摘要：微盲孔钻孔技术已经成为制约PCB和HDI技术提高的瓶颈之一。紫外激光（UV）加工技术具有能量高、精度高的优势，成了激光钻孔研究的新热点。本文主要研究了UV激光盲孔钻孔中的同心圆方法、摇摆环（wobble)方法。实验结果表明，在高斯光束的情况下，利用同心圆扫描的方法进行100μm盲孔钻孔时，底部平均深度为65.24+/-1.26μm，孔径比为0.80+/-0.016；利用摇摆环方法时，底部平均深度控制在64.40+/-0.91μm，孔径比为0.76+/-0.031。实验结果表明，这两种方法都可以获得满足加工要求的微小盲孔。
关键词：紫外激光；盲孔；钻孔；扫描方法
随着IC产业的突飞猛进，特种元器件的不断推出，PCB产品也向着超薄型，小元件，高密度，细间距方向快速发展，线路板上元器件组装密度不断提高，PCB的线宽、间距、焊盘越来越小。与此同时，随着高密度互连（High Density Interconnector，HDI）技术的不断发展，微盲孔直径由0.2mm~0.15mm发展到0.075mm，甚至更小，孔结构也由一阶发展到高阶，其制作质量的好坏，将严重影响产品的合格率[1]。因此，盲孔加工技术水平也直接关系到HDI生产的发展趋势[1]，成为高精密线路板发展的关键技术[2,3]。
微导盲孔的形成技术主要有：机械钻孔、感光成孔、等离子蚀孔和激光钻孔等[2,2]。其中激光钻孔技术具有适用孔径尺寸小、成本低、精度和效率高等优点，在PCB微孔制造技术中占有越来越重要的地位[1,2]。激光钻孔主要包括CO2激光钻孔和紫外激光钻孔。
CO2激光钻孔技术以热烧蚀原理加工，通过光学聚焦将能量照射到待加工材料上，待加工材料吸收高能量的激光，在极短时间内加热到融化并被蒸发[4,5]。因此，激光光斑大小对加工的精度起到了非常重要的作用。根据衍射理论，激光光斑的衍射极限为：
（1）
其中，λ0为激光器工作波长，f为聚焦透镜的工作焦距，d为透镜入射光斑的有效孔径。在同等参数下，波长越短，激光光斑就越小。由于CO2激光器的波长较长，造成聚焦光斑过大，一般应用于100um以上的微盲孔加工。同时，铜对CO2的吸收效率不高，造成在处理表面为铜层的线路板材料时工序复杂[4,5,6]。紫外激光盲孔制作可以解决CO2在盲孔制作过程中存在的一些问题。紫外激光具有相对较高的光子能，可以破坏一些材料的长分子链，成为更小的微粒，产生等离子气体，并带走材料而形成盲孔[6]。相对于CO2激光器，紫外（UV）激光有以下几个优势：
（1） 更短的波长，可以获得更小聚焦光斑，实现更高的精度。
（2） 铜对紫外激光有更高的吸收效率，利用紫外激光可以轻易破铜，从而实现对铜箔的加工。
但是在聚焦平面上，紫外激光的聚焦光斑直径相对较小，一般在10~20um的尺度范围内变化，而目前常用的微盲孔的直径在30~200um左右。为了获得准确的盲孔尺度，需要利用聚焦光斑在目标位置上进行扫描，通过激光光斑的扫描，使得激光能量能与不同位置上的材料进行作用，并带走材料，从而实现激光钻孔。不同的扫描方法，对盲孔的制作产生较大的影响。为了获得更好的UV盲孔，本文对几种紫外激光钻孔的扫描方法进行研究，并实现了UV激光盲孔钻孔。通过对这些盲孔的三维测量，本文还获得了这些盲孔的相关参数，对比了这两种不同方法的钻孔效果。
一、激光盲孔钻孔方法
盲孔的扫描方法主要有以下几种：
同心圆方法
同心圆的方法是直接利用圆周扫描的方法，根据测量得到的激光光斑半径，在目标位置上从里到外分别扫描，实现盲孔的制作。其运动轨迹可以由公式（2）表示。
（2）
其中，x,y为振镜的位置，r为聚焦光斑大小，ω为振镜圆周运动的角速度，N为需要扫描的次数，这是由盲孔直径与聚焦光斑直径大小决定的。图1显示了同心圆钻孔方法，通过几个不同圆轨迹的扫描，实现了整个盲孔区域的扫描。
图1. 同心圆扫描方式示意图，图中的小圆表示聚焦光斑
螺旋线方法
螺旋线方法与同心圆方法不同，它在进行匀速角速度运动时，其半径会随着时间的增加而增加。其轨迹可用公式（3）表示。
（3）
其中v是半径增加的速度，ω是其进行圆周运动的角速度。在圆周运动的同时，不断增加半径，最终完成对整个盲孔区域的扫描。在实现过程中，可以利用直线来拟合出这些变曲率的圆弧。
图2. 螺旋线扫描方式示意图，图中的小圆表示聚焦光斑
摇摆环方法
摇摆环扫描方法与同心圆方法相类似，但是它在大范围圆扫描的同时，在小范围内也有一个圆周扫描运动，它的轨迹可以用公式（4）表示。
图3. 摇摆环扫描方式示意图，图中的小圆表示聚焦光斑
