层压板的激光钻孔方法和装置

1.具有至少一层金属层和至少一层用一种有机材料制成的电介 质层的层压板的激光钻孔方法，其特征为，所用的倍频钕-钒酸盐激 光器具有如下的激光参数：
-脉冲宽度      ＜40纳秒；
-脉冲频率      ≥30千赫，用于金属层，
               ≥20千赫，用于电介质层；
-波长          ＝532纳米。
2.按权利要求1的方法，其特征为，使用的脉冲宽度＜30纳秒。
3.按权利要求1或2的方法，其特征为，所用的聚焦激光束具 有10微米和100微米之间的点直径。
4.按权利要求3的方法，其特征为，所用的聚焦激光束具有20 微米和40微米之间的点直径。
5.按前述权利要求1、2、4任一项的方法，其特征为，在该有 机材料中添加了添加剂，这些添加剂可很好地吸收波长为532纳米的 激光束。
6.按权利要求5的方法，其特征为，作为添加剂使用至少一种 无机的和/或有机的颜料和/或至少一种聚合物可溶性颜料和/或至少 一种纤维状的填料。
7.按权利要求6的方法，其特征为，作为添加剂使用至少一种 无机的红颜料和/或一种有机的红颜料和/或一种聚合物可溶性红颜 料。
8.按权利要求6或7的方法，其特征为，在该有机材料中添加 的颜料介于按重量百分比计算的0.1％和5.0％之间。
9.按权利要求6或7的方法，其特征为，在该有机材料中添加 的颜料介于按重量百分比计算的1％和2％之间。
10.按权利要求5的方法，该有机材料通过加入添加剂对波长为 532纳米的激光照射具有至少50％的吸收度。
11.按权利要求5的方法，其特征为，该有机材料通过加入添加 剂对波长为5 32纳米的激光照射具有至少60％的吸收度。
12.按权利要求5的方法，其特征为，该有机材料通过加入添加 剂对波长为532纳米的激光照射具有至少80％的吸收度。
13.具有至少一层金属层和至少一层用一种有机材料制成的电介 质层的层压板的激光钻孔装置，包括一个具有下列激光参数的倍频钕 -钒酸盐激光器：
-脉冲宽度    ＜40纳秒；
-脉冲频率    ≥30千赫，用于金属层，
             ≥20千赫，用于电介质层；
-波长        ＝532纳米。

                        技术领域\n本发明涉及层压板的激光钻孔方法和装置。\n                        背景技术\n从EP-A-0 164 564已知用一个激元激光器来在一种层次为金 属-电介质-金属的层压板上产生盲孔的方法。该层压板的最上金属 层被当作孔掩模用，其孔图用光技术传输并随即通过蚀刻制作。然后 通过激元激光器的作用把这个掩模的孔区内露出的电介质去掉直至 达到最下的金属层并结束该加工过程。这种方法特别适用于制作多层 印制电路板所需的盲孔形式的通孔。\n从德国杂志《精密仪器技术和测量技术》91(1983)2，56～58 页已知一种制造多层印制电路板的类似方法，这种方法是用一个CO2 激光器来产生作为充分接触用的盲孔。在这里也是把最上层铜箔作为 孔掩模用，在这种掩模时，凡是激光束要产生一个孔的地方，都把铜 蚀刻去。\n从DE-A-197 19 700也已知一些层压板激光钻孔装置。在这些 装置中，金属层的钻孔使用波长约为266纳米至1064纳米范围的第 一激光器，而电介质层的钻孔则使用波长约为1064纳米至10600纳 米范围的第二激光器。\n从US-A-5 593 606已知一种层压板的激光钻孔方法，该方法 的金属层钻孔和电介质层钻孔都用唯一的紫外线激光器，其波长低于 400纳米，而其脉冲宽度则低于100纳秒。在这种前提下，不用激元 激光器，亦即金属和有机材料都用相同的紫外线激光器钻孔。\n从DE-A-198 24 225中已知层压板的另一种激光钻孔方法，在 该方法中，金属层的钻孔和电介质的钻孔例如都用一个波长为532纳 米的SHG(二次谐波发生)-YAG(钇铝石榴石)激光器，或用一个波 长为355纳米的THG(三次谐波发生)-YAG(钇铝石榴石)激光器。\n原则上可这样论断：有机材料的激光钻孔用紫外线激光器，亦即 用波长低于400纳米的激光器来使有机材料产生光化学的分解。亦即 不产生烧蚀，并由于充其量只有极小的热负荷，所以层压板不产生脱 层。而在用CO2激光器进行有机材料的激光钻孔时，有机材料产生热 分解，亦即产生烧蚀，并对层压板产生脱层的危险。但与紫外线激光 器比较，用CO2激光器进行激光钻孔可明显缩短加工时间。\n                        发明内容\n根据本发明技术方案1和13，在具有至少一层金属层和用一种有 机材料制成的至少一层电介质层的层压板进行激光钻孔时可实现盲 孔或通过快速制作而不损伤层压板。