專利名稱：激光鉆孔,尤其是采用孔板的激光鉆孔方法
技術領域：
本發明是關于電路基片激光鉆孔的一種方法，其中最好通過一個接近孔板表面的激光束，對準預定的基片段，以便用預先規定的孔徑鉆孔。
在用作電路載體的印刷電路板和可比較的基片中鉆孔時，尤其是鉆盲孔時，應用孔板是早已公知的技術(US 4,644,130A)。在一般情況下金屬孔板有間隙，這些間隙通過其位形既預先規定了位置也預先規定了要鉆的孔的大小(作為所謂的Conformal Mask)。構成掩模的金屬層此時作為所謂的接近掩膜(Proximity Mask)，直接與基片的表面連接，或以微小的距離安置在表面。
在US 5,585,019A中，說明了在應用一種裝置的情況下的激光加工方法，在該裝置的情況下，通過激光束的光學形狀，確保激光束總是以相同的角度出現在基片上，無須將基片自己移動。在用孔板對印刷電路板鉆孔時，將激光器，通常是一個二氧化碳激光器或一個有可比較性能的激光器，總是在相同位置經過孔板脈沖地發光(所謂的穿孔)。為了在整個孔的截面有一個盡可能均勻的材料剝落，力求使激光束跨越整個孔的直徑有個盡可能均勻的能量分布，而希望在孔的半徑之外能量損失盡可能的小。為了達到最佳效果，能量分布因此要盡可能有帶陡峭邊沿(top hat)的矩形分布圖。但是，這類激光束的成形非常昂貴。迄今，不是用專門的光學鏡組(例如衍射鏡組)就是用光圈在光程成像的系統中去實現。生產這樣的光學鏡組非常昂貴，而用光圈損失一大部分激光功率，往往是50％以上的激光功率。此外，通過在這種情況需要的帶有固定成像比例的成像，光程就很長，它要求在偏轉裝置中有個很大的偏轉鏡。
本發明的目標是，給出一種主要是在應用孔板的情況下鉆孔的方法，此時要能放棄專門的鏡組和光圈，同時達到在激光功率損失盡可能小的情況下孔中材料剝落均勻的目的。
按照本發明，這個目標用一個本文開篇處所列舉的方法實現，即將激光束在要鉆孔的范圍中在一個環行軌道上移動，其中心點與相應孔的給定位置同心，其直徑小于或等于孔的直徑，以及測量激光束光斑的直徑尺寸，使它在激光束作圓周運動時永遠覆蓋著孔的中心。
對于本發明的方法，將激光束以一個所謂擺動運動引到孔內的一個圓周上，使它在每個旋轉時至少要涂刷孔的整個截面面積，使光束中心用光斑最大的能量密度在中心或中心的給定位置與邊緣之間的范圍內旋轉，這樣就使有效的能量分布接近所希望的矩形形狀。
根據按照本發明達到的能量分布，基本上也有可能不用孔板也鉆出帶有足夠邊緣輪廓的孔，尤其是在有機的或電介質層中。然而，本發明的最好采用在借助于接近表面的孔板鉆孔時，采用一個(多層-)印刷電路板上面的金屬化層作為孔板，孔板中的孔同樣能用激光鉆孔產生。在應用一個孔板的情況下，本發明的解決辦法在于，將激光束在孔板中相應孔的范圍內在一個環行軌道上移動，環行軌道中心點與相應孔的給定位置同心，其直徑小于或等于孔的直徑，致使激光束光斑的直徑在激光束作圓周運動時總是覆蓋著掩模中孔的中心，即使在孔板最大允許的位置偏移時也是如此。
為了使能量分布在激光束各個旋轉時盡可能均勻地跨越環繞分布，最好引導激光束使它永遠進行整圈的旋轉。因此，調整激光器的脈沖能量，使為鉆孔所需要的全部能量分配在激光束的整圈環繞。
為本發明的方法，主要應用具有高脈沖頻率的二氧化碳激光器，具有20kHz至高于100kHz的重復頻率，致使與常規方法相比沒有時間損失。通過小于500納秒數量級，典型的是≤150納秒的小脈沖寬度，激光器在這個高的重復頻率時仍有一個足夠的脈沖功率。
