裝置之一較佳實施例，其中 該色散補償器為一稜鏡，且該消色差聚焦光件包含一凹面鏡，而該AOM係被多數個依序切換的射頻產生器驅動。
圖2A為一圖表乃示意地示出在圖2的裝置中色散補償成為波長之一函數的一例，其中該AOM是一鍺晶體AOM且該稜鏡是一硫化鋅稜鏡。
圖3A和圖3B係為圖表乃示意地示出用於圖2的射頻產生器之一依序切換模式。
圖4示意地示出一色散補償裝置，其中一AOM係被以一雙次通過模式用於脈衝削波，並不用於削波脈衝的色散補償。
圖5示意地示出另一色散補償裝置，其中一AOM係被以一雙次通過模式用於脈衝削波，並不用於削波脈衝的色散補償。
圖6示意地示出又另一色散補償裝置，其中一AOM係被以一雙次通過模式用於脈衝削波，並不用於削波脈衝的色散補償。
圖7示意地示出一色散補償裝置，其中一AOM係被用於脈衝削波，且另一AOM係被用於該等削波脈衝的色散補償。
圖8示意地示出一類似於圖5之裝置的色散補償裝置，但其中該AOM的±繞射級會為入射在該AOM上的每個脈衝造成二削波的脈衝。
圖9示意地示出一色散補償裝置，其中該AOM係被以二不同的頻率依序地驅動，而由每個入射在該AOM上 的脈衝提供二個在不同角度繞射的削波脈衝，有一稜鏡會為該等削波脈衝之一者提供色散補償，而有二稜鏡會為該等削波稜鏡之另一者提供色散補償。
圖10示意地示出一類似於圖8之裝置的色散補償裝置，但其中該二削波脈衝的每一者各會被一對應的稜鏡色散補償。
本發明之詳細說明
現請參閱圖式，其中類似的部件會被以類似的標號來標示，圖1以方塊圖的形式示意地示出一依據本發明的通孔鑽製裝置10。裝置10包含一密封式CO雷射12會發射波長在約4.5μm至約6.0μm間之範圍內的雷射輻射。該雷射係以一脈衝方式操作。舉例而言，該等脈衝可具有一大約100微秒(μs)與160μs之間的選擇持續時間，及一大約0.5仟赫(kHz)與2.0kHz之間的選擇脈衝重複頻率(PRF)。此一雷射係可由本發明之受讓者。美國加州Santa Clara的Coherent公司取得。
該等脈衝係以長上升和下降時間為特徵，且事實上可說是該等脈衝上升或下降時的振幅在該脈衝持續時間內沒有明顯的幾近固定振幅之週期。例如在一具有一標定持續時間為140μs，及一PRF為1.0kHz的脈衝中，所測得的上升時間為50μs，且所測得的下降時間為84μs。為能被使用於本發明的CO雷射通孔鑽製，此等脈衝必須在其上升和下降邊緣皆被削波。一聲光調制器(AOM)52會被提供來由 該雷射輸出選擇脈衝，並用以造成該等所擇脈衝的上升邊緣和下降邊緣之削波。
一AOM能藉使用一“折射率光柵”來由一輸入路徑偏轉輻射，該光柵係因施加一高RF電壓於該晶體而致生於一鍺晶體中者。在該CO雷射脈衝具有如此寬廣帶寬的情況下，此會在一轉向(被選擇並削波)的脈衝射束中造成色散。此色散會在裝置10中被一色散補償器64修正。一轉向鏡68會將該經色散補償的脈衝射束導致消色差聚焦光件70。該消色差聚焦光件會將該經色散補償的脈衝射束聚焦在一PCB 74上以供鑽製通孔。
圖2示意地示出圖1的裝置之一較佳實施例。在此，一被AOM 52轉向並削波的脈衝射束會被轉成一射線扇，而在該脈衝光譜中最短的波長(λS)係被以一比該脈衝光譜中最長的波長(λL)更小的角度轉向。該等最小波長和最長波長的射線在圖中係分別被以實線和虛線示出。該AOM係被一由射頻產生器RFG1、RFG2和RFG3饋給的射頻放大器54驅動。
