专利名称：一种激光刻蚀制作线路板的方法
技术领域：
本发明属于电路板制作、激光微细加工技术领域。具体的说，是把激光刻蚀技术用于电路板的制作，即一种激光刻蚀制作线路板的方法。
背景技术：
随着微电子技术的飞速发展，印制电路板制造向多层化、小型化、功能化和集成化的方向迅速发展。在印制电路板中设计大量微孔、窄间距、细导线电路图形，对印制电路板制造技术要求更高，传统的印制电路板制作工艺方法包括光化学法和模板(或丝网)漏印法等在小批量、高精度的场合越来越不能满足要求。这些工艺的主要缺点有制造工序多，对高密度、高精度印制电路板易带来较大误差；腐蚀去除的导电材料很多，造成贵金属的大量浪费；电镀、腐蚀等工序使用的溶液对环境造成很大的污染等。特别是当导线线宽及导线间距小到一定程度时，由于腐蚀过程中的侧向腐蚀行为，将无法保障导线的精度与均匀性，无法制作更高精度的印制电路板。例如，采用光绘制版的方法制作线路板导线时，对于低导线密度电路板(以下简称低密度板)，仅可以保证导线宽度大于300μm的导线质量。对于高导线密度电路板(以下简称高密度板)，仅可以保障导线宽度大于100μm的导线质量。超过此极限时，在图形转移工艺过程中，由于“隔离层”的存在，光的折射、衍射将会使PCB成像产生侧蚀现象，严重影响PCB的制作质量，使得最小导线宽度和导线间距受到影响，无法保证所制造产品的质量。此外，现有光化学法工艺的柔性化程度很低。制作过程一般必须到专业厂家生产完成，周期为3-5天，长的甚至二个星期，制作周期长。而且，电路板一旦制作成功，无法对其进行修改，需要重新投入资金制作，对于单件或者小批量生产来说，制造成本较高。
为了解决上述问题，国内外研究人员一直不断努力开发各种直写布线技术，即采用各种物理或者化学方法在线路板表面直接写入导线、制成电路板的技术，如浆料注入式、喷墨式涂覆方法、数控机床控制金刚石刀具雕刻法、热压印和静电转印技术、聚焦离子束技术和激光加工技术等。其中，采用数控机床控制金刚石刀具按照预定的CAD图形，在基板的覆铜层上刻画出密集导线形状的制作方法，由于工艺简单，加工精度高，具有较高的实用价值。如德国LPKF公司生产的Circuit Board Plotter(Circuit Board PlotterTechnical Specifications)，就是采用数控系统控制金刚石刀具的运动，在覆铜板表面直接制作线路板的过程。其基本工作过程为将覆有铜箔的基板固定在工作台上，驱动X-Y二维数控工作台按照CAD图形文件的轨迹进行运动，金刚石刀具将轨迹处的铜箔刻画掉，留下部分即为实际所需的线路板图形。利用该技术可以很方便地将CAD图形文件经过取反处理后，快速制作出所需的线路板，整个制作过程仅需几个小时甚至几十分钟。该技术中不含有化学处理过程，制版质量容易控制，制作的导线宽度一般为100-200μm。同时由于不需要预先制作掩模或者丝网，对于所制造的线路板方便地进行修改导线布置，降低制作周期，节约制作成本。
然而，采用上述技术存在几点不足第一，由于采用金刚石刀具刻画铜箔，所刻导线的最小间距受到刀具本身尺寸大小的限制，制约了密集导线的制作技术水平。事实上，该工艺就很难加工线宽低于100um的导线。第二，由于金刚石刀具在制版过程中不断的与基板接触、摩擦，时间过长会使刀具发生变形、磨损，刀具尺寸精度不断下降，因此难以保证所制作导线质量的长期稳定。第三，由于刀具和覆铜基板之间为机械接触，加工过程中定位系统在垂直方向上产生的波动直接影响刀具与基板间的相对位置，从而对制版质量产生较大影响。这些不足在许多情况下限制了该技术的应用。
发明内容
本发明目的旨在提供一种激光刻蚀制作线路板的方法，该方法能够满足线路板表面高精度、高密度布线的要求。
本发明的进一步目的是提供一种工艺简单、可靠性高，制作成本较低的激光刻蚀制作线路板的方法。
