使用超快激光器对电路板材料进行图案化和去除电路板材料

技术领域

本发明的实施例涉及印刷电路板的制造，并且更具体地，涉及创建精细迹线、RDL(重分布线)以及在印刷电路板或IC基板中钻微小过孔的改进方法。

背景技术

可以使用许多不同的工艺来创建现代印刷电路板(PCB)。在PCB上创建导电线路和焊盘图案的常见工艺是直接成像。在直接成像中，首先处理PCB的光敏层压部(laminate)。当暴露于光时，光敏层压部变得对显影剂具有耐抗性。以预期的电路的形状将光敏层压部暴露于紫外线(UV)激光辐射，然后用显影剂进行清洗。光敏层压部保留在暴露于UV激光辐射的区域中。然后将具有层压部的PCB暴露于对PCB的金属层有腐蚀性的化学制剂(被称为蚀刻剂)。层压的区域对腐蚀剂具有耐抗性，并且层压部下方的导电层不会被蚀刻剂腐蚀。在暴露于蚀刻剂之后，去除层压部，留下干净的导电金属迹线。在一些直接成像方法中，使用UV灯通过透明图像掩模以电路的形式将层压部暴露于辐射。直接成像工艺使用光敏层压部、显影剂和蚀刻剂，它们可以是有毒化学制剂或腐蚀性化学制剂，并且迹线的大小取决于所选的光敏层压部。

类似地，使用激光器在多层或多面PCB中的各层之间创建被称为过孔的孔。过孔将一层电耦合到另一层。存在多种不同类型的过孔，例如，最简单类型的过孔是从第一导电层完全延伸到第二导电层的孔的通孔。过孔的另一示例是盲过孔，盲过孔从第一导电层延伸到第二导电层，但是在穿过第二导电层之前停止。过孔的第三示例是掩埋过孔，掩埋过孔是电耦合被PCB的其他层覆盖的PCB的两层的孔。第四示例过孔是堆叠过孔，堆叠过孔是穿过PCB的多个层并将这些层电耦合在一起的孔。

为了创建这些过孔，对PCB的铜表面进行化学处理以产生黑色氧化物，从而降低在～10um的CO

对智能设备中更高密度的互连的驱动，使得必须在电路板和IC基板上使用越来越小的细线和微小过孔直径。CO

因此，在本领域中需要一种无需化学处理或UV激光器即可快速产生PCB细迹线和较小微过孔的技术。

发明内容

附图说明

通过考虑结合附图的以下详细描述，可以容易地理解本公开的教导，在附图中：

图1A是根据本公开一方面的PCB的横截面图。

图1B是描绘了根据本公开一方面的用脉冲辐射在PCB上产生变暗的迹线的横截面图。

图1C是描绘了根据本公开一方面的用较长持续时间辐射蚀刻的PCB的铜层的横截面图。

图2A是示出了根据本公开一方面的用脉冲辐射在多层PCB中产生用于过孔的变暗区域的横截面图。

图2B是示出了根据本公开一方面的用来自较长持续时间较长波长激光辐射的第一脉冲烧蚀的多层PCB的上部铜层和某个基板的横截面图。

图2C是示出了根据本公开一方面的用较长持续时间的脉冲和较长波长辐射来去除多层PCB的基板的横截面图。

图2D是示出了根据本公开一方面的用较长波长较长脉冲持续时间辐射来对多层PCB的第二导电材料层进行清洁和去污的横截面图。

图3是描绘了根据本公开一方面的两个激光器微过孔钻孔系统的示图。

图4示出了根据本公开的各方面的可以在金属表面上绘制的电路图案的示例。

具体实施方式

尽管以下详细描述出于说明的目的而包含了许多具体细节，但是本领域的普通技术人员将理解的是，对以下细节的许多变化和变更都在本发明的范围内。因此，阐述了下面所描述的本发明的示例性实施例，而不会对使所要求保护的发明失去普遍性，并且不会对所要求保护的发明施加限制。

