專利名稱：基于激光器可轉換波長的蝕刻電路板加工系統的制作方法
相關申請本申請要求于1999年12月7日申請的、申請號為60/253,120的美國臨時專利申請的優先權。
聯邦發起的研究或研制不可申請在另一個例子中，專利號為5,847,960的美國專利，是一個多工具定位系統，這個系統已被轉讓給本申請的受讓方，該申請描述一個多速率、多工具定位裝置，該定位裝置在ECBs中切割封閉的通孔。一半的工具是紫外(“UV”)激光器，該紫外激光器易于切割導電層和介電層，而另一半工具是IR激光器，該IR激光器僅易于切割介電層。UV激光器被控制來切割上導電層以及一部分下介電層，而IR激光器被控制用來切割剩余的介電層而沒有切入或損壞第二下導電層。組合的激光加工步驟有一個用于在ECBs中切割封閉通孔的寬的加工窗口。
ECB的加工工作者皆知的是，UV激光器波長具有優越的聚合物材料加工性能，如一個寬的加工窗口，小的開槽尺寸以及規矩的孔。然而，因為UV激光器的有效UV功率受到限制，所以其加工生產率在許多應用場合是有限的。而且，使用兩個激光器過于復雜而且成本高，一般需要單獨的光學裝置及較長的準直時間。
因為這些問題，一些現有工作者建議用可轉換波長的單個激光器。尤其，專利號為5,361,268的美國專利，其主題為可轉換的兩波長頻率轉換激光器系統及其功率控制裝置，該專利已被轉讓給本申請的受讓方，它描述這樣的一種激光器，其用于在半導體通孔切割，然而，對于ECB加工，它還是效率很低且UV輸出功率不足。
因此，需要一種簡單、高效、高效費比且高生產率的加工ECB通孔的方法。
本發明的另一目的是提供一種高生產率的ECB通孔成形裝置及方法。
本發明的可轉換波長的激光器是基于一類固態頻率轉換激光器源，在這種類型的激光器中，第四諧波UV激光能量通常用于加工而第二諧波“綠色”激光能量被排放(dump)而浪費。然而，本發明的最佳實施例使用通常被浪費的綠色激光能量來加工ECB銅層，因為綠光能量的功率比UV能量的功率高，這可以提高加工生產率。本發明使用一普克爾盒基的波長選擇技術，這樣既可以將綠光激光能量也可以將UV激光能量轉換到加工件上以加工不同的材料。
因為銅能較多地吸收綠光能量，所以綠光激光能量加工銅通孔的質量被相信優于紅外激光能量。UV能量的較高電介質加工質量的優點得以保留。本發明僅要求單軌激光器(single rail laser)源，因此，它具有簡單、高效、高效費比、內準直的特點且有高的加工生產率。
附圖的簡要描述
圖1是本發明的可轉換波長激光器顯微機械加工系統的簡要方塊圖。
圖2A到2C是用圖1的可轉換波長激光器對EBC的導電層和介質層進行加工的橫截面圖。
激光源12可以是，例如，一個1,064納米(“nm”)NdYAG或NdYVO4激光器，或是一個1,053nm或者1,047nm的NdYLF激光器。激光源12的組成部件包括一個Q開關、產生第二諧波的NLC、以及諧振腔鏡。激光源12最好是一個產生532nm綠色激光束15的1,064nm的NdYAG激光器，雖然波長小于355nm左右是適合的。本發明的NLC可以由BBO，LBO或CLBO晶體中的任何一個形成，或者由其它可適合的產生UV的NLC材料形成。
選擇波長是使用插在激光源12和NLC14之間的普克爾盒16。普克爾盒16是由普克爾盒驅動器18驅動。當普克爾盒驅動器18沒有加驅動電壓到普克爾盒16上時，來自激光源12的綠色激光束15由NLC14轉換為UV能量，該UV能量帶有剩余綠色能量。UV能量偏振由NLC14相對于綠色激光束15旋轉90度。塔式鏡(tower mirror)20設計成將偏振與UV能量相同的入射激光束能量幾乎100％反射。
因此，剩余的綠光能量通過塔式鏡20傳播進綠光堆放終端(dumptermination)22，而大部分的UV能量被反射到加工件24，如ECB，對其進行加工。被反射的UV能量這里是指UV光束26，該UV光束26的波長小于266nm。
當普克爾盒驅動器18施加預定電壓到普克爾盒16上，綠色激光光束的偏振旋轉90度。這防止NLC14產生任何UV能量，因為現在綠光能量偏振不適于頻率轉換。然而，綠光能量偏振適于由塔式鏡20反射，因此，幾乎所有的綠光能量被反射到加工件以對其進行加工。被反射的綠光能量在這里是指綠色光束28，該綠色光束28的波長小于532nm。
