專利名稱：一種由具有不同輸出性能特征的激光器提供質(zhì)量一致的靶材料去除的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用激光器在電子材料產(chǎn)品的材料中鉆孔或處理
某些部分，特別涉及這樣的技術(shù)，即，由具有不同操作輸出參數(shù)的基于 激光器的系統(tǒng)進(jìn)行材料加工后形成一致的高質(zhì)量鉆孔或區(qū)域。
背景技術(shù)：
激光器被用來在電子材料產(chǎn)品的材料，如具有或沒有金屬覆層 的勻質(zhì)薄膜、微粒填充的樹脂、聚酰亞胺，和纖維增強(qiáng)聚合物中鉆孔和 燒蝕。固體UV激光器鉆孔的現(xiàn)有技術(shù)是，例如，通過為所需工藝設(shè)定 和控制激光脈沖功率和重復(fù)頻率而設(shè)定和控制或監(jiān)視激光脈沖能量。以 這種方式使用高斯光束光學(xué)和成像光束光學(xué)配置。不同激光器中其他激 光器輸出性能特征改變，但仍保持在激光器規(guī)格內(nèi)。在多激光器、多光 束定位頭、和多激光器系統(tǒng)中，激光器輸出性能特征在規(guī)定限制內(nèi)的變 化可導(dǎo)致鉆孔質(zhì)量的差別，即使所有系統(tǒng)中采用同樣工藝和相同的材料。 特別地，激光器規(guī)格內(nèi)參數(shù)的變化可引起底部銅覆層的殘?jiān)纬苫虿痪?勻熔化，特別對于鉆盲孔的應(yīng)用，這導(dǎo)致鉆孔的質(zhì)量差別。在這些應(yīng)用 中，在鉆孔工藝中所采用的脈沖能量也可能影響孔錐度(孔底部直徑對 頂部直徑的比率)，以及底部銅覆層的質(zhì)量。高質(zhì)量盲孔是具有所需底 部直徑的孔，且從底部去除所有薄膜樹脂材料從而露出閃亮的銅覆層斑 點(diǎn)?！愕?，激光器加工的材料的質(zhì)量參考由激光器加工設(shè)備客戶 所制定的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量衡量對于不同的激光器加工操作是不同的。除 了上面討論的鉆孔質(zhì)量衡量，激光器輸出對于電導(dǎo)連接割斷、電阻性材 料修整、厚或薄鈍化元件的熱退火、和襯底材料劃割也有質(zhì)量衡量。對于連接割斷的質(zhì)量衡量決定了在割斷連接過程中，激光輸出與材料相互作用對包圍連接和在連接下面的材料的操作損傷的程度。激 光修整的質(zhì)量衡量決定了由激光交互作用在電阻性材料去除過程中貢獻(xiàn) 的電光響應(yīng)的最小化，以便對為了確定在電阻性材料修整過程何時(shí)達(dá)到 規(guī)定的電阻值而執(zhí)行的電氣測量沒有實(shí)質(zhì)性影響。激光退火的質(zhì)量衡量 決定了應(yīng)用到元件上的熱分布的不一致性的程度，從而改變其一個(gè)特征 參數(shù)。激光劃割的質(zhì)量衡量決定了劃線槽邊緣中微裂縫形成的最小化， 該微裂縫是在切割過程中產(chǎn)生的碎屑導(dǎo)致的。這是測量激光器脈沖能量 和被劃割材料的燒蝕能量閾值之間的差異。而且，脈沖能量的控制是不完美的，并受沒有被該光學(xué)系統(tǒng)中 能量控制裝置標(biāo)準(zhǔn)化的短期瞬態(tài)的影響。脈沖能量中這樣的偏差可引起 孔控制衡量的不希望出現(xiàn)的變化。因此，需要用于實(shí)現(xiàn)多激光器、多光束定位頭、和多個(gè)基于激 光的系統(tǒng)的激光器以一致的高質(zhì)量鉆孔和去除材料的技術(shù)。而且需要實(shí) 現(xiàn)通過激光器一致地去除材料，在時(shí)間上，其輸出性能特征在規(guī)定地限 度內(nèi)變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)調(diào)整激光脈沖能量，從而解決不同激光器中激光脈 沖寬度的變化引起的影響。激光脈沖能量調(diào)整是受對這樣的影響的理解 驅(qū)動的，即對不同激光器中激光脈沖寬度變化對滿足與激光加工耙關(guān)聯(lián) 的質(zhì)量衡量的影響。在優(yōu)選實(shí)施例中，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)化靶樣品中不同激光鉆 孔中脈沖寬度變化的影響。此外，基于應(yīng)用到孔位置的脈沖能量，傳輸 到靶樣品從而形成每個(gè)孔的激光脈沖的數(shù)量可改變，從而控制不同孔質(zhì)