本發明在下面用實施例和圖詳細說明。其中

圖1為實施本發明方法的激光器和帶孔板基片的示意布置；圖2帶有孔板的基片和激光束剖面示意圖；圖3孔板的一個孔的頂視圖，大致示出一些要擊中光斑直徑的激光脈沖；圖4與圖3一致的示意圖，此時與其給定位置相比孔板有個位置公差，和圖5通過模擬各個光束示出通過本發明可達到的能量分布示意圖。
在圖1中，基本上示出的是一個激光器的布置如何借助于孔板進行鉆孔。激光源1發射一個脈沖激光束2，它在一個電流計上用兩個圍繞不同的軸可旋轉的鏡面3和4偏轉，然后經過一個成像系統聚焦，在本例子中是一個遠中心的鏡頭(telezentrische Linse)5，使激光束2以預先規定的光斑寬度打在基片或印刷電路板6上。印刷電路板有一個位于金屬層8與9之間的電介質層7。此時，上面的金屬層8用作為孔板；它為此目的設置有一些孔10，這些孔事先以公知的方式，例如也通過激光鉆孔或通過腐蝕產生。也能采用薄膜或相同的形式的一個松動放置的孔板代替與電介質層7固定連接的金屬層8。通過用非常快速的電流計3a或4a控制鏡面3或4，分別將激光束2引導到一個孔10，以便在電介質層7中產生一個相同直徑的孔。最好以這種方式，鉆到下面的金屬層9為止的盲孔。
因為激光束在整個光斑直徑范圍能量分布不均勻，按照本發明將激光束在相應孔10的范圍內“擺動”。就是說，將脈動激光束很快地在一個圓周上移動，其中心點M與孔的中心軸11在其給定位置重合，此時圓周的半徑R1在所述情況下小于孔10的半徑R2。光斑直徑DS一般與孔板的孔直徑DM(＝2×R2)在一個數量級，它也能比孔直徑大或小約10-20％。在孔直徑為200μm時，光斑直徑例如在180μm和220μm之間，在較小的孔直徑的情況下，光斑直徑寧可在這個范圍的下限(180μm)或者還要低。選擇用于激光束“擺動”(Circle-Punching)的圓周直徑，使得產生一個盡可能是矩形的能量分布(top hat)，它對于相應的孔板是最佳的。孔板的位置公差也能通過變化圓周直徑來補償。一般總是用激光束走過一個整圓，就是說，希望孔深所必需的脈沖數量和圓周直徑R1，決定在環行軌道上從一個脈沖到下一個脈沖的距離。
圖3示出的是在一個孔板的孔的上面不同激光脈沖重疊的一個例子，而且正好是孔板具有其給定位置的情況。孔板的孔用中心ML和半徑R2表示；在該例中它的直徑是120μm，即半徑R2＝60μm。光斑直徑為180μm的激光束，即一個半徑R3＝90μm，在半徑R1＝25μm的一個圓周上移動。在圖3中示出的只是四個互相重疊的激光脈沖的位置。脈沖的實際數量取決于為了在基片中鉆整個的孔需要多少能量。
圖4示出的是第二個例子，其中相對于圖3有一定變化，與給定位置的中心M相比，孔板8的具有它的中心ML的孔10，在X-方向有25μm和在Y-方向有25μm的位置偏差。擺動圓周的半徑R1、孔板孔的半徑R2和激光光斑的半徑R3有與圖3中一樣的尺寸。即使在這種情況，盡管有孔板的偏差，鉆孔時也能達到相當均勻的能量分布。
圖5示出的是對如何用本發明的方法達到一個能量分布的模擬。此時示出的是十一個單個的、光斑直徑為200μm的光束，將這些光束在一個直徑為150μm的雙圓上移動。在這種情況，圖形剖面為600μm×600μm。
在本發明的方法時，通過快速控制Galvo鏡和一個具有高脈沖頻率品質調制的二氧化碳激光器的組合，能達到有效激光能量的一個很好的、接近于矩形的能量分布，此時能應用相對小的偏轉鏡。因此能實現一個高的通過量；同時也抵消了位置公差。