在以下具体实施方式中，参考形成本公开的一部分的附图，并且在附图中，通过图示的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。在这方面，参考所描述的附图的取向使用方向术语，诸如“顶”、“底”、“正”、“背”、“前”、“后”等。因为本发明的实施例的组件可以以许多不同的取向进行定位，所以方向术语用于说明而绝非限制的目的。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为限制意义的，并且本发明的范围由所附权利要求进行限定。

根据本公开各方面的电路迹线制造可以以空白PCB作为初始工件开始。如图1A中所示，空白PCB通常可以包括导电材料层101、堆积层(build-up layer)或绝缘层102、以及可选地包括芯材料层103。导电材料层101可以是PCB制造领域中已知的任何导电材料，但是通常是导电金属或金属混合物，诸如铜、镍、锡、铅、铝、银、金或其任何组合。绝缘层102可以由PCB制造领域中已知的任何非导电材料制成。用作绝缘层或堆积层的合适基板的示例包括有机环氧树脂，诸如ABF、聚酰亚胺材料或编织玻璃纤维环氧树脂材料，诸如FR4、FR2、FR1、CEM-1、CEM-3和预浸料。芯103可以由被选择以为导电层和绝缘层提供强度和抗撕裂性的刚性或柔性材料组成。通常，芯也是玻璃纤维环氧树脂，但在一些情况下可以是金属、陶瓷或塑料。另外，空白PCB可以是双面多层PCB。双面PCB在电路板的两个基本平坦的面上都涂覆有导电材料，其中绝缘层和可选地芯材将两个导电材料层隔开。多层PCB具有被绝缘层或堆积层隔开的两个或更多个导电材料层，例如如图2A至图2D中所示，导电材料101设置在PCB的基本平坦的表面上，并且基板102将设置在绝缘层或堆积层202上且在导电材料101下面的第二导电材料201隔开。根据本公开各方面的可以使用的其他PCB类型包括Flex和Flex-Rigid板类型。

电路迹线制造

用于制造PCB迹线和过孔的当前方法需要进行有毒化学处理和多个耗时的步骤。该新方法使用两步工艺。如图1B中所示，使用超快脉冲式激光辐射104在导电材料层上限定迹线105的图案。如本文中所使用的超快脉冲式激光辐射104可以指脉冲持续时间为100飞秒(fsec)至100皮秒(ps)的激光。超快脉冲激光器104可以是波长在350纳米至5微米范围内的脉冲激光UV至红外(IR)。例如但不限于，超快脉冲激光器104可以是能够产生特征在于波长约为1μm以及脉冲持续时间为2-3皮秒的激光脉冲的IR激光器。例如但不限于，IR激光器可以是Yb皮秒脉冲激光器，诸如IPG光子YLPP-25-3-50镱皮秒光纤激光器。

注意，给定光学频率(光速除以波长)的光的波长通常是光在其中传播的介质的函数。本文中经常使用术语“波长”来指代“真空波长”或给定频率的光在真空中的波长。

根据本公开各方面的超快脉冲激光光斑的直径d可以是任何尺寸，但是在优选实施例中小于35μm。超快脉冲激光器104可以用在PCB上的表面位置105处，以通过使导电材料101的一部分变暗来对电路和互连的图案进行布局。超快脉冲激光辐射104直接在金属表面101上快速产生数字限定的暗化或黑色图案105，而无需多步骤光刻/光致抗蚀剂工艺或昂贵的UV激光器或灯。导电材料101的表面暴露于超快脉冲激光辐射104，通过产生纳米结构的脊和谷使表面105变暗。这些纳米结构增加了表面积并降低了表面的反射率，从而有效地产生了看起来较暗或黑色的区域。已被超快脉冲激光器104辐照的黑色区域105具有增加的光学吸收，这有利于随后用来自较长波长的激光器的较长持续时间的辐射脉冲选择性地去除它们。如上所述，可以激光照射在金属表面上的电路图案的示例在图4中示出。