'
傳統(tǒng)控制鉆孔工藝的方法必須為給定工藝控制脈沖能量。用來 執(zhí)行給定工藝的脈沖能量Ep是由該工藝所需的能量密度(fluence) F決 定的。以J/cn^為單位，該能量密度可如下計(jì)算其中是EP以J為單位的脈沖能量，D是以厘米為單位的孔直徑。本 申請人:已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以相同的能量密度水平，具有不同脈沖寬度的激光器鉆 相同的材料導(dǎo)致不同的質(zhì)量的靶樣品的底部銅覆層。本申請人已經(jīng)確定 了更合適的參數(shù)來預(yù)測盲孔的底部銅覆層的質(zhì)量，該參數(shù)為
其中F是以J/cr^為單位的脈沖能量密度，t是以納秒為單位的激光 脈沖寬度。采取措施使一組不同激光器中激光器的F/V 為常數(shù)，從而提 供更一致的激光加工。對于非鉆孔的激光加工操作和沒有銅覆層的耙， 這一點(diǎn)是對的。本發(fā)明其他方面和優(yōu)點(diǎn)將從優(yōu)選實(shí)施例的下面詳細(xì)說明中看 出，該描述參考附圖給出。圖1是一組四個(gè)光顯微圖像，其示出在同樣銅覆層的耙材上以 不同激光器發(fā)射脈沖激光束，在相同的能量密度但不同脈沖寬度鉆出的 58微米直徑盲孔的質(zhì)量差異。圖2和3每個(gè)都是一組四個(gè)光顯微圖像，其示出相似質(zhì)量的 58微米直徑的盲孔，這些盲孔是在同樣銅覆層的靶材上以不同激光輻射 激光束，在相同的F/W但不同的脈沖寬度下鉆出的。圖4是曲線圖，其示出對于不同激光器，表示作為F/Wl的函 數(shù)，燒蝕塊狀Model ABF介電靶材從而形成58微米錐度75X的盲孔的 激光脈沖數(shù)目的曲線。圖5是曲線圖，其示出孔錐度，該孔錐度作為在ModdABF介 電靶材中以60 kHz的重復(fù)頻率和0.73 J/cm2能量密度鉆直徑58微米盲孔 的激光脈沖的數(shù)目的函數(shù)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例需要使用固態(tài)UV激光器執(zhí)行電路材料，如 有或沒有金屬覆層的均勻膜，微粒填充的樹脂，聚酰亞胺，和纖維增強(qiáng)


的聚合物的鉆孔和燒蝕。由日本kawasaki的Ajinomoto Fine-Techno Co.， Inc.制造的Model ABF電路板介電材料是靶材，下面的描述就是基于這種 靶材。下面的描述是針對鉆孔的，但本發(fā)明也可以應(yīng)用至其他去除材料 的方法，如連接割斷、材料修整、退火、和劃割。圖1是一組四個(gè)顯微圖像照片，其示出本發(fā)明解決的問題。圖 1示出兩個(gè)58微米直徑鉆孔的光顯微圖片，該孔是以近似相同的能量密 度級利用不同脈沖寬度的355納米UV激光器鉆至35微米到40微米深。 頂部兩個(gè)圖片表示聚焦于靶材的上表面的盲孔圖像，底部兩個(gè)圖片表示 聚焦于孔底部的下部銅覆層的盲孔圖像。(參數(shù)Pws表示工作表面上的 激光器功率。)圖1中左手側(cè)和右手側(cè)照片對的比較揭示出，以相同的 能量密度水平，較短的脈沖寬度激光器A稍微熔化底部銅層，而較長的 脈沖寬度激光器B僅從底部銅層上清除介電材料。激光器A和激光B器 每個(gè)都發(fā)射355納米光束。對于同樣的能量密度水平的兩個(gè)不同激光脈 沖寬度，底部銅層的亮度顯著不同。本申請人對脈沖寬度對孔質(zhì)量影響的研究得出F/V^是更適合 于預(yù)測盲孔的底部銅覆層的質(zhì)量的參數(shù)，其中F是能量密度，單位為 J/cm2， T是激光脈沖寬度，單位為納秒。圖2和圖3每個(gè)都是一組四個(gè)顯微圖像的圖片，其示出本發(fā)明 對激光鉆孔質(zhì)量的影響。圖2和3中頂部兩個(gè)圖片和底部兩個(gè)圖片表示 相應(yīng)于圖1中圖片所用的相同聚焦深度。圖2和圖3示出盲孔的光顯微 圖像，該盲孔是在相同的材料中以具有不同脈沖寬度的激光鉆的，但比 率F/W而非F保持近似相等。底部圖片示出對于激光器發(fā)射的不同脈沖 寬度的脈沖，只要比率F/W保持恒定，則底部銅層的表面質(zhì)量是相似的。
