楊 婷 何 為 成麗娟 周國云

（電子科技大學，四川 成都 610000）

徐 緩

（博敏電子股份有限公司，廣東 梅州 513768 ）

1 引言

CO2激光鉆孔是目前剛性HDI板中盲孔的主要加工方式[1]。激光鉆孔技術很大程度上提高了鉆孔速度，也擴大了微孔加工的應用范圍。更小的孔加工、更大的厚徑比和可實現(xiàn)更完美的電氣性能的孔型進一步推進印制電路行業(yè)的技術水平[2]。

對于CO2激光鉆孔，目前主要用于加工孔直徑為0.15 mm、0.125 mm、0.1 mm、0.075 mm的微盲孔，最小加工直徑可以做到50 μm以下，厚徑比達到20:1。隨著激光技術的不斷推進，激光鉆孔技術逐漸成熟起來[3]，但同時也對其提出更高、更難的要求，即更高效率和高質量制孔。

胡友作[4]等使用正交試驗法對撓性雙面板CO2激光鉆盲孔參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了比較好的參數(shù)。李曉蔚[5]等采用單純型法優(yōu)化了CO2激光制作的100微米的盲孔參數(shù)。但是，目前還沒有人系統(tǒng)的研究在剛性HDI板上CO2激光鉆孔參數(shù)分別對激光鉆孔效果的影響，所以本文做了該方面的工作。此外，胡友作等和李曉蔚等的研究中激光打銅和打樹脂的參數(shù)沒有區(qū)分開，在剛性HDI板中，激光打銅和打樹脂的參數(shù)差別很大，且兩者之間的相互配合對打孔效果影響也很大，要提供具有實際生產(chǎn)參考價值的參數(shù)就需要將打銅和打樹脂的參數(shù)區(qū)分開，并考慮兩者的組合對打孔效果的影響，這部分本文做了詳細的實驗研究，并提供了具體的打銅和打樹脂參數(shù)，便于再現(xiàn)，更具實際指導意義。本文首先通過控制變量法客觀的研究了FR-4基板上激光鉆孔中激光束的能量、脈沖寬度、脈沖次數(shù)，光罩尺寸各參數(shù)對激光鉆孔的影響，通過分析，確定優(yōu)化激光鉆孔參數(shù)初步選擇規(guī)律，在此基礎上，再用優(yōu)化試驗法優(yōu)化了剛性HDI板的直接燒蝕銅箔法激光鉆孔參數(shù)，找出了孔直徑為75 μm、100 μm、和125 μm的微盲孔的制作參數(shù)，為生產(chǎn)控制提供直接指導。

2 實驗

2.1 實驗設備及藥水

設備：三菱Mitsubishi ML605GTW-H CO2激光鉆孔機，垂直電鍍線，金相顯微鏡。

垂直電鍍線藥水：羅門哈斯填孔系列藥水，主要含有Cu2+、H2SO4、Cl-、Fe2+、Fe3+、加速劑、整平劑、光亮劑等。

實驗首先通過控制變量法研究了激光能量、激光脈沖寬度、激光脈沖次數(shù)和光罩尺寸四個激光鉆孔參數(shù)分別對激光成孔的效果影響，并以此確定了激光參數(shù)的選擇大體范圍。在此基礎上，通過優(yōu)化實驗設計，進一步確定了得到最優(yōu)上下孔徑比和真圓度的不同孔徑的孔的具體激光參數(shù)。

2.2 激光燒蝕FR-4基板的激光鉆孔參數(shù)對激光鉆孔的效果影響

為明確激光鉆孔參數(shù)對激光鉆孔的效果影響，現(xiàn)采用三菱Mitsubishi ML605GTW-H CO2激光鉆孔機，在輸出功率5 600 W，頻率100 Hz的條件下，在FR4上鉆孔分別討論激光鉆孔參數(shù)激光脈沖能量、激光脈沖寬度、激光脈沖次數(shù)、激光脈沖光罩尺寸（mask）與激光鉆孔的孔深、孔徑的關系，實驗參數(shù)分別如表1，表2～表4，表2-4所示。

