在均质和非均质基材钻穿孔的方法技术

本发明专利技术公开了一种相异直径孔洞的钻孔方法，已改善主要表面质量的穿孔（１４）通过该方法在目标材料（８）中形成，该方法包括钻出直径小于所述穿孔的所需直径的定位孔（１０），然后钻出具有所述所需直径的穿孔。所述定位孔形成通道，而在激光钻孔期间所产生的热能可通过所述通道扩散到环境中，由此减少扩散进入周围的目标材料基质的热能数量以及对目标材料基质的受热影响区的热损坏程度。该定位孔也形成通道，通过所述通道可移除所烧蚀的目标材料，由此增加总的穿孔产量。定位孔的形成减少了形成该穿孔剩余部分所需的热能，由此对所述周围的目标材料基质产生更少的热损坏。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
0001本专利技术涉及激光微加工，且具体涉及高功率激光器的使用，以实现基材和在穿孔形成期间所增加的热能的有效移除。
技术介绍
0002穿孔钻法是在微电子制造工业中所进行的基本工艺。通常钻穿孔的示例性目标材料包括多芯片模块(MCM)、球状栅格阵列、针状栅格阵列、电路板、玻璃布(包合FR4)、混合微电路、及半导体微电路。这些目标材料通常包括金属、有机电介质、和/或强化材料的分离组分层。穿孔通常是机械式钻孔；然而，对小直径(例如小于150微米)穿孔日益增加的需求已造成其机械式钻孔不再实用。当对小直径穿孔的需求增加时，随之必然增加对高纵横比穿孔(孔径对孔深的比等于或小于1.0的穿孔)的需求。几乎全部使用高功率激光钻孔以形成这些穿孔。0003用于钻穿孔的示例性高功率激光器包括紫外线(UV)激光器、二氧化碳(CO2)激光器、及准分子激光器。钻孔包括引导激光在所需的光点撞击目标材料，并烧蚀目标材料的整个厚度以在所需的光点形成穿孔。在钻孔期间，已烧蚀的材料通过孔洞的顶部开口移除。一旦穿孔完全形成，剩余的烧蚀材料也可通过穿孔的底部开口移除。虽然激光钻孔有助于小直径穿孔的形成，穿孔激光钻法依然是苦恼于各种问题的不完美方法。0004在非均质基材中有关激光钻穿孔的一个问题是它们通常呈现不佳的壁面质量。当高功率激光更深地钻入该目标材料时，所增加的热能比能通过该顶部开口逸离的热能更多地留在该孔洞中，导致大量热能通过该孔洞壁面扩散进入目标材料基质。此扩散作用对位于受热影响区内的目标材料造成明显的结构损坏。而且，未能通过该穿孔的顶部开口有效移除已钻孔目标材料，导致形成具有不需要的纤维突出部分和/或树脂回蚀的穿孔。0005有关激光钻穿孔的第二个问题是在穿孔壁面上形成沟槽，这源自激光束及目标材料之间的相互作用。例如，使用CO2激光以对铁材料钻孔，导致以下的周期性处理在该光点区域中发生放热反应，造成该熔化材料的快速膨胀；一旦该反应前方区域离开该光点区域，该熔化材料再次凝固。这整个循环在各种深度重复，沿着切割表面纵深地建立周期性沟槽结构。0006有关激光钻穿孔的第三个问题是该已钻孔目标材料的一部分可部分地阻断随后的激光脉冲或形成电浆卷流(plasma plume)。例如，在激光钻孔期间留在该孔洞中的目标材料的碎片通常着火和向外蚀刻进入受热影响区。因为气体卷流通常在每一激光脉冲开始的10纳秒内着火，每一激光脉冲的大约八成包括电浆卷流。此事件通常导致不需要的树脂回蚀。0007另外，过热碎片能由压倒性地烧蚀至较少烧蚀及更多热量地改变烧蚀处理的本质，由此建立饱和深度，其在该高功率激光的功率密度及重复比率上不适宜地强加实际限制。限制该功率密度及重复比率将限制该烧蚀比率能增加的范围。0008当在高异质材料，诸如FR4布中形成穿孔时，发生有关激光钻穿孔的第四个问题，该FR4布是夹在导电及导热金属层之间的充满有机聚合物树脂的玻璃布。因为对于每一个别层，不同的激光烧蚀特性，诸如熔化及蒸发温度，激光处理穿孔是很难的。例如，编织玻璃强化物及聚合物树脂基质的蒸发温度非常不同。二氧化硅(常用的编织玻璃强化物)具有大约1,970绝对温度(K)的熔化温度及大约2,503K的蒸发温度。对比之下，有机树脂(也即环氧基树脂)在大约500K到大约700K之间汽化。蒸发温度中的差异使得其难以激光烧蚀该玻璃成份，而不会烧蚀环绕个别玻璃纤维的树脂或直接相邻于纤维束的区域。0009迄今，使利用高功率激光器形成穿孔所导致的有害影响减至最小的主要工业解决方法是，最佳化切割参数，及特别是使用界定的激光脉冲。然而，使用该方法所产生的改善程度是相对最小的，因为参数的最佳化通常对于穿孔形成的分开的方面是有害的。0010虽然高功率激光钻孔半导体微加工技术的不可缺少部分，没有发现有经济效率的激光钻孔方法，用以钻出具有平滑壁面的穿孔，而减少发生切割表面沟槽形成、纤维突出部分、或纤维回蚀。本专利技术处理该需求，以使用高功率激光钻出具有平滑壁面的穿孔。