該等被選擇脈衝之未被擇用並棄除的部份之脈衝會不轉向地前進至一射束棄場56。該等脈衝的棄除部份包含該等脈衝的“削除”上升邊緣和下降邊緣部份，及該轉向的脈衝射束之某些部份，其係因該AOM低於100%效率繞射所造成者。
在裝置12A中的色散補償器64是一稜鏡65，被構製並排列成能大致準直來自AOM的射線扇。該“大致準直” 乙詞在此被用於所附申請專利範圍中意指該等經色散補償的射線並不需要是完全地準直，而能在有些縮小的方向範圍內。
稜鏡65會將該大致準直的射束導致消色差聚焦光件70，其在實施例12A中是一凹面鏡72。鏡72會將該大致準直的射束聚焦在PCB 74上。不用進一步詳細說明和圖示，精習該技術者將會瞭解，一具有多於一個元件之較複雜的聚焦裝置亦可被使用而不超出本發明的精神及範圍。此等聚焦裝置可僅包含反射元件(鏡)等，只有透射元件(透鏡元件)等，或某些反射和透射元件的組合。
圖2A係為一圖表乃示意地示出針對圖1的稜鏡裝置所算出的色散補償為波長之一函數。在此例中，該AOM是一鍺(Ge)AOM，而該稜鏡為一硫化鋅(ZnS)稜鏡。色散補償(以毫弧度計)係為該AOM所造成的色散與該稜鏡造成的色散之間的差，可以看出在5.0μm和6.0μm之間的波長，淨色散係小於20微弧度。
續請參閱圖2，並附加參閱圖3A和3B，在裝置10A中，如前所述，AOM 52係被RF放大器54驅動，該放大器54則能被三個RF產生器RFG1、RFG2、RFG3的任一者驅動。每一個該等RF產生器皆具有相同的頻率，但具有可選擇性改變的輸出振幅。此多個產生器驅動裝置的目的係為能使用多數個依時序的“切片”來“削波”一脈衝。每個該等RF產生器會削波一個切片。該RF產生器振幅之可選擇性改變的振幅(及該AOM中所致生的折射率光柵之一對應可擇地改 變的效率)容許該個別切片的振幅能被選擇地改變。
圖3A為一示波器軌跡的重製圖，乃示出一要被切片的脈衝(實粗曲線)。該等平行、垂直的細實線示出該等RF產生器RFG1、RFG2和RFG3依時間順序的“開”和“關”時間。當然，在將一RF產生器切換成“關”和將下個RF產生器切換成“開”之間，將會需要有一非常小的時間間隔(未可見於圖4A中)。
圖3B示出一可相較於圖3A中所重製者的示波器軌跡(粗實曲線)，以依據圖3A的時間順序來“切片”將會如何呈現，但其中該RFG1切片的振幅係大於該RFG3切片的振幅，其則又大於該RFG2切片的振幅。在圖3B之例中，該等RF產生器的振幅已被選成會使各脈衝切片中的尖峰功率係大致相等。
應請瞭解該等RF產生器不能被以不同的頻率操作，於此情況下該三個脈衝“切片”將會以不同的角度離開該AOM，並能被分開的聚焦光件分開地用於通孔鑽製。此會更詳細論述於後。
圖4示意地示出一變化的色散補償裝置，其能被使用於依據本發明的裝置中。在此裝置中，該AOM 52的一部份52A係如同色散補償器64。於此，一來自CO雷射12的脈衝射束(以一組實線表示)會被在其上部的AOM 52削波。一虛線的柵格示意地示出藉施加RF功率於該AOM所致生的折射率光柵。
該削波的脈衝射束會繞射成一狹窄的射線扇，被 一最長波長λL(虛線)與一最短波長λS(實線)所界限。在一回反射裝置中的轉向鏡102和104會將該脈衝射束導回至該AOM之一下部52A，且該脈衝射束中的λL和λS在下部52A的入射角對應於由AOM 52的繞射角。在第二次通過該AOM時色散會被補償，且該等λL和λS射線會互相平行地傳送至該消色差聚焦元件。未削波的輻射和削波輻射的殘餘者會以該0線方向前進至射束棄揚56。如示意地示於圖中。
