专利名称：激光钻孔,尤其是采用孔板的激光钻孔方法
技术领域：
本发明是关于电路基片激光钻孔的一种方法，其中最好通过一个接近孔板表面的激光束，对准预定的基片段，以便用预先规定的孔径钻孔。
在用作电路载体的印刷电路板和可比较的基片中钻孔时，尤其是钻盲孔时，应用孔板是早已公知的技术(US 4,644,130A)。在一般情况下金属孔板有间隙，这些间隙通过其位形既预先规定了位置也预先规定了要钻的孔的大小(作为所谓的Conformal Mask)。构成掩模的金属层此时作为所谓的接近掩膜(Proximity Mask)，直接与基片的表面连接，或以微小的距离安置在表面。
在US 5,585,019A中，说明了在应用一种装置的情况下的激光加工方法，在该装置的情况下，通过激光束的光学形状，确保激光束总是以相同的角度出现在基片上，无须将基片自己移动。在用孔板对印刷电路板钻孔时，将激光器，通常是一个二氧化碳激光器或一个有可比较性能的激光器，总是在相同位置经过孔板脉冲地发光(所谓的穿孔)。为了在整个孔的截面有一个尽可能均匀的材料剥落，力求使激光束跨越整个孔的直径有个尽可能均匀的能量分布，而希望在孔的半径之外能量损失尽可能的小。为了达到最佳效果，能量分布因此要尽可能有带陡峭边沿(top hat)的矩形分布图。但是，这类激光束的成形非常昂贵。迄今，不是用专门的光学镜组(例如衍射镜组)就是用光圈在光程成像的系统中去实现。生产这样的光学镜组非常昂贵，而用光圈损失一大部分激光功率，往往是50％以上的激光功率。此外，通过在这种情况需要的带有固定成像比例的成像，光程就很长，它要求在偏转装置中有个很大的偏转镜。
本发明的目标是，给出一种主要是在应用孔板的情况下钻孔的方法，此时要能放弃专门的镜组和光圈，同时达到在激光功率损失尽可能小的情况下孔中材料剥落均匀的目的。
按照本发明，这个目标用一个本文开篇处所列举的方法实现，即将激光束在要钻孔的范围中在一个环行轨道上移动，其中心点与相应孔的给定位置同心，其直径小于或等于孔的直径，以及测量激光束光斑的直径尺寸，使它在激光束作圆周运动时永远覆盖着孔的中心。
对于本发明的方法，将激光束以一个所谓摆动运动引到孔内的一个圆周上，使它在每个旋转时至少要涂刷孔的整个截面面积，使光束中心用光斑最大的能量密度在中心或中心的给定位置与边缘之间的范围内旋转，这样就使有效的能量分布接近所希望的矩形形状。
根据按照本发明达到的能量分布，基本上也有可能不用孔板也钻出带有足够边缘轮廓的孔，尤其是在有机的或电介质层中。然而，本发明的最好采用在借助于接近表面的孔板钻孔时，采用一个(多层-)印刷电路板上面的金属化层作为孔板，孔板中的孔同样能用激光钻孔产生。在应用一个孔板的情况下，本发明的解决办法在于，将激光束在孔板中相应孔的范围内在一个环行轨道上移动，环行轨道中心点与相应孔的给定位置同心，其直径小于或等于孔的直径，致使激光束光斑的直径在激光束作圆周运动时总是覆盖着掩模中孔的中心，即使在孔板最大允许的位置偏移时也是如此。
为了使能量分布在激光束各个旋转时尽可能均匀地跨越环绕分布，最好引导激光束使它永远进行整圈的旋转。因此，调整激光器的脉冲能量，使为钻孔所需要的全部能量分配在激光束的整圈环绕。
为本发明的方法，主要应用具有高脉冲频率的二氧化碳激光器，具有20kHz至高于100kHz的重复频率，致使与常规方法相比没有时间损失。通过小于500纳秒数量级，典型的是≤150纳秒的小脉冲宽度，激光器在这个高的重复频率时仍有一个足够的脉冲功率。
本发明在下面用实施例和图详细说明。其中
图1为实施本发明方法的激光器和带孔板基片的示意布置；图2带有孔板的基片和激光束剖面示意图；图3孔板的一个孔的顶视图，大致示出一些要击中光斑直径的激光脉冲；图4与图3一致的示意图，此时与其给定位置相比孔板有个位置公差，和图5通过模拟各个光束示出通过本发明可达到的能量分布示意图。
在图1中，基本上示出的是一个激光器的布置如何借助于孔板进行钻孔。激光源1发射一个脉冲激光束2，它在一个电流计上用两个围绕不同的轴可旋转的镜面3和4偏转，然后经过一个成像系统聚焦，在本例子中是一个远中心的镜头(telezentrische Linse)5，使激光束2以预先规定的光斑宽度打在基片或印刷电路板6上。印刷电路板有一个位于金属层8与9之间的电介质层7。此时，上面的金属层8用作为孔板；它为此目的设置有一些孔10，这些孔事先以公知的方式，例如也通过激光钻孔或通过腐蚀产生。也能采用薄膜或相同的形式的一个松动放置的孔板代替与电介质层7固定连接的金属层8。通过用非常快速的电流计3a或4a控制镜面3或4，分别将激光束2引导到一个孔10，以便在电介质层7中产生一个相同直径的孔。最好以这种方式，钻到下面的金属层9为止的盲孔。
因为激光束在整个光斑直径范围能量分布不均匀，按照本发明将激光束在相应孔10的范围内“摆动”。就是说，将脉动激光束很快地在一个圆周上移动，其中心点M与孔的中心轴11在其给定位置重合，此时圆周的半径R1在所述情况下小于孔10的半径R2。光斑直径DS一般与孔板的孔直径DM(＝2×R2)在一个数量级，它也能比孔直径大或小约10-20％。在孔直径为200μm时，光斑直径例如在180μm和220μm之间，在较小的孔直径的情况下，光斑直径宁可在这个范围的下限(180μm)或者还要低。选择用于激光束“摆动”(Circle-Punching)的圆周直径，使得产生一个尽可能是矩形的能量分布(top hat)，它对于相应的孔板是最佳的。孔板的位置公差也能通过变化圆周直径来补偿。一般总是用激光束走过一个整圆，就是说，希望孔深所必需的脉冲数量和圆周直径R1，决定在环行轨道上从一个脉冲到下一个脉冲的距离。