表1激光能量與激光鉆孔的孔深、孔徑關系實驗的參數(shù)表

表2 激光脈寬與激光鉆孔的孔深、孔徑關系實驗的實驗參數(shù)表

表3 脈沖次數(shù)與激光鉆孔的孔深、孔徑關系實驗的實驗參數(shù)表

表4光罩尺寸(mask)與激光鉆孔的孔深、孔徑關系實驗的實驗參數(shù)表

2.3 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)在FR-4基板上激光鉆孔參數(shù)對激光鉆孔的效果影響實驗確定的激光鉆孔參數(shù)與孔徑、孔深的關系，來選擇直接燒蝕銅箔法激光鉆孔優(yōu)化實驗設計的激光參數(shù)范圍，采用L16（45）優(yōu)化實驗表安排實驗[6]，對激光鉆孔參數(shù)進行優(yōu)化：

選取激光脈沖能量、激光脈沖寬度、激光脈沖次數(shù)、激光脈沖光罩尺寸（mask）四個因素，前三個因素，每個因素取四個水平，最后一個因素即光罩尺寸取三個水平，試驗因素水平安排如表5。打孔板材為在RCC（Resin Coated Copper，覆銅板）上做完圖形后覆PP（Prepreg，半固化）片和長春銅箔并減銅棕化后的層壓板，孔深60 μm ～ 76 μm（銅厚5 μm ～ 6.5 μm和電介質層厚度55 μm ～70 μm之和），實驗評價指標：孔徑，真圓度，上下孔徑比。

表5 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的參數(shù)優(yōu)化正交試驗因素水平表

根據(jù)優(yōu)化實驗結果選出各指標的最優(yōu)參數(shù)和綜合各指標的最優(yōu)參數(shù)做驗證實驗，具體實驗方案見表3。

根據(jù)激光參數(shù)與鉆孔孔深、孔徑的關系實驗和直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔參數(shù)優(yōu)化實驗的結果選出各打不通孔徑的盲孔的最優(yōu)激光鉆孔參數(shù)驗證實驗。

將優(yōu)化后得到的孔做孔金屬化驗證實驗，分析其金屬化效果，進一步驗證優(yōu)化后的激光鉆孔參數(shù)打出的孔的性能。

鍍銅工藝流程為：除膠—化學鍍銅—電鍍銅—填盲孔

實驗以公司垂直電鍍生產(chǎn)線為環(huán)境，藥水為羅門哈斯填鍍系列藥水，電鍍參數(shù)為：1.4ASD×60min（ASD，安培/平方分米）。

3 實驗結果及討論

3.1 激光燒蝕FR-4基板的激光鉆孔參數(shù)對激光鉆孔的效果影響的實驗分析

在激光輸出功率與頻率恒定的條件下，光脈沖能量、光罩尺寸、脈沖寬度與次數(shù)決定鉆孔尺寸、形狀與加工質量及精度。下面通過實驗結果，分別詳述各激光鉆孔因素對激光成孔的影響。

實驗得到激光脈沖能量與孔深、孔徑有如圖1。

圖1 激光能量與成孔孔深、孔徑的關系曲線圖

由圖1可得到激光能量越大，激光鉆孔的孔尺寸也明顯增大，尤其是孔的深度，隨著激光能量的增加，大幅增加。CO2激光脈沖能量隨著其加工孔徑、孔深的增加而增加，且激光鉆孔的能量分布對成孔的孔壁影響很大，第一槍的脈沖能量較高有助于成孔真圓度及孔徑的控制，后面的槍數(shù)脈沖的能量應在第一槍的基礎上降低，這樣有利于孔的上下孔徑比即孔的錐度的控制，更對激光鉆孔的孔壁的質量有著不可忽略的影響。

實驗得到激光脈沖寬度與孔深、孔徑有如圖2關系。

圖2 激光脈沖寬度與成孔孔深、孔徑的關系圖

從圖2可以看出，脈沖寬度對激光鉆孔的效果也有很大的影響，CO2激光脈沖寬度直接影響其成孔尺寸、孔壁粗糙度，且隨鉆孔孔徑的增大而增加。脈沖過大，作用時間長，孔壁會有裂紋，且再鑄層也使孔壁更加凹凸不平，波紋，積瘤，嚴重的時候還孔被堵住。若用小脈寬則通光量密度雖然增大，但激光作用時間減少，尚未進入準穩(wěn)定蒸發(fā)狀態(tài)，激光照射就已結束，從而無法鉆孔，因此根據(jù)HDI電路板的的需要，明確孔的各項要求，選取合適的脈沖寬度。對于深而小的孔，宜選擇較長的脈沖；大而淺的孔，則易選擇較短的脈寬。

