采用可变功率密度的紫外激光脉冲在多层靶上形成盲通道的方法技术

一连续泵浦的、Ｑ开关的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器（１０）的输出通过频率转换被用来提供紫外光（６２）用于在具有金属层（６４，６８）和一介电层（６６）的靶上形成通道（７２，７４）。本发明专利技术采用一高功率密度的第一激光输出来烧蚀金属层以及一低功率密度的第二激光输出来烧蚀介电层。选择输出脉冲（６２）的参数来进行完全干净的顺序钻削或通道形成。这些参数典型地包括下述条件中的至少两个：先高于且然后低于导体烧蚀阈值的功率密度，小于４００ｎｍ的波长，短于１００ｎＳ的时间脉冲宽，以及一大于约１ＫＨｚ的脉冲重复频率。这种能以两种功率密度产生紫外光输出脉冲的能力有利于在诸如由一层电介质且在其两表面上复盖有一层金属组成的多层靶上形成浓度自限制的盲通道。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请为1994年7月18日提交的美国专利申请第08/276,797号的部分延续申请。本专利技术有关激光器，特别是有关一种方法和装置，该方法和装置采用激光器产生的可变功率密度的紫外光用于在具有至少两层对紫外光具有不同热吸收特性的材料的靶上形成深度自限定的盲通道。本文仅通过例子对多片模块(MCMS)介绍专利技术的背景，多片模块指多种材料、多层的装置，它们正成为服务于飞机、计算机、军事、以及通信等多种用途的电子封装工业的最优选的元件之一。多片模块正在替代或降低印刷电路板的复杂性，由此来提高产品效率和可靠性。然而，由于多片模块要求更小的通道和更细的线，它们造成了新的创造障碍，且使用多种新的材料。通道在本文仅通过例子来加以讨论且采取完全通孔的形式或称之为盲通道的不完全通孔的形成。多片模块以及诸如球形栅阵列、插脚栅阵列、电路板、混合式和半导体微电路等封装单个芯片的其它多材料、多层电子装置典型地包括由金属和一种有机绝缘和/或增强材料组成的分开元件层。标准的金属成分层包括铝、铜、金、钼、镍、钯、银、钛、钨或者它们的组合。这些金属层典型地具有约9～36μm的深度或厚度(其中7.8×10-3kg的金属等于约9μm的厚度)，但可从更细或者大到72μm。一标准有机介电层可包括三嗪双顺丁烯二酰亚胺、卡纸板、氰酸脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)。这些层典型地具有约50～400μm的层厚。典型的增强成分“层”可包括纤维间质或芳酰胺纤维的扩散粒子、陶瓷、或玻璃织物或扩散进有机介电层中以加以增强。这些增强层典型地具有约1～10μm的直径或厚度。具有多个金属的、绝缘的和增强材料层的叠合层其厚度可大于2mm。设计了传统的工具、冲压机、和生产工艺流程来加工大型、较小密集度的元件，例如对制造直径小到12μm的通道来说，众所周知的机械式工艺流程既不适合又相当地费钱。即使当小型化并不是主要问题时，机械工艺流程仍是不合适的。例如，层压电路板制造中常常为机械钻头在叠层板上的磨损和断裂问题所因扰并且因此要求对工具作经常和费钱的刃磨或更换。此外，常规的化学流程或湿法流程不能用来蚀刻诸如聚四氟乙烯电介质这样的材料。最后一关，离子蚀刻法对加工多片模块和大多数其它电子元件来说又是十分昂贵和速度太慢的。在研制以激光为基础的微细加工技术用于加工这些种类的电子材料方面已作了许多工作。然而，激光器种类、工作费用、以及象激光光束波长、功率、以及光斑大小等有关激光器和靶材料等方面的操作参数变化很大。例如，常规的准分子激光器产生的激光输出波长范围从约200nm到350nm，而产生的是低质量的多模光束结构，以致采用简单的透镜元件不能将这种光束结构十分精确地聚焦。结果是，必须采用复杂和昂贵的光束控制小孔或常由铜或其它金属材料制成的掩膜板来加以调整。这样，用准分子激光器用于钻削通道的实际能达到的功率密度便严重地受到限制。这些激光器的脉冲频率通常局限于200Hz以下，因此作为一种生产工具用于多种所需的用途其速度便显得太慢。此外，激发物系统的高额费用及其所用气体阻碍了它们被方便地应用并使它们不能被许多中小型制造厂所接受。在准分子激光器中用作化学处理的卤素气体与激光器的谐振腔起反应，因此造成质量降低和经常的更换。此外，卤素气体是有害、有毒材料，会对环境造成破坏。由于光束质量低、光束范围大、以及脉冲频率低是准分子激光器所固有的特点，因此典型地采用光束形状控制掩膜来有效地利用激发器光束掩膜法又迫使在一点之外的较大范围内产生烧蚀现象。由于烧蚀产生的碎片散布在较大的范围上，从而部分阻挡了其后的激光脉冲，或者说过热的碎片将烧蚀过程的性质转变成了一个热的过程。当功率密度增加时，烧蚀的靶面材料可从不断增加直至达到材料中单位脉冲切削量的一个“饱和深度”为止。