图3示出的是在一个孔板的孔的上面不同激光脉冲重叠的一个例子，而且正好是孔板具有其给定位置的情况。孔板的孔用中心ML和半径R2表示；在该例中它的直径是120μm，即半径R2＝60μm。光斑直径为180μm的激光束，即一个半径R3＝90μm，在半径R1＝25μm的一个圆周上移动。在图3中示出的只是四个互相重叠的激光脉冲的位置。脉冲的实际数量取决于为了在基片中钻整个的孔需要多少能量。
图4示出的是第二个例子，其中相对于图3有一定变化，与给定位置的中心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。摆动圆周的半径R1、孔板孔的半径R2和激光光斑的半径R3有与图3中一样的尺寸。即使在这种情况，尽管有孔板的偏差，钻孔时也能达到相当均匀的能量分布。
图5示出的是对如何用本发明的方法达到一个能量分布的模拟。此时示出的是十一个单个的、光斑直径为200μm的光束，将这些光束在一个直径为150μm的双圆上移动。在这种情况，图形剖面为600μm×600μm。
在本发明的方法时，通过快速控制Galvo镜和一个具有高脉冲频率品质调制的二氧化碳激光器的组合，能达到有效激光能量的一个很好的、接近于矩形的能量分布，此时能应用相对小的偏转镜。因此能实现一个高的通过量；同时也抵消了位置公差。
激光束的旋转速度取决于孔的直径、脉冲频率和相应所需要的脉冲数量。就这样，例如在一种RCC(涂有树脂的铜Resin Coated Copper)的电介质中，用制造商COHERENT的一个GEM-100-激光器，钻了约150μm的孔。在这种情况，激光束用100kHz的重复频率以一个摆动-直径为100μm引入。结果是，为了钻孔每次要求10个脉冲，由此产生激光束的旋转速度为3m/s。
为了在FR4中钻出相同的孔，要求在60kHz时40个脉冲，由此得出激光束的旋转速度为470mm/s。
权利要求
1.电路基片(6)激光钻孔的方法，其中将激光束(2)对准要钻孔的基片段，其特征在于-将激光束(2)在要钻孔(10)的范围内在一个环行轨道上移动，环行轨道中心(M)与要钻孔(10)的给定位置(11)同心，其直径(DS)小于或等于孔的直径(DM)，和-激光束光斑的直径(DS)在激光束(2)作圆周运动时总是覆盖着孔的中心(ML)。
2.如权利要求1的方法，其中将穿过接近表面的孔板(8)的激光束用预先规定的孔的直径(DM)对准要钻孔的基片段，其特征在于将激光束(2)在孔板(8)内相应孔(10)的范围内在一个环行轨道上移动，环行轨道中心(M)与相应的要钻孔(10)的给定位置(11)同心，其直径(DS)小于或等于孔的直径(DM)，和激光束光斑的直径(DS)在激光束(2)作圆周运动时总是覆盖着孔板(8)中孔的中心(ML)，即使在孔板的最大允许位置偏差的情况下也是如此。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于所述圆周的直径(2×R1)最小等于孔的直径(2×R2)的八分之一，最大等于孔的直径。
4.如权利要求3的方法，其特征在于所述圆周的直径(2×R1)为孔的直径(2×R2)的四分之一与二分之一之间。
5.如权利要求1至4之一的方法，其特征在于激光束光斑的直径(DS)大于或小于孔的直径(DM)大约至20％，最好大约为10％。
6.如权利要求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)产生。
7.如权利要求6的方法，其特征在于激光器的重复频率至少为20kHz，最好大约为100kHz±10％。
8.如权利要求1至7之一的方法，其特征在于采用脉冲宽度＜500纳秒的激光器，最好采用脉冲宽度≤150纳秒的激光器。
9.如权利要求2至8之一的方法，其特征在于孔板(8)通过牢固粘贴在印刷电路板(6)表面的金属层构成。
10.如权利要求2至8之一的方法，其特征在于孔板是通过松动布置在印刷电路板上的金属薄膜构成。
全文摘要
按照本发明的方法，借助于一个孔板(8)在一个电路基片(6)进行激光钻孔，将激光束(2)在孔板(10)范围在一个环行轨道上移动，环行轨道中心与孔板(8)中当时孔的给定位置同心，其直径(2XR1)小于孔的直径(DM)。此时，要将激光束光斑的直径(DS)选择的，使它在圆周运动时永远覆盖着孔板(8)的中心。这样，在孔板(8)范围使激光源的能量分布达到尽可能的均匀。
文档编号H05K3/00GK1555666SQ02818039
公开日2004年12月15日 申请日期2002年9月4日 优先权日2001年9月13日
发明者H·德施托伊尔, O·梅尔滕, M·维纳, E·罗兰茨, 潘伟, C·奥弗曼, H·J·迈尔, H 德施托伊尔, ヂ , 即, 迈尔 申请人:西门子公司