本发明的一种激光刻蚀制作线路板的方法，其步骤为(1)对线路板导线的CAD图形进行取轮廓处理，确定刻蚀导线轮廓时所采用的扫描轨迹；(2)利用激光束按照预定的轨迹和工艺参数对所取轮廓区域的金属导电层进行扫描处理，扫描处的金属受热蒸发被光束刻蚀，形成导线的轮廓图形，即为所需的线路板导线。
为实现本发明进一步的目的，在制作线路板时，对于具有高、低密度导线区的大尺寸线路板，在进行步骤(1)、(2)之前，需进行以下2个步骤首先根据导线宽度对线路板CAD图形进行区域等级划分，将线宽小于预定值(如100μm)的区块划分为“高密度”区域，其余区块划分为“低密度”区域；再利用光绘制版方法制作出低密度区域内的导线，并将高密度区域轮廓制作出；线路板干燥后，再采用上述激光刻蚀布线的步骤，对高密度区进行激光刻蚀处理。
本发明采用激光刻蚀覆铜板的方法快速、直接地制作出线路板导线，不但可以使导线的宽度、最小间距突破常规光化学法的限制，制作出高密度、细线宽的小型线路板。更重要的是，该方法可以与传统的光化学腐蚀法组合起来，高速度、高质量、低成本地制作大面积、高密度的线路板。该方法不仅适用于普通的有机覆铜板，而且对于陶瓷基板、玻璃基板甚至金属基板都可以。目前为止，尚未发现国内外有相同方法的报道。与现有技术相比，本发明方法具有如下基本特点(1)与金刚石刀具雕刻布线技术和常规的光化学方法相比，本发明方法所制备的导线最小宽度和导线间最小间距主要决定于激光光斑的直径和工艺参数的选择，因此可以突破常规光化学方法由于侧向腐蚀和金刚石刀具雕刻布线技术中由于刀尖尺寸限制而带来的导线最小尺寸和最小线宽的限制，使现有线路板制造技术上升一个层次。
(2)由于激光刻蚀时激光束与基板无接触力，整个过程不需要其它化学介质介入，最小线宽和最小线间距主要取决于光斑尺寸大小和数控工作台的精度，因此导线质量容易控制，并从原则上讲可以获得非常精细和非常高密度的导线。而且，激光处理过程对最终形成的导线物理性能影响较小，激光加工时的扫描速度也可以非常高(可以从0.1毫米每秒到100毫米每秒)。这些都是现有的其他直接布线技术所无法比拟的。
(3)本方法不存在刀具物理尺寸大小限制和刀具使用磨损等影响布线质量的“瓶颈”因素存在，重复性好，且工艺简单、可靠性高。特别是与常规的光化学腐蚀法结合起来后，本方法不仅在制作小尺寸、高密度线路板方面具备优势，在制作大面积、高密度的线路板方面也同样具有高速度、高效率、低成本的特点，能够满足线路板表面高精度、高密度布线的要求。
图1为本发明线路板制作方法的流程示意图(制作仅具有高密度导线区的线路板)；图2为本发明线路板制作方法的流程示意图(制作具有高、低密度导线区的线路板)。
具体实施例方式
本发明的流程示意图如图1、图2所示。图1表示仅具有高密度导线区的线路板的制作过程，即包括下述步骤(1)和(2)；图2表示具有高、低密度导线区的线路板的制作过程，即包括下述步骤(1)-(3)。图1中1表示导电层，2表示基板，3表示激光束，4表示导线，图2中1、2、3、4与图1中1、2、3、4相同，5表示经光绘制版法处理后的导电层。
其步骤为(1)在电子计算机中，对线路板导线的CAD图形进行取轮廓处理，并结合导线宽度、最小线间距，确定实际刻蚀导线轮廓时所采用的扫描轨迹，确定相应的激光加工工艺参数。
(2)利用激光束按照预定的轨迹和工艺参数对所取轮廓区域的金属导电层进行扫描处理，扫描处的金属受热蒸发被光束刻蚀(又称激光烧蚀)掉，形成导线的轮廓图形，即为最终所需的线路板导线。
(3)对于具有高、低密度导线区的大尺寸线路板，在进行步骤(1)(2)之前，需进行以下2个步骤。首先根据导线宽度对线路板CAD图形进行区域等级划分，将线宽低于预定值的区块划分为“高密度”区域；其余区块划分为“低密度”区域。然后，利用光绘制版方法制作出低密度区域内的导线，并将高密度区域轮廓制作出。线路板干燥后，重复上述激光刻蚀布线的步骤，分别对各个高密度轮廓区进行激光刻蚀处理，就可以得到相应的高线密度、低线宽的整块线路板。
