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印刷線路板微過孔成形製程選用原則

上網時間: 2001年04月29日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:印刷線路板  微過孔成形製程  激光蝕刻  機械鑽孔 

線路板上的微過孔可用幾種製程形成,最常用的兩種方法是激光蝕刻和機械鑽孔,使用哪一種應由產品的具體要求來決定。本文對激光蝕刻和機械鑽孔製程進行簡要介紹,以幫助製程技術人員在實際作業過程中根據需要選出最佳應用方法。

Lee Ekblad

項目工程師

lekblad@excellon.com

Michael Kauf博士

行銷經理

mkauf@excellon.com

Excellon Automation Co.

線路板上的微過孔通常直徑為0.002?(0.05mm)至0.008?(0.20mm),這些過孔一般分為三類,即盲孔、埋孔和通孔。盲孔位於印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用於表層線路和下面的內層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。埋孔是指位於印刷線路板內層的連接孔,它不會延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位於線路板的內層,層壓前利用通孔成型製程完成,在過孔形成過程中可能還會重疊做好幾個內層。第三種稱為通孔,這種孔穿過整個線路板,可用於實現內部互連或作為元件的黏著定位孔。

計算微過孔製程成本應對各方法涉及的問題全面加以衡量,它們比設備的價格要重要得多(表1)。

在選擇微過孔製作方法時,單位過孔製作成本是應考慮的一個重要因素。近年來很多應用表明,用機械式方法製作盲孔和通孔已取得一定的進展而且成本較低。

機械鑽孔製程

過去五年?,先進的單軸及多軸鑽孔系統已取得很大進步。由於採用有限元分析設計,機器的穩定性有了很大改進,能夠以很快的速度開發出鑽孔設備,使機器性能更快穩定下來,從而提高每分鐘鑽孔數量。

最近研制出一種帶空氣軸承的鑽頭,轉速可達170krpm以上。鑽孔時為得到最大的產量需要有較高轉速,板上測量工具則可以監測鑽頭狀態和鑽孔尺寸。

目前正在研制一種用於進行盲孔深度控制的新型高精密度深度控制感應技術,它是壓力感應探頭的重要組成部份,採用了最新研究的電場感應技術。每一個感應器信號都藉由專用的微處理器進行處理,這樣可以平行地處理每個感應器的信號,使鑽頭狀態分析更加迅速準確。其原理是檢測鑽頭和線路板表面的實際接觸情況,它能使作業員將鑽孔深度控制在±0.0002?(0.005mm)精密度範圍內。由於感應器探測的是鑽頭和線路板的接觸情況,所以精密度不會受線路板上碎屑、板面變化及周圍毛刺的影響,感應器還可以監測鑽頭在0.002?(0.05mm)至0.250?(6.35mm)範圍內的磨損情況。深度控制微過孔鑽孔系統目前採用的就是這種技術。

另外,鑽頭也在變化。現正在開發一種用於盲孔加工的特殊鑽頭,工程技術人員也嘗試用凹槽式設計及硬質合金鑽頭,希望藉此能夠提高精密度延長鑽頭的壽命,降低每個孔的製作成本。圖2所示的是一種特殊設計的鑽頭,可用於改良盲孔的成型。

激光蝕刻

在孔徑大於0.008?(200um)的場合基本上都使用機械式鑽孔,而較小孔徑則主要應用激光鑽孔。激光鑽孔的孔徑最小為0.001?(25um),一般標準孔徑為0.004?(100um)至0.006?(150um)。

直到1999年年底,激光鑽孔還僅在少數幾個產品中使用,那時全世界只有400台設備,其中300台在日本,均用於第一代激光鑽孔製程:未覆銅材料的CO2鑽孔。預計到2002年激光鑽孔的數量將會有很大的增加,因為那時行動電話需求量估計會達到3.5億部。為生產出足夠的印刷線路板,將需要2,000台激光鑽孔設備,這個數位還沒包括小型網際網路接入設備、個人電腦和其他設備的需求。

激光蝕刻鑽孔製程包括直接電介體鑽孔、共形光罩鑽孔和完孔成形三種。直接電介體鑽孔是用CO2激光束照射材料表面,每發出一次激光脈衝就有一部份材料被蝕刻掉,然後在下一步工序中對材料整個表面進行電鍍。該製程的特點是鑽孔速度快,但由於CO2激光的解析度太低,其孔徑不能低於0.004?(100um);另外未覆銅材料還存在共面和精確度等問題。