两个圆周运动相叠加就会在圆周运动的基础上产生一个振荡，如图3所示。其中，R1为图中沿虚线运动的大圆的半径，ω1为其角速度，R2为小圆运动的半径，ω2为其角速度。通过设置小圆周运动的振幅，就可以扩大一次圆周运动中激光扫描的区域。摇摆环方法是比较有效率的一种激光扫描方法[7]。
由于螺旋线方法的半径是随着时间变化的，在外圏时并不是圆周运动，会造成真圆度下降，而且振镜在运动过程中需要不断的加速减速，并附带有开关光延时，从而造成了效率的下降。因此，本文主要采用了同心圆与摇摆环的方法进行实验，并获得这两种方法的盲孔钻孔效果。
二、实验结果
目前实验采用的材料是有胶双面覆铜板，如图5所示。
图4.有胶双面覆铜板
其中PI为聚酰亚胺（Polyimide, PI）薄膜。材料中共分为五层，两层铜箔，一层PI层，用两层胶层粘合。激光盲孔钻孔的目标是得到从第一层覆铜到第二层覆铜的盲孔，也是一阶盲孔。盲孔深度大约为65μm，需尽量避免对第二层覆铜的损伤并避免残胶的存在。
实验是在正业科技自主研制的JG21 UV激光盲孔加工平台上进行的。激光器参数以及聚焦透镜参数如表1所示。
表1. 激光微加工平台关键性能参数
组件 | 参数 | 性能 |
激光器 | 激光波长 | 355nm |
功率级别 | 11W/40KHz |
频率范围 | 40～90KHz |
脉冲宽度 | 130ns |
光腰直径 | 0.25mm |
光束发散度（全角） | 2.0±0.35mrad |
| 光束指向漂移 | <10μrad/℃ |
光束圆度 | >85% |
聚焦透镜 | 工作焦距 | 100mm |
由于材料是分层结构，材料对紫外激光的吸收率存在着较大的误差，研究结果表明，采用多层加工的方法可以xx地控制刻蚀样品深度，避免聚合物材料的残留和第二层铜层的过蚀[4,6]。因此，实验过程中，我们采用的是二层扫描的方法，第一层采用较高的激光功率，实现破铜操作，第二层采用较低的功率，将第二层铜表面的残留物去除[4,6,7]。
图5. 盲孔的三维显微镜成像
通过在铜箔上进行盲孔钻孔实验，得到了不同扫描方法的钻孔效果。通过三维显微镜，可以获得盲孔表面以及内部的钻孔深度情况。图5是采用同心圆方法进行盲孔钻孔的效果图。从图5(a)可以清晰地看出第一层铜箔以及第二层铜箔。第一层铜箔表面的黑色部分为热影响区，第二层表面的黑色为未去除的胶层及其他材料，这些材料造成了底铜的深度存在起伏，如图5(b)、(c)所示。同时，图5(b)、(c)也表明盲孔的边缘存在毛边现象，造成了圆孔真圆度的下降。产生这些现象的原因主要有两种：1. 由于激光器的输出功率存在波动；2. 材料存在不均匀性，对光的吸收不均匀。这两种原因的共同作用影响了盲孔的质量。
图6. 参数测量方法
激光制作盲孔过程中，其质量评价的参数主要有锥度、孔形状、玻璃纤维突出程度、侧蚀程度、圆孔真圆度、底铜平整度等。为了对比这两种方法的效果，本文对其中几个参数进行了测量，其测量方法如图6所示。通过三维显微镜，可以测量出盲孔的上孔径、下孔径、平均深度。同时，通过三维显微镜的功能，还可以获得盲孔底部最深的深度以及底部突出点的深度。
表2 同心圆方法参数测量
No. | 上孔径(μm) | 下孔径(μm) | 均值 (μm) | 最深 (μm) | 最浅 (μm) | 波动(μm) | 孔径比 |
1 | 99.54 | 79.49 | 64.28 | 72.61 | 61.73 | 10.88 | 0.8 |
2 | 97.4 | 80.21 | 66.23 | 71.45 | 61.13 | 10.32 | 0.82 |
3 | 99.54 | 79.49 | 63.82 | 69.92 | 61.12 | 8.8 | 0.8 |
4 | 103.12 | 80.21 | 65.24 | 71.78 | 60.54 | 11.24 | 0.78 |
5 | 100.26 | 79.49 | 64.26 | 72.74 | 64.1 | 8.64 | 0.79 |
6 | 100.98 | 80.21 | 67.21 | 72.11 | 62.78 | 9.33 | 0.79 |
7 | 104.56 | 83.79 | 66.75 | 70.85 | 64.33 | 6.52 | 0.8 |
8 | 99.54 | 82.36 | 64.96 | 69.88 | 61.47 | 8.41 | 0.83 |