在制作线路板之前，应采用有机溶剂如无水酒精、丙酮等将上述导电层(如Cu、Ag等)表面吸附的杂质清除掉，形成表面干净整洁的预置层。上述步骤(2)所使用的激光器可以是NdYAG脉冲激光器(灯泵浦或者二极管泵浦)、光纤激光器或准分子激光器。制备导线时，激光束以一定的工艺参数，按照导线设计的轮廓曲线扫描导电层，去除其中需刻蚀部分，即可形成最终所需的高密度导线。步骤(3)需要根据线路板的设计要求，对具有高、低密度区的线路板图形进行区域等级划分。划分高密度区域与低密度区域的“预定值”标准不可一概而论，而是要根据使用者自身设备的使用条件和激光刻蚀的经济性来加以考虑。一般说来，可以设定为100μm。然后采用光绘制版方法，制作出低密度区域内的导线、高密度区域的轮廓、低密度区域与高密度区域轮廓的互连线，作为后续激光刻蚀布线的基础，以便提高制板效率，获得高密度线路板。
图1(a)表示采用有机溶剂如无水酒精、丙酮等清洗导电层表面，要求整个导电层1表面干净、平整，图1(b)表示利用激光束按照预定的导线轮廓轨迹扫描导电层，图1(c)表示导电层经过激光束刻蚀后，形成所需的导线。
图2(a)与图1(a)相同，图2(b)表示经过光绘制版方法处理后，形成具有低密度导线和高密度区域轮廓的导电层5，图2(c)表示利用激光束在高密度区域内按照预定的导线轮廓轨迹扫描上道工序处理后的导电层，图2(d)表示高密度区域内的导电层经过激光束刻蚀后，形成所需的导线。
本发明制备高密度导线时，利用YAG脉冲激光器、光纤激光器或准分子激光器产生的短脉宽、高峰值功率的激光束扫描导电层，其扫描轨迹为导线的轮廓轨迹。当激光束扫描到指定位置时，导电层中的金属原子吸收激光脉冲的能量而迅速蒸发，快速形成刻痕，这样减小了对邻近工作区域的损伤，同时使得刻蚀形成的导线边缘整齐。
对于具有高、低密度区的线路板，本发明制作高密度区导线之前，要先利用光绘制版的方法制作出低密度区的导线。具体过程为先将线路板CAD文件进行区域等级划分，并将低密度区域的导线图形文件生成相应的Gerber文件，而留出高密度区域的轮廓图形；后经标准光刻腐蚀工艺处理后，产生低密度区域所需的导线，并形成高密度区域的轮廓，低密度的导线与高密度区域的轮廓相连，作为后续激光刻蚀布线的基础。
实施例1-4为制作仅具有高密度区的线路板的实施例。实施例5-8为制作具有高、低密度区的线路板的实施例。实施例1本实施例采用覆铜板为基材制作线路板导线，根据线路板CAD文件中导线图形确定实际刻蚀导线轮廓所需的扫描轨迹。使数控系统精密控制工作台或者激光束的移动速度和轨迹，在高密度区内刻蚀出所需的导线轮廓。具体如下采用的NdYAG激光器波长为1064nm、脉宽为10ns、光斑直径为50μm的脉冲激光束在覆铜板上刻蚀所需的导线轮廓。激光刻蚀时，单脉冲能量、脉冲重复频率、激光扫描速度等参数对所刻蚀的导线质量影响很大。将能量为50μJ/脉冲，重复率为1000Hz的激光以扫描速率8mm/s按照一定的轨迹扫描覆铜板，可以获得均匀细密的导线，而且激光刻蚀边缘区域所产生的热影响区很小，线宽误差小于5％。本发明制作仅具有高密度区的线路板的其他实施例如表1所示。对表1所制作的导线测试相应的技术参数，详细见表2。可以看出，所制作导线的线宽、线间距等参数都比常规的光化学法和金刚石刀具刻蚀法的效果要好得多，而电阻率、导线均匀程度都很好，可以满足工业实用的要求。
表1 制作仅具有高密度区的线路板的实施例
表2 实施例中制备导线的性能指标
实施例5本实施例采用覆铜板为基材制作线路板导线。首先采用光绘制版的方法制作出低密度区导线和高密度区轮廓。具体如下将覆铜板表面用酒精清洗干净，根据线路板CAD图形中对导线宽度的要求，将相应的图形划分为高、低密度区域两个等级，将划分出的高密度区进行“铺铜”，并将处理后的CAD文件转换成光绘机标准格式Gerber文件及相应的D码，利用CAM系统制作出光绘底片，再将该底片进行显影、定影处理后，即可进行图形转移工艺，制作出所需的低密度区导线和与之相连的高密度区轮廓。