如图1C中所示，用超快脉冲激光器104产生的暗化或黑色图案105与未改性的高反射性导电材料101的组合产生了“共形掩模”，使较长波长激光器106产生的迹线宽度小于用较长波长激光器通常可实现的迹线宽度。为了产生根据本公开各方面的迹线，用来自较长波长激光器106的较长持续时间脉冲辐照该暗化或黑色图案105。由于暗化或黑色图案的吸收率较高而反射率较低，较长波长激光器106的较长持续时间辐照烧蚀暗化或黑色图案108的位置的材料。导电材料的不具有暗化或黑色图案的区域107没有被烧蚀，这是因为导电材料对较长持续时间较长波长激光辐射106具有高反射性。因此，期望选择较长持续时间较长波长激光器的波长，使得未改性的导电材料101对较长脉冲较长波长激光器的辐射具有高反射性。例如但不限于，较长持续时间较长波长激光器106可以具有在1μm至20μm范围内的波长。在一些实施例中，较长持续时间较长波长激光器106是常见的工业激光器，诸如脉冲二氧化碳(CO

用超快脉冲高重复率激光器进行快速图案化然后用CO

过孔的激光制造

过孔是从PCB的一个导电层到另一个导电层的孔。通常，过孔通过涂覆侧面或用导电材料填充过孔的孔来电耦合两个层。如图2A中所示，过孔的制造最初从具有被绝缘层102隔开的导电材料层101和第二导电材料层201的双面或多面PCB开始。超快脉冲激光器203辐照空白铜板PCB的表面位置，从而产生用于过孔的暗化或黑色图案204。如上所述，暗化或黑色图案增加了吸收率并降低了导电材料对较长波长辐射的反射率。

在如图2B中所描绘的下一步骤中，暗化或黑色图案204暴露于来自较长脉冲持续时间较长波长激光器205的辐射。如上所述，较长持续时间较长波长激光器205可以例如但不限于是CO

如图2C中所示，用较长持续时间较长波长激光辐射209的第二脉冲辐照穿过导电材料101到绝缘材料102中的产生的小孔207。该脉冲穿过剩余的绝缘材料102，到达第二导电层201。来自较长持续时间较长波长激光器的任何附加辐射被反射210离开第二导电层201的高反射表面。如前所述，表面导电材料层101上的不在暗化或黑色图案位置的任何辐射都会被反射208。

最终，如图2D中所描绘的，暗化或黑色图案204的表面位置第三次暴露于来自较长持续时间较长波长激光器的辐射211。不在暗化或黑色图案的位置的任何辐射都仅仅被反射213。辐射211清洁任何剩余的基板102的第二导电材料层201，并且在暴露位置对第二导电材料201的表面进行去污。一旦被清洁和抛光，第二导电材料201的暴露表面变为反射性的，并且反射212烧蚀剩余的基板未被吸收的剩余的辐射。因此，该孔清洗工艺在PCB的表面产生了从一个导电层101到第二个导电层201的盲孔。可以通过使用第三导电材料将该导电层和第二导电层电耦合以产生盲微小过孔来完成孔。孔的内壁可以镀有或填充有导电材料，诸如导电金属或金属混合物。导电金属或金属混合物可以例如但不限于铜、镍、锡、铅、铝、银、金或其任何组合。

通过上面所公开的方法，可以通过迭代重复堆积PCB层压工艺来产生任何层深的过孔。例如但不限于，可以产生四层深的过孔。

用超快脉冲高重复率激光器进行快速图案化然后用CO

实施方式

可以使用如图3中所示的两激光器系统来实现根据本公开各方面的用于制造电路迹线和微过孔的方法。两激光器系统可以包括超快脉冲激光器303和较长持续时间较长波长激光器301。激光器是通过辐射的受激发射的光放大(light amplification bystimulated emission of radiation)的首字母缩写。激光器是由两个反射面形成的光谐振腔。反射表面之一允许辐射的一小部分入射在其上而逃逸。腔包含可激射材料，有时也被称为增益介质。增益介质可以是任何合适的材料-晶体、玻璃、液体、半导体、染料或气体-包含能够通过泵浦(例如，通过光或放电)而激发到亚稳态的原子。当原子回到基态时，原子从亚稳态发射出光。通过的光子的存在激发了光发射，这使发射的光子具有与激发光子相同的相位和方向。光(在此被称为受激辐射)在腔内振荡。