共形光罩鑽孔是用CO2激光在覆銅層已經藉由腐蝕的電介材料上鑽孔。在光刻製程中,覆銅層藉由化學方法先作完腐蝕,這時它就如同一個光罩,使CO2激光只作用於電介材料上。目前使用的是無需裝備外部激光氣的最新式射頻激勵密封CO2激光,這種激光束具有品質好(TEM00)、重复率高(20kHz以上)及持久耐用等特點。

將這些特點和快速掃描儀(每秒超過1,000點)及快速操縱系統如帶線性馬達(最高2,500IPM)的工作台等結合起來,可以使鑽孔速度達到每分鐘60,000孔(1mm間隔)。由於覆銅層已預先腐蝕掉,所以孔的直徑與激光波長無關,在25um至250um之間。

完孔成形使用兩種激光,即UV激光與CO2激光,目前最新的技術是固態UV激光,它利用二極管吸收方式激勵激光棒。一個典型的完孔成形系統可產生兩種激光:吸收二極管產生的355um UV激光(脈衝重复率高達100kHz)以及CO2激光。UV激光用來除去銅層,CO2激光用來去除電介質,該製程已在很多不同的工業中分別得到開發應用,其中主要是在美國和歐洲的一些國家。

UV激光以一種稱為環鑽的方式移動,激光束開始照在孔的中心,然後環繞中心作同心圓移動,同心圓直徑依次增大直至將整個區域的覆銅層都蝕刻掉。銅層去掉以後再用CO2激光去除電介質,這時剩餘的覆銅層就作為CO2激光的光罩。這種製程的優點是孔徑可以小至0.002?(50um)而且很精確,同時每分鐘鑽孔數量可達5,000個以上。該製程也可用於多層線路板的鑽孔。

傳統弧燈只有400∼500小時壽命,而二極管的使用壽命一般都超過10,000小時,所以二極管吸收式激光有助於提高產量和延長使用壽命。由於激光二極管的壽命可以預測得到,因此維修更換就可以事先計畫好,減少了維修時間和意外停機。另外二極管吸收式激光穩定性很高,波動小,所以孔的一致性很高。

為了適應生產的需要,多數激光鑽孔系統都帶有自動化裝置。最新式設備配有為兩套激光系統供料的自動裝卸裝置,該裝置位於機器中間,裝有送料架和堆疊裝貨的小車,為兩台激光鑽孔系統送料和卸料,並可在鑽孔的同時將線路板翻轉過來。每兩台激光系統使用一台自動裝卸裝置可以節省投資和場地。

線路板裝到真空吸盤上後,要用對位標記使鑽孔光束與線路板相配,可利用通孔或線路板上的圖形作為標記。對位標記既可以用機械方法形成,也可以用激光對最上層銅箔蝕刻制成。圖形處理系統讀取到對位標記後,程式就可對線路板進行自動對位、偏位補償、旋轉、伸長以及縮小等處理。由於供應商不同,有時會使用兩個、三個、四個或更多對位標記。

鑽孔製程的加工時間取決於所用的硬體(如掃描儀、工作台)以及使用的方法。可提高激光系統產量的步進技術能使激光源頻率更高、掃描儀每秒掃描區域更大及工作台速度更快;縮短加工時間的方法則包括將激光束分到多個工作台上、使掃描儀和工作台移動同步以便在工作台移動時鑽孔以及同時對兩個或多個區域進行平行處理等等。

應用實例

用戶A:中小規模PCB製造商,所需過孔的孔徑為0.006?(0.15mm)或更大,產量相對較低。該用戶合適的選擇是機械鑽孔系統。

用戶B:過孔要求為孔徑0.004∼0.006?(0.1∼0.15mm),中等產量。加工這種孔不需要用激光,但採用激光鑽孔可提高產量,是否採用激光鑽孔取決於資金的多少。此例中機械鑽孔和激光鑽孔都可以滿足加工要求。

用戶C:過孔要求為孔徑0.004?(0.1mm)或更小。這時即使產量很低也要採用激光鑽孔,因為用機械鑽孔方法不能滿足技術要求。

用戶D:該客戶加工的孔徑範圍大,而且產量高。此時可採用多種加工製程,利用機械鑽孔和激光鑽孔相結合的辦法,使產量達到最高以及單位鑽孔費用最低。

本文結論

激光鑽孔還是一種新興技術,對於加工小於0.006?(150um)孔徑的微孔而言它是一種最經濟的方法,現在總的趨勢是朝覆銅材料和雙激光加工方向發展。機械鑽孔則是一種成熟的技術,同時也有新的發展,如加工0.004?(100um)或以上過孔時的深度控制。在加工通孔和盲孔時,機械鑽孔依然是最經濟的鑽孔方法。隨著平均失效時間(MTBF)以及產能的不斷改進,今後將會出現更為經濟的激光鑽孔系統。





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