\n根据本发明，用一个波长为532纳米和脉冲宽度低于40纳秒的 倍频钕-钒酸盐激光器可有效加工金属层和电介质层。其中，在金属 层激光钻孔时选用脉冲频率≥30千赫，而在电介质层的激光钻孔时， 则选用脉冲频率≥20千赫。在加工有机材料时，通过选用较高的脉冲 频率可达到两种材料的特别有效的激光加工。在有机材料的激光加工 时可产生光化学和热分解的组合作用，从而可达到比紫外线激光器短 的加工时间并可避免CO2激光器产生的过高的热负荷。\n根据本发明选用的倍频钕-钒酸盐激光器进行层压板钻孔可达 到很高的脉冲频率，在小于40纳秒的小脉冲宽度时，脉冲频率甚至 超过100千赫。高的脉冲频率可实现层压板的快速和有效的加工，而 由于低的脉冲宽度则保证了很低的热负荷。用具有类似的或相同的波 长工作的其他激光器不可能实现这种高脉冲频率和低脉冲宽度的组 合。例如DE-A-198 24 225提出的SHG-YAG激光器在较高的脉冲 频率时充其量可达到70至80纳秒的脉冲宽度。\n本发明方法的各种有利方案可从技术方案2至12中得知。\n按技术方案2的方案，通过小于30纳秒的脉冲宽度可实现层压 板在激光钻孔时的更小的热负荷。\n按技术方案3，在用点直径为10微米和100微米之间的聚焦激光 束的情况下，可获得金属和有机材料的有效的激光加工。按技术方案 4，在用20微米和40微米之间的点直径时，可获得这两种材料的更 有效的激光加工。\n根据技术方案5的方案，通过有机材料对激光束的较高的吸收， 可实现加工速度的明显提高。其中添加剂比纯粹的有机材料对波长为 532纳米的激光束具有明显高的吸收度。\n根据技术方案6的方案，可实现有机材料的吸收度的特别简单和 经济的提高。\n根据技术方案7的方案，可通过选用红色添加剂实现吸收度的最 佳化，因为波长532纳米的绿色光可被互补色红色特别好地吸收。\n根据技术方案8的方案，在添加颜料作添加剂时可确定一个添加 量的范围为按重量百分比计算的0.1％和5.0％之间，这个范围可特别 好地保证吸收度的提高而不损害别的性能。其中技术方案9给出的较 窄的添加量范围为按重量百分比计计算的1％和2％之间被看成是最 佳的。\n如果按技术方案10添加的添加剂使有机材料的吸收度提高到至 少50％，则可获得有机材料的加工速度的明显提高。在按技术方案 11使吸收度提高到至少60％或按技术方案12提高到至少80％的情况 下，可相应地进一步缩短有机材料激光钻孔的加工时间。\n                        具体实施方式\n在下述的例子中使用了下列的激光器型号：\n激光器I\n美国加州Spectra Physics，Mountain View公司生产的二极管抽 运的、倍频的钕-钒酸盐激光器\n   型号：      T80-YHP40-532QW\n   波长：      532纳米\n   功率：      约8.5瓦\n   工作方式：  单模TEMoo\n   脉冲宽度：  在10千赫脉冲频率时为20纳秒\n   脉冲频率：  到200千赫\n   尺寸：      100×100毫米2\n激光器II\n德国Schramberg Haas-Laser GMbH有限责任公司生产的二极管 抽运的、倍频的钕-钒酸盐激光器\n   型号：      无，因为只有样机\n   波长：      532纳米\n   功率：      约4.0瓦\n   工作方式：  单模TEMoo\n   脉冲宽度：  在10千赫脉冲频率时为25纳秒\n   脉冲频率：  至200千赫\n   尺寸：      100×100毫米2\n用激光器I和II加工了下列材料：\n材料I\n一种RCC材料(RCC＝树脂涂铜箔)被层压到两面用铜箔涂覆的、 玻璃纤维增强的FR4材料(FR4＝4级阻燃环氧树脂-玻璃复合材料) 上。产生的层压板的层次为一层12微米厚的铜箔、一层60微米厚的 没有增强的环氧材料、一层16微米厚的铜箔、一层1毫米厚的玻璃 纤维增强的环氧材料和一层16微米厚的铜箔。\n材料II\n在一种60微米厚的FR4材料上两面分别层压12微米厚的铜箔。 为了改进上述材料I和II，可用下列添加剂：\n添加剂I\n中华人民共和国河北省州(Shenzhou)城西京明(Xijingming) 公司生产的型号为“1501快红”的有机红颜料(C.I.颜料红48∶1)， 这是一种以钡盐为基的偶氮颜料。\n添加剂II\n德国拜尔公司生产的商标为“Bayferrox”的无机红色颜料(C.I. 