受激辐射的波长取决于增益介质的选择。因此，经常根据所使用的增益介质来描述激光器。例如，CO

来自谐振腔的光的脉冲可以例如通过脉冲种子辐射或泵浦能量来实现。在一些实现中，取决于期望的脉冲特性，可以例如通过调Q或锁模来光学地实现脉冲。例如，通过旋转镜或电光开关主动地对CO

调Q迅速地改变光学谐振腔的Q。Q是指腔的品质因数，被定义为(2π)x(存储在谐振器中的平均能量)/(每周期耗散的能量)。光学谐振器的表面的反射率越高，吸收损失就越低，Q越高，期望的激光模式的能量损失就越小。Q调激光器在激光器的谐振腔中使用Q调来防止激射效应，直到在激射介质中实现高水平的反转(光学增益和能量存储)为止。当开关例如用声光或电光调制器或可饱和吸收器来迅速增加腔的Q时，生成了巨大的脉冲。

锁模利用了激光器的谐振腔的不同模式之间的相长干涉，以使激光产生为脉冲序列。以这种方式操作的激光器被称为“锁相”或“锁模”。由于光是波，因此当在谐振腔的反射镜之间跃动时，光将与其自身进行相长和相消干涉，导致在反射镜之间形成驻波或模式。这些驻波形成离散频率集合，被称为腔的纵向模式。这些模式是自再生的，并且可以在谐振腔中振荡。其他频率的光被相消干涉抑制。锁模激光器通过在内部控制每个模式的相对相位(有时通过相对于时间的调制)来工作，从而有选择地产生高峰值功率且短持续时间的能量爆发，例如，在皮秒(10-12秒)域内。

如上所述，超快脉冲激光器303可以具有100飞秒至100皮秒的脉冲持续时间。超快脉冲激光器303可以发射UV至红外(IR)光谱范围内的辐射304，其波长在300纳米至5微米的范围内。例如但不限于，NdYAG激光器通常发射约1064nm的辐射，这可以被认为是约1μm。本公开的优选实施例是波长为1μm且脉冲持续时间为2-3皮秒的脉冲IR光纤激光器。超快脉冲激光器的光斑尺寸可以小于50um，并且通常为30-25μm。超快脉冲激光器的峰值功率可以大于10MW。根据本公开各方面的较长持续时间较长波长激光器301可以发射波长范围为9μm至10.6μm的激光辐射302。在示例性实施例中，较长持续时间较长波长激光器是常见的工业激光器，诸如二氧化碳(CO

如本文中所使用的，术语脉冲持续时间是指重复信号的时间持续时间或寿命，例如，脉冲的前沿和后沿(leading and trailing edge)上的半功率点之间的时间间隔。脉冲持续时间有时被称为“脉冲宽度”。脉冲能量是指脉冲中的能量的量。可以通过在脉冲周期内对瞬时脉冲功率进行积分来计算脉冲能量。脉冲周期(T)是指两个或更多个脉冲的序列中的连续脉冲的等效点之间的时间。脉冲重复频率(PRF)是指脉冲每单位时间的重复率。PRF与周期T成反比，例如PRF＝1/T。