技术实现思路
0011因此，本专利技术的目的是提供在非均质基材中使用高功率激光形成穿孔的有效率且经济的方法，以实现控制下的目标材料及热能移除。该结果的穿孔呈现平滑壁面及最小的热损坏。全部结果是进行激光操作的方法，其以处理质量、技术结果的再现性、钻出高纵横比穿孔的能力、及在低额外成本的有效性的方面提供改善的性能。0012本专利技术是一种相异直径孔洞的钻孔方法，通过该方法可在目标材料中形成已改善孔壁质量的穿孔。该方法包括钻出具有比所需穿孔直径小的直径的定位孔，然后钻出具有所需直径的穿孔。0013该定位孔形成通道，而在激光钻孔期间所产生的热能可通过该通道扩散进入环境，由此减少扩散进入周围目标材料基质的热能数量及对目标材料基质的受热影响区的热损坏程度。定位孔直径及钻孔参数的小心选择，在其形成期间明显减少了对包围该穿孔的受热影响区的热损坏数量，且增强了所钻穿孔的壁面质量。0014该定位孔也形成通道，而所钻出的目标材料可通过该通道移除，由此增加整个穿孔产量。因为作为该穿孔形成工艺的一部分，总目标材料的必须移除部分在定位孔的形成期间已被烧蚀及移除，移除目标材料的剩余部分所需的热能减少。当需要更少的热能以形成该穿孔的剩余部分时，对该周围的目标材料基质导致更少的热损坏。0015在本专利技术的第一优选实施例中，一高功率激光器的激光输出热烧蚀目标材料的一部分，以形成定位孔。可钻出该定位孔，使得其完全延伸穿过该目标材料的厚度或使得其仅仅部分延伸穿过该目标材料的厚度，以形成未贯穿所有层和/或材料的盲孔。而且，该定位孔及该穿孔可形成在该目标材料之间主要表面上或在该目标材料的相向主要表面上。0016本专利技术的第二优选实施例是一种形成具有所需直径的穿孔的三步骤方法。该三步骤方法的第一步骤包括引导第一激光输出以便入射在该目标材料上，以用盲孔形式形成该穿孔的一部分，该盲孔具有与该所需穿孔相同的直径。该穿孔部分可形成在该目标材料的任一主要表面上。在该第二步骤中，第二激光输出被引导，以便入射在该目标材料上，进而形成具有直径的定位孔，该直径小于该穿孔部分或最终穿孔中的任一直径。该定位孔的底部优选形成该先前形成穿孔部分的底部部分。该定位孔可形成在该目标材料的任一主要表面上。在该第三步骤中，第三激光输出被引导，以便入射在该目标材料上，进而完成具有该所需直径的穿孔的形成。该第三激光输出可引导在该目标材料的任一主要表面上。引导该第一及第二激光输出，以便该穿孔部分及该完成穿孔轴线向对齐，以及当该所需穿孔具有一小直径(小于150微米)时，该第二激光输出优选撞击在该目标材料上，以形成与该穿孔部分同轴线的定位孔。0017本专利技术的方法有助于高纵横比穿孔的形成，因为该穿孔的深度能增加，而不会招致穿孔壁面热损坏增加。另外，该方法能够使该材料的移除率增加，及由此减少制造成本及增加整个通孔/秒产量。本专利技术的方法也避免或使该穿孔侧壁上不需要的沟槽结构的形成、粘着至该切割的底部边缘的残渣沉积、以及对该周围目标材料基质的热损坏减至最低。因此，本专利技术的方法增进了穿孔品质及产量。0018本专利技术的其他方面和优点将由优选实施例的以下详细叙述而变得明显，并以参考附图开始。附图说明0019图1a和1b以及图2a和2b是按照本专利技术第一实施例的目标材料在通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相异直径孔洞的钻孔方法，通过该方法，已改善壁面一致性和具有预定直径的穿孔在具有厚度的目标材料中形成，所述方法包括：在第一空间光点尺寸上方产生具有足够能量密度的第一激光输出，以在由所述第一空间光点尺寸所界定的第一光点区域内移除目标 材料；引导所述第一激光输出撞击所述目标材料，由此形成具有第一直径的定位孔，所述第一直径对应于所述第一光点区域的直径，且小于所述穿孔的预定直径；在第二空间光点尺寸上方产生具有足够能量密度的第二激光输出，以在由所述第二空间光点尺 寸所界定的第二光点区域内移除目标材料；以及引导所述第二激光输出撞击所述目标材料，使得所述结果的第二光点区域大于所述定位孔的第一光点区域，以形成具有所述预定直径并延伸穿过所述目标材料厚度的穿孔，所述穿孔的形成包括增加通过所述定位孔逸离 的热能，并由此限制所述穿孔壁面的热扭曲变形及增强其表面一致性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JJ达维农，类维生，
申请(专利权)人：电子科学工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]