用多模式光束處理5 μm ～ 7 μm厚度的薄銅箔、介質層為55 μm ～ 70 μm的RCC，實驗結果得到光罩尺寸與激光鉆孔孔徑關系如表6。

表6 光罩尺寸和對應的孔徑關系表

從表3-1可看出，光罩尺寸對孔徑大小的影響很大，同時選取合適的光罩可以保證孔的質量，如孔徑為100 μm的孔，既可以用光罩尺寸為2.0 mm的，也可以用2.2 mm的，但是用2.2mm的打出的孔的質量會明顯優(yōu)于用2.0 mm的，因為用2.0 mm的光罩尺寸打100 μm的孔時，需將能量增大，能量超過15 mj時，由于激光照射時，加工能量會在材料的內部產(chǎn)生熱量，照射部分幾乎蒸發(fā)的同時，有一部分會擴散至孔的周圍，從而導致孔入口周圍及孔底的溫度上升，加工孔壁發(fā)生膨脹現(xiàn)象。為獲取HDI加工所需的高精度微孔，選用合適的光罩的同時還要選取合適能量與之匹配，才能得到最佳的孔。

在脈沖能量，脈沖寬度、光罩直徑選定后，影響鉆孔質量的重要因素還有脈沖次數(shù)。通過控制脈沖次數(shù)，使孔型呈圓倒梯形。實驗得到脈沖次數(shù)與成孔的孔深、孔徑的關系如圖3所示。

圖3 激光脈沖次數(shù)與成孔孔深、孔徑的關系圖

從圖3可以看出，由于在多脈沖加工中，激光脈沖的持續(xù)時問比孔壁冷卻時問短，因此通過控制脈沖模式，第一脈沖一般能量較高，以利于表面銅箔和絕緣層的去除；經(jīng)第一個脈沖后，孔徑不再有較大的增加，而孔深則隨著脈沖次數(shù)的增加而增加；而能量較小的第二脈沖則被使用于孔形的修整與孔底殘留絕緣層的除去，同時結合短脈沖高能量加工方式，以抑制孔入口處周邊的溫度上升速度。此外，隨著脈沖次數(shù)的增加，其每次打孔深度要小于初始孔徑以便于液相產(chǎn)生的量少且易排除，并且分布均勻，以保證鉆孔過程中孔壁和孔底的熔化最小，從而獲得最好的打孔質量和精度。

3.2 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的參數(shù)優(yōu)化實驗結果分析

激光鉆孔優(yōu)化實驗結果分析：采用L16(45)優(yōu)化實驗表安排實驗[6]，對激光鉆孔參數(shù)進行優(yōu)化：a上下孔徑比=（下孔徑/上孔徑）×100%。b 脈沖寬度組合代號1、2、3、4分別代表打銅脈寬13 μs+打樹脂脈寬6 μs、打銅脈寬14 μs+打樹脂脈寬5 μs、打銅脈寬15 μs+打樹脂脈寬4 μs和打銅脈寬15 μs+打樹脂脈寬6 μs。

因此，激光能量對孔的上下孔徑比和真圓度影響最顯著，光罩尺寸對孔徑影響最顯著。各參數(shù)的因素-指標曲線圖如圖4～圖6所示。

對于實驗指標上下孔徑比，實驗結果由極差數(shù)據(jù)可得， R1A>R1D>R1B>R1C，因而因素主次關系依次為A-D-B-C。由于激光鉆孔得到的微孔的下孔徑是上孔徑的80%～85%是最佳的，85%～90%也是較優(yōu)的，小于79%，大于90%的是不好的，小于79%的，除膠時容易出現(xiàn)側噬懸銅，孔的電氣性能不好等問題。大于90%不利于下一步鍍銅填盲孔時鍍液的分布，容易出現(xiàn)凹陷、空洞等缺陷。所以可選擇出最佳的參數(shù)組合為A2B2C3D2。