两激光器系统可以包括光学器件305，以控制激光辐射并将激光辐射聚焦到工件306上。光学器件305可以包括足够的反射镜和透镜以聚焦超快脉冲辐射304和较长波长辐射302。光学器件305还可以包括引起辐射的扫描的设备，诸如镜式检流计、机电镜、折射棱镜、电光偏转器等。在一些实施方式中，光学器件305可以被配置为以如上面以图1A-图1C以及图4所讨论的图案用来自激光器301、303的辐射扫描过工件306，或者形成如图2A-图2D所公开的过孔。光学器件还可包括扫描器、光束偏转器、孔径、滤波器和斩波器、光学放大器、Q开关、声光调制器(AOM)或EOM，用于控制激光器301、303所产生的辐射的强度、形状、位置和脉冲特性。光学器件305还可以包括均化器、孔径、准直器或其任何组合，其可以用于成形激光辐射的能量密度的空间分布。例如但不限于，均化器、孔径和准直器的组合可以使每个激光器的激光辐射的能量分布成形为均质的礼帽形分布。在本公开的一些实施例中，两激光器系统中的仅一个激光器具有成形的能量分布。

两激光器系统还可包括用于保持工件306的台307。在本公开的一些实施例中，台307是可移动台，被配置为横越工件306或绕辐射的焦点旋转工件306。可移动台可以是具有足够的齿轮传动以移动工件306的电动台。台307还可以包括夹具、安装支架或卡盘(例如，真空卡盘，磁性卡盘或静电卡盘)，以将工件306牢固地保持或紧固到台的表面。

如关于图1A和图2A所讨论的，工件306可以是具有至少一个导电金属表面的任何类型的PCB。工件306可以包括用于将对象安装到台的凹口或孔。

根据本公开各方面的两激光器系统可以由激光器控制器308控制，激光器控制器308可操作地耦合到激光器301、303、光学器件305和台307。例如但不限于，激光器控制器可以通过串行电缆、通用串行总线(USB)电缆、D-子电缆或母线(bus bar)可操作地耦合到系统中的其他组件。激光器控制器308可以包括处理器和存储器，并且可以被配置为(例如，通过对处理器的适当编程)使激光器301、303、光学器件305和台307实现图1A-图1C中所描述的制造迹线的方法以及图2A-图2D中所描述的制造过孔的方法。在本公开的一些实施例中，激光器控制器308是计算机化的控制器，在使系统执行所描述的方法的控制逻辑中实施该方法。在其他实施例中，激光器控制器308是通用计算机，具有在非暂时性计算机可读介质上实施的所描述的方法，该非暂时性计算机可读介质在被执行时使通用计算机成为专用计算机。专用计算机被配置为使系统执行所描述的方法。在其他实施例中，激光器控制器308是具有足够的电气和/或机械逻辑以使系统执行所描述的方法的机电控制器。

为了清楚起见，并未示出和描述本文中所描述的实施方式的所有常规特征。本领域技术人员将理解，在任何这样的实施方式的开发中，必须做出许多特定于实施方式的决定，以便实现开发者的特定目标，诸如遵守与应用和业务相关的约束，并且这些具体目标会因不同的实现方式和不同的开发人员而异。此外，将意识到，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言，这仍将是工程的常规工作。

根据本公开的各方面，可以使用下项来实现组件、处理步骤和/或数据结构：各种类型的操作系统；计算平台；用户界面/显示器，包括个人或膝上型计算机、视频游戏机、PDA和其他手持设备，诸如蜂窝电话、平板计算机、便携式游戏设备；和/或通用机器。此外，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本文中所公开的发明构思的范围和精神的情况下，也可以使用通用性较低的设备，诸如硬连线设备、现场可编程门阵列(FPG)、专用集成电路(ASIC)等。

尽管以上是对本发明优选实施例的完整描述，但是可以使用各种替代、修改和等同形式。因此，本发明的范围不应参考上面的描述来确定，而是应参考所附权利要求及其等同物的全范围来确定。任何特征(无论是否优选)都可以与任何其他特征(无论是否优选)结合。在所附权利要求中，不定冠词“一”或“一个”是指该冠词之后的一个或多个项目的数量，除非另有明确说明。所附权利要求不应被解释为包括装置加功能的限制，除非在给定的权利要求中使用短语“用于……的装置”明确叙述了这种限制。未明确声明用于执行特定功能的“装置”的权利要求中的任何元素均不得解释为如35USC§112，