激光束的旋轉速度取決于孔的直徑、脈沖頻率和相應所需要的脈沖數量。就這樣，例如在一種RCC(涂有樹脂的銅Resin Coated Copper)的電介質中，用制造商COHERENT的一個GEM-100-激光器，鉆了約150μm的孔。在這種情況，激光束用100kHz的重復頻率以一個擺動-直徑為100μm引入。結果是，為了鉆孔每次要求10個脈沖，由此產生激光束的旋轉速度為3m/s。
為了在FR4中鉆出相同的孔，要求在60kHz時40個脈沖，由此得出激光束的旋轉速度為470mm/s。
權利要求
1.電路基片(6)激光鉆孔的方法，其中將激光束(2)對準要鉆孔的基片段，其特征在于-將激光束(2)在要鉆孔(10)的范圍內在一個環行軌道上移動，環行軌道中心(M)與要鉆孔(10)的給定位置(11)同心，其直徑(DS)小于或等于孔的直徑(DM)，和-激光束光斑的直徑(DS)在激光束(2)作圓周運動時總是覆蓋著孔的中心(ML)。
2.如權利要求1的方法，其中將穿過接近表面的孔板(8)的激光束用預先規定的孔的直徑(DM)對準要鉆孔的基片段，其特征在于將激光束(2)在孔板(8)內相應孔(10)的范圍內在一個環行軌道上移動，環行軌道中心(M)與相應的要鉆孔(10)的給定位置(11)同心，其直徑(DS)小于或等于孔的直徑(DM)，和激光束光斑的直徑(DS)在激光束(2)作圓周運動時總是覆蓋著孔板(8)中孔的中心(ML)，即使在孔板的最大允許位置偏差的情況下也是如此。
3.如權利要求1或2的方法，其特征在于所述圓周的直徑(2×R1)最小等于孔的直徑(2×R2)的八分之一，最大等于孔的直徑。
4.如權利要求3的方法，其特征在于所述圓周的直徑(2×R1)為孔的直徑(2×R2)的四分之一與二分之一之間。
5.如權利要求1至4之一的方法，其特征在于激光束光斑的直徑(DS)大于或小于孔的直徑(DM)大約至20％，最好大約為10％。
6.如權利要求1至5之一的方法，其特征在于激光束(2)由二氧化碳激光器(1)產生。
7.如權利要求6的方法，其特征在于激光器的重復頻率至少為20kHz，最好大約為100kHz±10％。
8.如權利要求1至7之一的方法，其特征在于采用脈沖寬度＜500納秒的激光器，最好采用脈沖寬度≤150納秒的激光器。
9.如權利要求2至8之一的方法，其特征在于孔板(8)通過牢固粘貼在印刷電路板(6)表面的金屬層構成。
10.如權利要求2至8之一的方法，其特征在于孔板是通過松動布置在印刷電路板上的金屬薄膜構成。
全文摘要
按照本發明的方法，借助于一個孔板(8)在一個電路基片(6)進行激光鉆孔，將激光束(2)在孔板(10)范圍在一個環行軌道上移動，環行軌道中心與孔板(8)中當時孔的給定位置同心，其直徑(2XR1)小于孔的直徑(DM)。此時，要將激光束光斑的直徑(DS)選擇的，使它在圓周運動時永遠覆蓋著孔板(8)的中心。這樣，在孔板(8)范圍使激光源的能量分布達到盡可能的均勻。
文檔編號H05K3/00GK1555666SQ02818039
公開日2004年12月15日 申請日期2002年9月4日 優先權日2001年9月13日
發明者H·德施托伊爾, O·梅爾滕, M·維納, E·羅蘭茨, 潘偉, C·奧弗曼, H·J·邁爾, H 德施托伊爾, ヂ , 即, 邁爾 申請人:西門子公司