颜料红101)。这是一种氧化铁红颜料。\n添加剂III\n瑞士CIBA-Geigy股份公司生产的商标为“Oracet”的Gelb GHS 的聚合物可溶性蒽醌颜料(C.I.溶解黄163)。\n添加剂IV\n宝石红玻璃纤维，这种玻璃通过添加按重量百分比计算的2％的 硒、1％的硫化镉、1％的三氧化二砷和0.5％的碳制成成份为 NA2O-ZnO-4SiO2的基玻璃。\n例1\n用激光器I在材料I的上层12微米厚的铜箔和用未增强的环氧 树脂材料制成的60微米厚的电介质层上加工直径为125微米的盲 孔。铜层钻孔用的脉冲频率为45千赫或≥30千赫，电介质层钻孔用 的则为25千赫或≥20千赫。脉冲长度为30纳秒，或＜40纳秒。在该 有机材料中添加的颜料介于按重量百分比计算的0.1％和5.0％之间。 优选为，在该有机材料中添加的颜料介于按重量百分比计计算的1％ 和2％之间。\n在用两个检流计镜子来偏转x方向和y方向的激光束的情况下， 加工了10厘米×10厘米的面积。铜钻孔的激光束在外孔区用大约25 微米的聚焦激光束的点直径在少量的同心圆内运动，然后自动抛出内 区。外同心圆的直径为110微米。激光束的线速度为900毫米/秒。 为了进行环氧树脂材料的钻孔，激光束被调到焦点外1.6毫米，但在 这种情况下也描绘同心圆。在钻通环氧树脂材料后，位于下面的铜箔 只受到轻微腐蚀。\n铜箔的钻孔用每秒钟289孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔 则以每秒钟220孔的速度进行。所以钻入层板的盲孔以每秒120孔的 速度进行。\n例2\n与例1不同的是，使用了具有相同激光参数的激光器II。这里铜 箔的钻孔以每秒145孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒 122孔的速度进行。所以钻入层压板的盲孔以每秒65孔的速度进行。\n例3\n与例1不同的是，盲孔被钻入材料II中，其结果是相当的。\n例4\n与例2不同的是，盲孔被钻入材料II中，其结果是相当的。\n例5\n与例1不同的是，这里制作直径为100微米的盲孔。铜箔的钻孔 以每秒398孔进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒382孔进行。所 以钻入层压板中的盲孔以每秒183孔的速度进行。\n例6\n与例2不同的是，这里制作直径为100微米的盲孔。铜箔的钻孔 以每秒199孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒212的速 度进行。所钻入层压板的盲孔以每秒99孔的速度进行。\n例7\n与例1不同的是，这里制作直径为75微米的盲孔。铜箔的钻孔 以每秒750孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒800孔的 速度进行。所以钻入层压板的盲孔以每秒300孔的速度进行。\n例8\n与例2不同的是，这里制作直径为75微米的盲孔。铜箔的钻孔 以每秒370孔的速度进行，而环氧树脂材料的钻孔则以每秒400孔的 速度进行。所钻入层压板的盲孔以每秒150孔的速度进行。\n例9\n与例1不同的是，这里用改进的材料I，即在未增强的环氧树脂 材料中添加了大约1.5％重量百分比的添加剂I。通过改善激光束的吸 收度而可把环氧材料的钻孔速度提高互每秒550孔。层压板内盲孔的 钻入速度可提高大约50％达到大约180孔。\n例10\n与例9不同的是，在未增强的环氧树脂材料中添加了大约1.5％ 重量百分比的添加剂II。其结果是相当的。\n例11\n与例9不同的是，在未增强的环氧树脂材料中添加了大约1.5％ 重量百分比的添加剂III。环氧树脂材料钻孔速度的提高在这里有所 下降。\n例12\n与例9不同的是，这里使用了具有相同激光参数的激光器II。环 氧树脂材料钻孔速度可提高到每秒306孔。\n例13\n与例9不同的是，这里制作直径为100微米的盲孔。环氧树脂材 料的钻孔速度为每秒956孔。\n例14\n与例12不同的是，这里制作直径为100微米的盲孔。环氧树脂 材料的钻孔速度为每秒531孔。\n例15\n与例3不同的是，这里使用了改进的材料II，即FR4材料作为环 氧树脂材料构成，而不用大约以50％重量百分比的添加剂IV的纤维 增强的一般玻璃纤维增强材料。环氧树脂材料的钻孔速度可提高2至 2.5倍。\n当然，也可制作通孔来代替例1至15所述的盲孔。在这种情况 中，在相同条件下，用上铜箔的钻孔相同的时间消耗进行上铜箔的钻 孔。