本發明的一個典型的應用是在加工件24中的加工多個孔，如在一層或多層、單面或雙面的ECBs中切割通孔。多層ECBs一般是通過定位、堆積、層壓以及壓制多個0.05到0.08微米(0.002到0.003英寸)厚的電路板層而制作的。每層一般包括一個各種相互連接的焊接區及導線的圖案，該層經過處理后形成一個復雜的電子元件安裝及相互連接的組件。ECBs的部件及導體密度隨著集成電路的集成度的增加而增加。因此，ECB中孔的定位精度和尺寸容許誤差也成比例地提高。
加工通孔對任何孔加工工具提出了一個極大的挑戰，因為通孔加工一般涉及嚴格的深度、直徑、以及定位容許誤差等問題。這是因為加工通孔一般是通過第一導電層(如，銅、鋁、金、鎳、銀、鈀、錫和鉛)，再通過一個或一個以上介電層(如聚酰亞胺、FR-4樹脂、苯并環丁烯(benzocyclobutene)、雙馬來酸三吖嗪脂(bimaleimidetrazine)、氰酸鹽脂基樹脂、陶瓷)，然后到達但不通過第二導電層。所產生的通孔一般是鍍以導電材料使第一導電層與第二導電層電連接。
一些應用要求切割相對較大直徑的孔，大約200nm或小于200nm。因為UV激光光束能量一般僅有20微米左右的光束直徑，所以UV能量會沿一個螺旋形或圓形路徑鉆孔。然而，綠光能量光束的直徑較大，因此，它鉆孔直徑也就相對較大。
ECB厚度變化可以通過可轉換波長的激光器10的精度為±0.13微米(±0.005英寸)的場深度來調節。
由可轉換波長激光器10產生的UV光束26和綠光光束28是內準直的且適用于加工由不同材料形成的ECBs，如銅導電層和聚酰亞胺介電層。綠光光束28最適于加工銅層，而UV光束26最適于加工由聚酰亞胺或其它聚合物材料形成的介電層。通常，本發明提供的綠光能量比UV能量多。通過使用綠光光束28來加工銅，可以實現更高的生產率，而通過使用UV光束26來加工介電層材料，可以保持較好的加工質量。
圖2A至2C顯示一個典型多層ECB30，其具有由相應的第一、第二介電層38和40隔開第一、第二和第三導電層32、33和36。在這個典型例子中，在第一、第二介電層38和40被層壓在一起之前，第一和第二導電層32和34被蝕刻預定圖案。在這個例子中，第三導電層36是一個導電的平面“接地面”層。ECB30最好用如下的可轉換波長的激光器10來加工，該可轉換波長的激光器10在最初被轉換成產生綠光光束28。
圖2A顯示打在第一導電層32上的綠光光束28。
圖2B顯示綠光光束28穿過第一導電層32加工孔42并打到第一介電層38上并對其部分地加工。在此處，可轉換波長的激光器10從產生綠光光束28轉換到產生UV光束26。
圖2C顯示UV光束26通過第一介電層38加工孔44并打到第二導電層34上。如上所述，UV光束26最好沿著一螺旋形或圓形路徑在第一介電層38中加工孔44。因為UV光束26的功率相當低以及導電層的反射性，孔44自行終止在第二導電層34，產生一個寬的加工窗口。
圖2C還顯示了孔46和48分別延伸穿過第三導電層36和第二介電層40。孔40和48最好以與孔42和44相同的方式來加工，但是，需將ECB30翻轉過來以便綠光光束28和UV光束26分別加工第三導電層36和第二介電層40。
技術人員應理解本發明的許多部分可以用不同于上面最佳實施例的所述的實施方案來實現。如，各種不同的激光器、諧波、波長以及功率級，可以被用來加工ECBs以及其它的顯微機械加工應用中的各種材料結合物。激光源12一般要求有激光介質(弧光燈、激光二極管等)所用的光學泵浦源、該光學泵浦源所用的冷卻系統及電子控制裝置。最好采用激光二極管泵浦源。將紅外激光源12的基礎頻率倍頻(frequency doubling)產生第二諧波綠光能量，然后再倍頻(四倍)產生第四諧波UV能量。可選的是，與紅外和綠光能量混合(三倍)的頻率產生第三諧波UV能量。
顯然，對本領域的技術人員來說可對本發明的上述實施例的一些細節做許多其它的改變而不背離本發明的基本原則。因此，可以理解的是，本發明也可應用于基于激光器的機械加工而不是應用于蝕刻電路板的制作。因此，本發明的范圍僅由下面的權利要求來確定。
權利要求