圖4 (a)激光能量、(b)脈沖寬度、(c)脈沖次數(shù)和(d)光罩尺寸對激光鉆孔的上下孔徑比的影響圖

圖5 (a)激光能量、(b)脈沖寬度、(c)脈沖次數(shù)和(d)光罩尺寸對激光鉆孔的上下孔徑比的影響圖

圖6 (a)激光能量、(b)脈沖寬度、(c)脈沖次數(shù)和(d)光罩尺寸對激光鉆孔的上下孔徑比的影響圖

對于實驗指標真圓度，實驗結果由極差數(shù)據(jù)可以看出，R2A>R2B>R2D>R2C，因此因素主次關系依次為A-B-D-C。由于微孔的真圓度越接近100%，孔的電氣性能越好，對下步工序鍍銅越有利。所以，由實驗的因素-指標曲線圖5可選擇出最佳的參數(shù)組合為A2B4C3D1。

由實驗的因素-指標曲線圖6可知，激光能量的增加，孔的尺寸隨之增加，但在不同的激光能量范圍內，孔徑隨激光能量增加的而增加的速度不同，能量在11 mj ～ 11.5 mj的范圍內，孔徑急速增加，11.5 mj ～12 mj內，能量增加，孔徑增加的較小。脈沖組合對激光鉆孔的尺寸影響曲線關系中可知打銅脈寬14 μs+打樹脂脈寬5 μs的組合下孔徑較大。脈沖次數(shù)對孔徑的影響不顯著，而光罩尺寸對孔徑影響非常顯著，隨著光罩尺寸的增加，孔的尺寸也隨之明顯增加。所以如需打出不同大小的孔，首先要確定光罩尺寸。

激光鉆孔參數(shù)優(yōu)化后加工的微孔質量分析：

根據(jù)參數(shù)對各因素的影響關系圖可知，最優(yōu)真圓參數(shù)組合是A2B4C3D1，做最優(yōu)上下孔徑比參數(shù)組合為A2B2C3D2，用這兩組實驗參數(shù)以及綜合兩者選擇的參數(shù)，做激光鉆孔優(yōu)化參數(shù)驗證實驗，實驗結果與理論一致，具體實驗方案及優(yōu)化結果如表8。

根據(jù)孔徑隨參數(shù)變化的分析我們已經(jīng)知道，對孔徑影響最顯著的參數(shù)是光罩尺寸，激光能量次之，根據(jù)此結論和表得到的綜合最優(yōu)參數(shù)為參考，做不同孔徑的最優(yōu)參數(shù)驗證實驗，實驗參數(shù)及結果如表9。

4 實驗結論

在激光輸出功率與頻率恒定的條件下，光脈沖能量、光罩尺寸、脈沖寬度與次數(shù)等激光參數(shù)，對成孔尺寸、形狀與加工質量都有很大的影響，對此用控制變量法研究了激光鉆孔各參數(shù)對成孔的影響，并用優(yōu)化試驗優(yōu)化了激光鉆孔參數(shù)，得出真圓度和上下孔徑比都相對的較優(yōu)參數(shù)為：激光能量為11.5 mj，打銅脈寬14 μs、1次，打樹脂脈寬5 μs、3次，光罩尺寸2.0 mm。且得到盲孔孔型差異性最小。優(yōu)化驗證得到的綜合最優(yōu)參數(shù)，得出了75 μm、100 μm、125 μm三種不同的孔徑的最優(yōu)參數(shù)驗，并通過了實驗證實，最佳參數(shù)可以為生產(chǎn)提供指導。用優(yōu)化激光參數(shù)制作的孔進行填盲孔試驗，經(jīng)試驗驗證，填銅效果非常好，無空洞、凹陷等缺陷。且對鍍銅參數(shù)操作范圍大，易于方便生產(chǎn)。

表8 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的優(yōu)化參數(shù)驗證實驗及結果數(shù)據(jù)表

表9 直接燒蝕銅箔法的激光鉆孔的不同孔徑優(yōu)化參數(shù)實驗及結果數(shù)據(jù)表

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