認(rèn)識到參數(shù)F/V^影響底部銅層質(zhì)量，系統(tǒng)操作員可采取措施 保持一組激光器中不同激光器的該參數(shù)恒定，從而提供更一致的激光加 工。對于具有標(biāo)準(zhǔn)值，最小值，和最大值的脈沖寬度規(guī)格的激光器，一 組激光器中不同的激光器可通過標(biāo)準(zhǔn)化該組激光器中每個(gè)激光器的比率 F/V 而彼此標(biāo)準(zhǔn)化。 一種實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的方法需要相對額定脈沖寬度規(guī)格 標(biāo)準(zhǔn)化所有激光器，這樣所有激光器就如同它們中的每一個(gè)對于任意給 定組的工藝參數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度激光器那樣鉆孔。對于該脈沖寬度的
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其中FD別是要在鉆孔過程中使用的能量密度，F(xiàn)加m是為給定工藝設(shè) 定在激光器系統(tǒng)中的額定能量密度，T LasM是所使用的激光器的實(shí)際脈沖 寬度，、。:n是激光器的額定脈沖寬度規(guī)格。在一個(gè)典型的過程中，操作員在系統(tǒng)輸入裝置中設(shè)定為給定加 工操作規(guī)定的能量密度值。系統(tǒng)具有存儲器存儲先前輸入的激光器參數(shù) 數(shù)據(jù)。激光器系統(tǒng)軟件自動地采用為給定工藝輸入的參數(shù)并再次計(jì)算不
同脈沖能量，從而滿足尸/V 參數(shù)與鉆孔過程中需要使用的質(zhì)量衡量一
致，即，基于實(shí)際被使用的激光器的脈沖寬度的脈沖能量。同樣方法也 可用于校正脈沖寬度隨著激光脈沖重復(fù)頻率改變時(shí)的變化，從而導(dǎo)致以 同樣設(shè)定的能量密度和不同重復(fù)頻率鉆的孔有一致的孔質(zhì)量。對于使用 的單個(gè)激光器的脈沖寬度信息可以基于先前的測量輸入到校準(zhǔn)文件中或 使用脈沖探測器實(shí)時(shí)地測量。脈沖能量影響的標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)通過圖4和圖5示出，其示出對 于給定脈沖能量，孔錐度對脈沖數(shù)目的關(guān)系。特別地，圖4示出入射到 耙位置的最小數(shù)目的脈沖，從而實(shí)現(xiàn)75%的孔錐度。如圖4所示，對于 特定孔的平均脈沖能量的下降(導(dǎo)致F/v^的相應(yīng)下降)可導(dǎo)致需要使用 較大數(shù)目的脈沖從而產(chǎn)生所需的錐度比率。圖5示出使用比所需數(shù)目小 的錐度脈沖導(dǎo)致孔錐度低于所需錐度。為了補(bǔ)償該脈沖能量減小，機(jī)器 控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測給定孔的脈沖能量，并實(shí)時(shí)調(diào)整應(yīng)用到該孔的脈沖 數(shù)目，從而保持所需的錐度。如圖5所示，對于給定例子，使用58個(gè)脈 沖實(shí)現(xiàn)75%的孔錐度。額外的脈沖用來獲得更好的孔底表面質(zhì)量。脈沖 的數(shù)目可以增加也可以減小，從而對于給定孔產(chǎn)生所需錐度，這取決于 用于該孔的平均脈沖能量是否高于或低于設(shè)定的脈沖能量。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然可以對上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)做出 許多改變而不偏離本發(fā)明的基本原理。本發(fā)明的范圍應(yīng)僅由下面的權(quán)利 要求限定。
權(quán)利要求
1. 一種一致地滿足質(zhì)量衡量的方法，該質(zhì)量衡量是為由從一組激光器中不同激光器發(fā)出的激光輸出脈沖加工的靶樣品材料的區(qū)域規(guī)定的，在加工靶樣品材料之前，激光輸出脈沖特征為有由脈沖寬度和峰值功率值確定的額定脈沖能量值，該方法包括為靶樣品材料被激光加工的區(qū)域規(guī)定質(zhì)量衡量；和調(diào)整激光輸出脈沖的額定脈沖能量值，從而為該組中每個(gè)激光器建立調(diào)整的能量值，該能量值使由激光輸出脈沖加工的靶樣品材料的區(qū)域一致地滿足所規(guī)定的質(zhì)量衡量。