再利用NdYAG激光器产生的激光束，用数控系统控制工作台或者移动激光束，在覆铜板表面刻蚀出所需的导线轮廓。具体如下采用光斑直径为50μm、波长1064nm、脉宽10ns、单脉冲能量为60μJ/脉冲、重复率为1000Hz的脉冲NdYAG激光，以9mm/s的扫描速度对覆铜板上的高密度轮廓区域逐个扫描，利用相应的加工控制软件刻蚀所需的导线轮廓。轮廓刻蚀完毕后，各个轮廓区形成的细线与原来光绘+化学腐蚀的粗线形成一体化的线路板。扫描后激光束在刻蚀边缘处产生的热影响区较小，且导线宽度均匀，线宽误差小于5％。利用本发明制作的具有高、低密度区线路板的其他实施例及所制作导线的线宽、最小线间距等主要物理参数分别如表3、表4所示。
表3 制作具有高、低密度区的线路板的实施例
表4 实施例中制备导线的性能指标
实施例9本实施例采用蒸镀有银膜的陶瓷基材制作线路板的导线。根据线路板CAD文件中导线图形确定实际刻蚀导线轮廓所需的扫描轨迹。使数控系统精密控制工作台或者激光束的移动速度和轨迹，在高密度区内刻蚀出所需的导线轮廓。具体如下采用的NdYAG激光器波长为1064nm、脉宽为10ns、光斑直径为50μm的脉冲激光束在蒸镀有银膜的陶瓷基板上刻蚀所需的导线轮廓。激光刻蚀时，单脉冲能量、脉冲重复频率、激光扫描速度等参数对所刻蚀的导线质量影响很大。将能量为50μJ/脉冲，重复率为1000Hz的激光以扫描速率8mm/s按照一定的轨迹扫描镀银基板，可以获得均匀细密的导线，而且激光刻蚀边缘区域所产生的热影响区很小，线宽误差小于3％。所制作导线的线宽、线间距等参数都比常规的光化学法和金刚石刀具刻蚀法的效果要好得多，而电阻率、导线均匀程度都很好，可以满足工业实用的要求。
权利要求
1.一种激光刻蚀制作线路板的方法，其步骤为(1)对线路板导线的CAD图形进行取轮廓处理，确定刻蚀导线轮廓时所采用的扫描轨迹；(2)利用激光束按照预定的轨迹和工艺参数对所取轮廓区域的金属导电层进行扫描处理，扫描处的金属受热蒸发被光束刻蚀，形成导线的轮廓图形，即为所需的线路板导线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对于具有高、低密度导线区的大尺寸线路板，在进行步骤(1)、(2)之前，需进行以下2个步骤首先根据导线宽度对线路板CAD图形进行区域等级划分，将线宽小于预定值的区块划分为“高密度”区域，其余区块划分为“低密度”区域；再利用光绘制版方法制作出低密度区域内的导线，并将高密度区域轮廓制作出；线路板干燥后，再采用上述激光刻蚀布线的步骤，对高密度区进行激光刻蚀处理。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述预定值100μm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述激光束的功率密度为1.0-16.8×108W/cm2，扫描速度为2-15mm/s。
全文摘要
本发明公开了一种激光刻蚀制作线路板的方法，其步骤为①对线路板导线的CAD图形进行取轮廓处理，确定刻蚀导线轮廓时所采用的扫描轨迹；②利用激光束按照预定的轨迹和工艺参数对所取轮廓区域的金属导电层进行扫描处理，扫描处的金属受热蒸发被光束刻蚀，形成导线的轮廓图形。对于具有高、低密度导线区的大尺寸线路板，将线宽小于预定值(如100μm)的区块划分为“高密度”区域，采用激光刻蚀处理；其余区块利用光绘制版方法进行处理。本方法具有高速度、高效率、低成本的特点，能够满足线路板表面高精度、高密度布线的要求。
文档编号H05K3/06GK1457225SQ03128110
公开日2003年11月19日 申请日期2003年6月5日 优先权日2003年6月5日
发明者曾晓雁, 李祥友, 雷俊鹏 申请人:华中科技大学