由該AOM回至該AOM的路徑長度係被設成充分地長，俾使整體雷射脈衝能在該AOM藉施加RF功率而再作用之前橫貫該AOM，以提供該色散補償。此會暫時地分開該AOM的脈衝削波和色散補償功能。
圖5示意地示出另一變化的色散補償裝置，其能被使用於依據本發明的裝置中。此裝置係類似於圖4的裝置，唯除只有一個轉向鏡108來將削波的脈衝射束導回至AOM 52的下部52A。如同在圖4的裝置中，λL和λS射線由該AOM繞射與再入射於該AOM上的再度是相同的。經色散補償的脈衝射束會被轉向鏡108導致該消色差聚焦光件。
圖6示意地示出又另一變化的色散補償裝置，其能被使用於依據本發明的裝置中。此裝置係類似於圖4的裝置，唯除由該AOM再回到該AOM的射束路徑。會被一由凹面鏡114所形成的f-2f-f中繼望遠鏡112延長(其中f為該等凹面鏡的焦距)。在離鏡114一距離f處的射束會顯像在離鏡116一距離f處，此會減少該射束的擴張。
圖7示意地示出再另一變化的色散補償裝置，其 能被使用於依據本發明的裝置中。此裝置係類似於圖2的裝置，唯除有一分開的AOM 52B會替代圖2之裝置的色散補償稜鏡。因AOM 52和AOM 52B能被獨立地操作，故在該二AOM位間不需要一延長的光徑，且射束擴張因此能被限制。
在全部上述的色散補償裝置中只有一個AOM 52的繞射波係被用於脈衝削波。圖8示意地示出一裝置，其中該+1級和-1級係被用來由每一個從CO雷射12入射於AOM 52上的脈衝，同時地提供二個削波的脈衝。轉向鏡120和122會將該二削波的脈衝導回至該AOM以供色散補償，如同在圖5的色散補償裝置中。經色散補償的削波脈衝會分別被轉向鏡124和126導致分開的消色差聚焦光件70A和70B(未明白地示出)。
另一用來共同地由一入射脈衝提供二削波脈衝的色散補償裝置係示於圖9中。於此AOM 52係被二不同的RF頻率f1和f2依序地驅動。在圖9中該等削波的脈衝射束係被以一粗線示出以便說明。此等射束包含上述及在其它圖中示出之繞射的射線扇。在圖9中，f2係被假設為大於f1，因此該f2削波的脈衝射線會以一比f1削波的脈衝射線更大的角度繞射。
在圖9的裝置中，色散補償係由稜鏡65和67來提供。被f2致生的色散係假設為會比以單一稜鏡所能補償者更大。該f2射線會橫貫該二稜鏡來提供該補償。被f1致生的色散係充分地小而僅需稜鏡65來提供色散補償。該f2和f1削波的脈衝會送至分開的聚焦元件，如前參照圖8所述。
圖10示意地示出一類似於圖8之裝置的色散補償裝置，其中AOM 52會使用該+1繞射級和-1繞射級來為單一入射脈衝同時地提供二個削波脈衝。該等繞射射束係被以單粗線表示，以便說明，如同在圖9的裝置中。在圖10的裝置中，該等繞射射束係被稜鏡65A和65B分開地色散補償，其會將該等色散補償後的射束分別地導致消色差聚焦光件70A和70B(未明白地示出)。
本發明係被以一較佳和其它的實施例說明如上。但本發明並不受限於在此所述和示出的實施例。而是本發明係僅被所附的申請專利範圍限制。

Claims (16)

  1. 一種用於雷射鑽製一工件的裝置，包含：一第一聲光調制器(AOM)；一一氧化碳(CO)雷射，會發射雷射輻射脈衝，該等脈衝中的輻射具有在一大約4.5微米和大約6.0微米之間的波長範圍內之多數個波長，該等輻射脈衝具有一時間上升邊緣和一時間下降邊緣，且該等雷射輻射脈衝係以一入射方向入射在該AOM上；該AOM係被設成能：接收該等輻射脈衝、在對該入射方向呈一角度的依從波長的分散方向之一第一範圍內，把排除了該上升邊緣的部份和該下降邊緣的部份的該等脈衝之一中心時間部份分散、以及沿該入射方向傳送該等脈衝的殘餘部份；一色散補償器，被設成能接收該等脈衝的中心時間部份以及將分散方向的範圍縮減至一小於該第一範圍的第二範圍；及至少一光學元件，被設成能將來自該色散補償器的時間脈衝部份消色差地聚焦於該工件上。