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中該組中每個(gè)激光器發(fā)射一系列 激光輸出脈沖，并進(jìn)一步包括改變一個(gè)或多個(gè)激光器的系列中激光輸出 脈沖的數(shù)目，從而響應(yīng)對于調(diào)整的能量值的偏離進(jìn)行的檢測，加工耙樣 品材料的相關(guān)區(qū)域。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中激光加工靶樣品材料從而在靶 樣品材料區(qū)域的一個(gè)區(qū)域中形成孔。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中靶樣品材料包括可燒蝕耙材料， 其具有被金屬覆層覆蓋的主表面，且其中質(zhì)量衡量中的一個(gè)衡量包括關(guān) 于去除可燒蝕的靶材料從而形成孔的金屬覆層的條件。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)激光輸出脈沖覆蓋耙面積， 且其中脈沖能量值的調(diào)整包括為該組中激光器確定表示規(guī)定的質(zhì)量衡量 的比率，其被表示為<formula>formula see original document page 2</formula>其中F和t分別是激光脈沖的能量密度和脈沖寬度。
6. —種一致地滿足質(zhì)量衡量的方法，該質(zhì)量衡量是為由從一個(gè)激光 器發(fā)出的激光輸出脈沖加工的靶樣品材料的區(qū)域規(guī)定的，該激光器在輸 出性能規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行，該激光器發(fā)射一系列輸出脈沖，每個(gè)脈沖的特 征是額定功率值和實(shí)際脈沖寬度，該方法包括-規(guī)定質(zhì)量衡量，該質(zhì)量衡量是關(guān)于完成激光加工的靶樣品材料的區(qū) 域所滿足的；和乘以一個(gè)參數(shù)來比例激光輸出脈沖的額定功率值，從而提供一系列 具有比例能量值的輸出脈沖來加工靶樣品材料的區(qū)域，該參數(shù)得自激光 脈沖的實(shí)際脈沖寬度。
7. 如權(quán)利要求6的方法，其中具有比例能量值的激光脈沖每個(gè)覆蓋 靶面積，所述參數(shù)被表示為其中F和t分別是激光脈沖的能量密度和脈沖寬度。
8. 如權(quán)利要求6的方法，其中激光加工靶樣品材料從而在區(qū)域中形 成孔。
9. 如權(quán)利要求8的方法，其中靶樣品材料包括可燒蝕靶材料，其具有 被金屬覆層覆蓋的主表面，且其中質(zhì)量衡量中的一個(gè)衡量包括關(guān)于去除可 燒蝕的靶材料從而形成孔的金屬覆層的條件。
10. —種一致地滿足質(zhì)量衡量的方法，該質(zhì)量衡量是為一個(gè)激光器規(guī) 定的，該激光器發(fā)射靶樣品加工脈沖激光束以加工耙樣品材料，該方法 包括確定由激光器發(fā)射的額定脈沖光束的額定脈沖功率值，該額定脈沖 功率值是由額定脈沖光束的脈沖寬度和峰值功率值得出的；和乘以一個(gè)參數(shù)來比例額定脈沖功率值，以產(chǎn)生耙樣品加工脈沖激光光束，該光束具有對應(yīng)于質(zhì)量衡量的比例激光脈沖能量值，該參數(shù)被表 示為F/V^ ，其中F是從入射到靶面積上的額定脈沖光束的激光脈沖的峰值 功率值計(jì)算出的能量密度，T是額定脈沖光束的脈沖的脈沖寬度。
全文摘要
激光脈沖能量調(diào)整是受對這樣的影響的理解驅(qū)動的，即對不同激光器中激光脈沖寬度變化對滿足與激光加工靶關(guān)聯(lián)的質(zhì)量衡量的影響。在優(yōu)選實(shí)施例中，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)化靶樣品中不同激光鉆孔中脈沖寬度變化的影響?；趹?yīng)用到孔位置的脈沖能量，傳輸?shù)桨袠悠窂亩纬擅總€(gè)孔的激光脈沖的數(shù)量可改變，從而控制不同孔質(zhì)量衡量。
文檔編號H05K3/00GK101427427SQ200580017385
公開日2009年5月6日 申請日期2005年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者G·西盟森, J·豪爾頓, M·恩瑞, W·萊 申請人:電子科學(xué)工業(yè)公司