这种饱和深度对能被用来进一步增加烧蚀速率的准分子激光器的功率密度和脉冲重复频率施加了一个实际的限度，而不管靶面是否是多层板还是不是多层板均是如此。另一方面，常规的CO2激光器所产生的激光输出波长典型地为约10,6μm，其所产生的光斑直径对常规所需的通道来说则显太大。与紫外激光器相比，CO2激光器和其它的红外激光器具有大得多的脉冲宽度且在对有机材料和金属的吸收率方面具有更宽的离散范围。这些特性造成的不是光化学过程，而是破坏性的热过程。此外，由于如此盛行地采用预成象的铜接触掩膜，因而必须将激光的影响设置到对铜的破坏阈值之下。这样做限制了可被钻削的材料种类并因此要求有麻烦的清洗步骤、层与层的精确对准、以及对铜的蚀刻。因此，本专利技术的一个目的是提供一种紫外激光器系统和方法，用于在具有至少一个导电层和一个介电层的靶面中形成通道。本专利技术的一优选实施例将一连续泵浦的、Q开关的Nd=YAG激光器的输出频率增至三倍或四倍，以在两个不同的功率密度上产生紫外光输出脉冲，即优选地产生两个不同的脉冲强度或光斑尺寸。所选择的输出脉冲参数应有利于在具有对紫外光不同热吸收特性的诸如金属、有机绝缘介质、以及增强材料等众多材料中进行清洁和即时的钻削或形成通道。这些参数典型地包括下述临界参数中的至少两个、优选地包括全部的参数在整个被测光束斑面积上大于100mW的高平均功率，小于100nS的时间脉冲宽、以及大于200Hz的脉冲重复频率。在两个功率密度上产生紫外光输出脉冲的能力有利于在多层靶面上形成深度自我限制的盲通道。例如，可在一个由一层电介质和其两个表面各复盖有一层金属所组成的靶面上形成一盲通道。盲通道形成过程要求首先采用高于金属烧蚀阈值的功率密度的激光脉冲来加工穿透金属层，并然后采用低于金属烧蚀阈值但高于电介质烧蚀阈值的功率密度的激光束脉冲来加工穿透电介质。该加工过程提供一个深度自我限制的盲通道，因为在激光束切割穿透电介质层之后通道的形成过程便停止了。其原因是激光束脉冲功率密度不足于在深度方向前进到超出电介质之外以将剩余的金属层汽化掉，即使激光束脉冲此时仍继续打击靶面。这种在盲通道形成中的深度自限制能力是有优点的，因为多层靶由于其弯曲、非均匀层厚、或安装夹具的不均匀平直度可造成不可预示的、不一致的靶深度。此外，紫外光激光器的±0.25mm的焦距允差仅有利于加工厚度不匀的靶面。在本专利技术的第一优选实施例中，一高强度的第一激光输出被用于烧蚀一金属层，而一低强度的具有相同光斑大小的第二激光输出被用来烧蚀一底下的介电层。这种强度的变化可以例如通过增强激光脉冲频率来产生低强度的激光脉冲而容易地在一Nd:YAG激光器中加以实现。在一第二优选实施例中，一高强度的第一激光输出被用来烧蚀一金属层，而一相等强度的具有更大光斑尺寸的第二激光输出则被用来烧蚀底下的介电层。在两个实施例中，第一激光输出的功率密度均大于第二激光输出的功率密度。在一第三优选实施例中，第一和第二激光输出的强度和光斑大小均是改变的。本专利技术的一个优点是所产生的激光系统输出脉冲以及采用它们的方法消除了对单位脉冲功率密度烧蚀率的饱和程度限制、比起用准分子激光器所产生的具有同样轮廓的脉冲所具有的脉冲频率和单位脉冲烧蚀率来说，这样做能够充分利用本专利技术的那些更高的脉冲频率和更高的单位脉冲烧蚀率的性质。不管靶子是单层的还是多层的材料，情况均如此。从以下的对本专利技术的优选实施例的详细说明中可进一步了解本专利技术其它的目的和优点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，用于在一多层靶上激光加工一深度自限制盲通道，该多层靶包括至少各自具有第一和第二导体烧蚀能量阈值的第一和第二导体层，以及一具有两表面和一电介质烧蚀能量阈值的介电层，第一和第二导体层各自位于介电层的上表面和下表面，且第一和第二导体烧蚀能量阈值超出电介质烧蚀能量阈值，该法包括： 产生一包含至少一个激光脉冲的第一激光输出，该激光脉冲具有在一第一空间光斑体积上的一第一功率密度，该第一功率密度大于第一导体烧蚀能量阈值； 将第一激光输出加至靶上来在靶的第一光斑面积范围内去除第一导体层； 产生一包含至少一个激光脉冲的第二激光输出，该激光脉冲具有在一第一空间光斑体积上的一第二功率密度，该第二功率密度小于第一和第二导体烧蚀能量阈值但大于电介质烧蚀能量阈值；以及 将第二激光输出加至靶上来在靶的第二光斑面积范围内去除介电层，且由于第二功率密度小于第二导体烧蚀能量阈值，因而使第二导体层完全不被汽化且由此形成一深度自限制盲通道。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马克D欧文，邦尼A拉森，约瑟夫万普尹布勒克，
申请(专利权)人：电科学工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]