  2. 如請求項1之裝置，其中該色散補償器包含至少一稜鏡。
  3. 如請求項2之裝置，其中該色散補償器包含二稜鏡。
  4. 如請求項2之裝置，其中該稜鏡係為硫化鋅稜鏡。
  5. 如請求項1之裝置，其中該色散補償器係為一第二聲光調制器。
  6. 如請求項1之裝置，其中該等脈衝之一中心時間部份係被該第一AOM之一第一部份分散，該色散補償器為該第一AOM之一第二部份，且該裝置更包含至少一反射式光學元件，被設成能使繞一光徑的該等脈衝被分散的中心時間部份轉向進入該第一AOM的第二部份中。
  7. 如請求項6之裝置，其中該至少一反射式光學元件為一平面反射式光學元件。
  8. 如請求項6之裝置，其中該第一AOM的第一和第二部份之間的光徑之長度係充分足夠，而足以使一脈衝的分散中心部份，在該整個脈衝橫貫該第一AOM的第一部份之後，到達該第一AOM的第二部份。
  9. 如請求項6之裝置，其中該裝置包含二平面反射式光學元件，被設成能使繞該光徑的該等脈衝被分散的中心時間部份轉向進入該第一AOM的第二部份中。
  10. 如請求項6之裝置，其中該裝置包含一平面反射式光學元件及第一和第二凹面反射式光學元件，被設成能使繞該光徑的該等脈衝被分散的時間中心部份轉向進入該第一AOM的第二部份中。
  11. 如請求項10之裝置，其中該第一和第二凹面反射式光學元件具有相同的焦距，且被設成面對面並以兩倍的該焦距相隔分開。
  12. 如請求項11之裝置，其中該等脈衝之分散的中心部份係由該第一凹面反射式光學元件反射至該第二凹面反射式光學元件，再由該第二凹面反射式光學元件反射至該 平面反射式光學元件，並由該平面反射式光學元件反射至該第一AOM的第二部份。
  13. 如請求項1之裝置，其中該至少一聚焦光學元件係為一凹面鏡。
  14. 如請求項1之裝置，其中該等方向的第二範圍係大致平行的。
  15. 一種用於雷射鑽製一工件的裝置，包含：一第一聲光調制器(AOM)，被具有相同頻率但不同振幅的至少第一和第二射頻訊號依序地操作；一一氧化碳(CO)雷射，會發射雷射輻射脈衝，該等脈衝中的輻射具有在一大約4.5微米和大約60微米之間的波長範圍內之多數個波長，該等輻射脈衝具有一時間上升邊緣和一時間下降邊緣，且該等雷射輻射脈衝係以一入射方向入射在該AOM上；該AOM係被設成能：接收該等輻射脈衝、經由該第一和第二射頻訊號施加於該AOM，把排除了該上升邊緣的部份和該下降邊緣的部份的該等脈衝的第一和第二中心時間部份分散，且該第一和第二時間部份係在對該入射方向呈一角度的依從波長的分散方向之一第一範圍內被分散，該等射頻訊號的第一和第二振幅係被選成會使該第一和第二時間上相鄰的中心時間部份之尖峰功率大致相等；一色散補償器，被設成能接收該等脈衝的中心時間部份以及將分散方向的範圍縮減至一小於該第一範圍 的第二範圍；及至少一光學元件，被設成能將來自該色散補償器的時間脈衝部份消色差地聚焦於該工件上。
  16. 如請求項15之裝置，其中該第一和第二射頻訊號係由一分別以第一和第二射頻產生器作種籽的射頻放大器來提供。
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