平均值 | 100.61 | 80.66 | 65.24 | 71.42 | 62.15 | 9.26 | 0.8 |
标准差 | 2.26 | 1.58 | 1.26 | 1.12 | 1.43 | 1.54 | 0.016 |
表2和表3是分别利用同心圆方法和摇摆环方法进行100um直径的盲孔进行钻孔，然后测量得到其中几个参数的结果。表2和表3的测量结果表明，利用同心圆方法进行盲孔钻孔时，其底部的平均深度为65.24um+/-1.26um，而利用摇摆环方法进行盲孔钻孔时，为64.40um+/-0.91um。这表明利用摇摆环方法得到的盲孔具有较为平坦的底部，对材料的去除能力较为平均、稳定。
表2 摇摆环方法参数测量
N0. | 上孔径(μm) | 下孔径(μm) | 平均深度 (μm) | 最深 (μm) | 最浅 (μm) | 波动 (μm) | 孔径比 |
1 | 96.68 | 78.06 | 63.95 | 69.58 | 58.48 | 11.1 | 0.81 |
2 | 95.96 | 75.91 | 65.22 | 70.75 | 57.23 | 13.52 | 0.79 |
3 | 103.84 | 77.34 | 63.17 | 70.41 | 59.65 | 10.76 | 0.74 |
4 | 103.12 | 74.48 | 65.51 | 69.88 | 59.43 | 10.45 | 0.72 |
5 | 98.11 | 78.01 | 64.99 | 69.01 | 57.44 | 11.57 | 0.8 |
6 | 95.96 | 77.34 | 63.17 | 69.89 | 55.15 | 14.74 | 0.81 |
7 | 97.4 | 75.91 | 64.9 | 68.7 | 56.84 | 11.86 | 0.78 |
8 | 100.98 | 75.91 | 64.27 | 65.05 | 58.37 | 6.68 | 0.75 |
平均值 | 99.01 | 76.63 | 64.40 | 69.16 | 57.82 | 11.34 | 0.76 |
标准差 | 3.20 | 1.26 | 0.91 | 1.79 | 1.48 | 2.37 | 0.031 |
由于激光器功率不稳定以及材料的不均匀，激光钻孔的底部也存一些突起或凹陷区域，利用同心圆方法时，底部峰值点的波动9.26+/-1.52μm，而利用摇摆环方法时，底部峰值点的波动范围为11.34+/-2.37μm。但是这两种方法的最深处均没有超出75μm，不存在击穿第二层铜箔的现像。这些峰值点的存在，严重地影响了激光钻孔的效果。
微盲孔的锥度也就是孔径比也是评价激光钻孔效果的重要参数。同心圆与此对应的值分别为0.80+/-0.016，利用摇摆环方法进行钻孔得到的上下孔径比为0.76+/-0.031。相对而言，同心圆的方法要优于摇摆环的方法。
通过盲孔钻孔实验，还可以得到这两种方法钻孔效率的对比。在一个振镜区域内钻直径为100μm的1600个盲孔时，同心圆扫描方法的时间为23秒，而摇摆环扫描方法的时间为19秒。因此，摇摆环的方法具有更高的钻孔效率。
为了验证三维显微镜的效果，本文还对盲孔进行切片，获得了盲孔的剖面效果，如图7所示。从图中可以发现，无论是同心圆还是摇摆环的方法，都获得了良好的剖面效果，孔壁光滑，底部的铜损伤较小，摇摆环方法底部有毛刺现象。
三、总结
通过对同心圆、螺旋线、摇摆环的运动轨迹分析，本文研究了同心圆、摇摆环法这两种盲孔制作的主要方法，通过在铜箔上进行直径为100um盲孔实验，实现了紫外激光盲孔加工。实验结果表明，两种方法都可以获得满足加工要求的微小盲孔。其中，同心圆扫描的方法进行100μm盲孔钻孔时，其底部平均深度为65.24μm+/-1.26μm，孔径比为0.80+/-0.016，其底部的峰值范围为9.26+/-1.54μm；用摇摆环方法时，其底部的平均深度为64.40μm+/-0.91μm，孔径比为0.76+/-0.031，其底部的峰值范围为11.34+/-2.37μm。因此，摇摆环的方法效率较高，平均深度起伏较小，对材料具有更平稳的去除能力，而同心圆方法的孔径比较高，峰值波动范围更小。实验结果还表明，同心圆扫描方法具有更好的真圆度。为了获得效果更好、孔径更小的紫外激光钻孔效果，将来还需要对加工参数进行优化，选用更小脉宽、更稳定的激光器，同时将高斯光束整形为平顶光，可以得到更好的激光钻孔效果，并可以加工出更小孔径的盲孔。