1.一種在蝕刻電路板(“ECB”)上加工孔的裝置，該蝕刻電路板包括至少由一介電層隔開的第一和第二導電層，包括單軌激光激光器系統，該系統可選擇地產生一個綠光波長的光束以及一UV波長的光束，綠光波長的光束穿過第一導電層和部分介電層來加工孔，UV波長光束穿過該介電層的其余部分而完成該孔的加工，且UV波長光束在第二導電層上終止加工。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，單軌激光激光器系統包括一個紅外(“IR”)激光器和一個產生綠光波長光束的非線性倍頻晶體。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，非線性晶體由BBO、LBO或CLBO晶體中任何一個來形成。
4.如權利要求1所述的裝置，其中，單軌激光激光器系統還包括一個偏振轉換元件，該元件在第一和第二偏振態之間轉換綠光波長光束；一個非線性諧波產生晶體，當接收第一偏振態的綠光波長光束時，產生第二偏振態的UV波長光束而且傳播剩余的第一偏振態的綠光波長光束，當接收第二偏振態的綠光波長光束時，傳播第二偏振態的綠光波長光束；以及一偏振選擇鏡，反射第二偏振態的光束，以使UV和綠光波長光束被反射到ECB，而剩余的綠光波長光束穿過該偏振選擇鏡而離開ECB傳播。
5.如權利要求4所述的裝置，其中，非線性晶體由BBO、LBO或CLBO晶體中任何一個來形成。
6.如權利要求1所述的裝置，其中，單軌激光激光器系統包括一NdYAG、NdYVO4或一NdYLF激光器。
7.如權利要求1所述的裝置，其中，綠光波長光束的波長小于約532納米。
8.如權利要求1所述的裝置，其中，第一和第二導電層由銅、鋁、金、鎳、銀、鈀、錫和鉛中至少一種來形成。
9.如權利要求1所述的裝置，其中，介電層由聚酰亞胺、FR-4樹脂、苯并環丁烯、雙馬來酸三吖嗪脂、氰酸鹽脂基樹脂或陶瓷中的至少一種來形成。
10.一種在蝕刻電路板(“ECB”)上加工孔的方法，該蝕刻電路板包括至少由一介電層隔開第一和第二導電層，所述方法包括提供單軌激光激光器系統，該系統可選擇地產生一綠光波長的光束以及一UV波長的光束；轉換該單軌激光激光器系統以產生綠光波長的光束；用綠光波長光束穿過第一導電層并在介電層的一部分上加工一孔；轉換該單軌激光激光器系統以產生UV光束；用UV波長光束穿過該介電層的其余部分而加工該孔。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所提供的單軌激光激光器系統還包括提供一個偏振轉換元件，該元件在第一和第二偏振態之間轉換綠光波長光束；提供一個非線性諧波產生晶體，當接收第一偏振態的綠光波長光束時，產生第二偏振態的UV波長光束而且傳播剩余的第一偏振態的綠光波長光束，當接收第二偏振態的綠光波長光束時，傳播第二偏振態的綠光波長光束；以及提供一偏振選擇鏡，反射第二偏振態的光束，以使UV和綠光波長光束被反射到ECB，而剩余的綠光波長光束穿過該偏振選擇鏡而離開ECB傳播。
12.如權利要求10所述的方法，包括沿螺旋形或環形路徑偏轉UV波長光束以在介電層殘留部分加工該孔。
13.如權利要求10所述的方法，還包括在第二導電層上終止加工該孔。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述加工終止步驟是自行終止步驟，該自行終止步驟是由于加工第二導電層的UV波長光束功率水平不足而導致的。
15.如權利要求13所述方法，其中所述加工終止步驟是自行終止步驟，該自行終止步驟是由于UV波長光束反射離開第二導電層而導致的。
16.如權利要求13所述的方法，其中所述加工終止步驟是自行終止步驟，該自行終止步驟是由于加工第二導電層的UV波長光束功率水平不足或者UV波長光束反射離開第二導電層中的至少一個而導致的。
全文摘要
本發明的可轉換波長的激光器(10)是一種基于固態激光源(12)，在固態激光源(12)中，第四諧波UV激光光束(26)通常被用作加工，而第二皆波“綠光”激光光束(26)被沉積并被浪費。然而，本發明使用這個通常被浪費的綠光激光光束來加工ECB(30)導電層(32，36)，因為綠光能量的功率比UV能量的功率高，所以提高了加工生產率。一普克爾盒(16)實現激光光束偏振轉換，該偏振轉換將綠光光束或UV光束被導向ECB，以加工不同的材料。本發明僅要求單軌激光激光器源，因此，是一個簡單、高效、效費比高、內準直且加工生產率高。
文檔編號B23K26/00GK1413428SQ00817764
公開日2003年4月23日 申請日期2000年12月5日 優先權日1999年12月7日
發明者Y·孫, E·斯溫森 申請人:電子科學工業公司