专利名称：基于激光器可转换波长的蚀刻电路板加工系统的制作方法
相关申请本申请要求于1999年12月7日申请的、申请号为60/253,120的美国临时专利申请的优先权。
联邦发起的研究或研制不可申请在另一个例子中，专利号为5,847,960的美国专利，是一个多工具定位系统，这个系统已被转让给本申请的受让方，该申请描述一个多速率、多工具定位装置，该定位装置在ECBs中切割封闭的通孔。一半的工具是紫外(“UV”)激光器，该紫外激光器易于切割导电层和介电层，而另一半工具是IR激光器，该IR激光器仅易于切割介电层。UV激光器被控制来切割上导电层以及一部分下介电层，而IR激光器被控制用来切割剩余的介电层而没有切入或损坏第二下导电层。组合的激光加工步骤有一个用于在ECBs中切割封闭通孔的宽的加工窗口。
ECB的加工工作者皆知的是，UV激光器波长具有优越的聚合物材料加工性能，如一个宽的加工窗口，小的开槽尺寸以及规矩的孔。然而，因为UV激光器的有效UV功率受到限制，所以其加工生产率在许多应用场合是有限的。而且，使用两个激光器过于复杂而且成本高，一般需要单独的光学装置及较长的准直时间。
因为这些问题，一些现有工作者建议用可转换波长的单个激光器。尤其，专利号为5,361,268的美国专利，其主题为可转换的两波长频率转换激光器系统及其功率控制装置，该专利已被转让给本申请的受让方，它描述这样的一种激光器，其用于在半导体通孔切割，然而，对于ECB加工，它还是效率很低且UV输出功率不足。
因此，需要一种简单、高效、高效费比且高生产率的加工ECB通孔的方法。
本发明的另一目的是提供一种高生产率的ECB通孔成形装置及方法。
本发明的可转换波长的激光器是基于一类固态频率转换激光器源，在这种类型的激光器中，第四谐波UV激光能量通常用于加工而第二谐波“绿色”激光能量被排放(dump)而浪费。然而，本发明的最佳实施例使用通常被浪费的绿色激光能量来加工ECB铜层，因为绿光能量的功率比UV能量的功率高，这可以提高加工生产率。本发明使用一普克尔盒基的波长选择技术，这样既可以将绿光激光能量也可以将UV激光能量转换到加工件上以加工不同的材料。
因为铜能较多地吸收绿光能量，所以绿光激光能量加工铜通孔的质量被相信优于红外激光能量。UV能量的较高电介质加工质量的优点得以保留。本发明仅要求单轨激光器(single rail laser)源，因此，它具有简单、高效、高效费比、内准直的特点且有高的加工生产率。
附图的简要描述
图1是本发明的可转换波长激光器显微机械加工系统的简要方块图。
图2A到2C是用图1的可转换波长激光器对EBC的导电层和介质层进行加工的横截面图。
激光源12可以是，例如，一个1,064纳米(“nm”)NdYAG或NdYVO4激光器，或是一个1,053nm或者1,047nm的NdYLF激光器。激光源12的组成部件包括一个Q开关、产生第二谐波的NLC、以及谐振腔镜。激光源12最好是一个产生532nm绿色激光束15的1,064nm的NdYAG激光器，虽然波长小于355nm左右是适合的。本发明的NLC可以由BBO，LBO或CLBO晶体中的任何一个形成，或者由其它可适合的产生UV的NLC材料形成。
选择波长是使用插在激光源12和NLC14之间的普克尔盒16。普克尔盒16是由普克尔盒驱动器18驱动。当普克尔盒驱动器18没有加驱动电压到普克尔盒16上时，来自激光源12的绿色激光束15由NLC14转换为UV能量，该UV能量带有剩余绿色能量。UV能量偏振由NLC14相对于绿色激光束15旋转90度。塔式镜(tower mirror)20设计成将偏振与UV能量相同的入射激光束能量几乎100％反射。
因此，剩余的绿光能量通过塔式镜20传播进绿光堆放终端(dumptermination)22，而大部分的UV能量被反射到加工件24，如ECB，对其进行加工。被反射的UV能量这里是指UV光束26，该UV光束26的波长小于266nm。
当普克尔盒驱动器18施加预定电压到普克尔盒16上，绿色激光光束的偏振旋转90度。这防止NLC14产生任何UV能量，因为现在绿光能量偏振不适于频率转换。然而，绿光能量偏振适于由塔式镜20反射，因此，几乎所有的绿光能量被反射到加工件以对其进行加工。被反射的绿光能量在这里是指绿色光束28，该绿色光束28的波长小于532nm。
本发明的一个典型的应用是在加工件24中的加工多个孔，如在一层或多层、单面或双面的ECBs中切割通孔。多层ECBs一般是通过定位、堆积、层压以及压制多个0.05到0.08微米(0.002到0.003英寸)厚的电路板层而制作的。每层一般包括一个各种相互连接的焊接区及导线的图案，该层经过处理后形成一个复杂的电子元件安装及相互连接的组件。ECBs的部件及导体密度随着集成电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许误差也成比例地提高。
加工通孔对任何孔加工工具提出了一个极大的挑战，因为通孔加工一般涉及严格的深度、直径、以及定位容许误差等问题。这是因为加工通孔一般是通过第一导电层(如，铜、铝、金、镍、银、钯、锡和铅)，再通过一个或一个以上介电层(如聚酰亚胺、FR-4树脂、苯并环丁烯(benzocyclobutene)、双马来酸三吖嗪脂(bimaleimidetrazine)、氰酸盐脂基树脂、陶瓷)，然后到达但不通过第二导电层。所产生的通孔一般是镀以导电材料使第一导电层与第二导电层电连接。
一些应用要求切割相对较大直径的孔，大约200nm或小于200nm。因为UV激光光束能量一般仅有20微米左右的光束直径，所以UV能量会沿一个螺旋形或圆形路径钻孔。然而，绿光能量光束的直径较大，因此，它钻孔直径也就相对较大。
ECB厚度变化可以通过可转换波长的激光器10的精度为±0.13微米(±0.005英寸)的场深度来调节。
由可转换波长激光器10产生的UV光束26和绿光光束28是内准直的且适用于加工由不同材料形成的ECBs，如铜导电层和聚酰亚胺介电层。绿光光束28最适于加工铜层，而UV光束26最适于加工由聚酰亚胺或其它聚合物材料形成的介电层。通常，本发明提供的绿光能量比UV能量多。通过使用绿光光束28来加工铜，可以实现更高的生产率，而通过使用UV光束26来加工介电层材料，可以保持较好的加工质量。
图2A至2C显示一个典型多层ECB30，其具有由相应的第一、第二介电层38和40隔开第一、第二和第三导电层32、33和36。在这个典型例子中，在第一、第二介电层38和40被层压在一起之前，第一和第二导电层32和34被蚀刻预定图案。在这个例子中，第三导电层36是一个导电的平面“接地面”层。ECB30最好用如下的可转换波长的激光器10来加工，该可转换波长的激光器10在最初被转换成产生绿光光束28。
图2A显示打在第一导电层32上的绿光光束28。
图2B显示绿光光束28穿过第一导电层32加工孔42并打到第一介电层38上并对其部分地加工。在此处，可转换波长的激光器10从产生绿光光束28转换到产生UV光束26。
图2C显示UV光束26通过第一介电层38加工孔44并打到第二导电层34上。如上所述，UV光束26最好沿着一螺旋形或圆形路径在第一介电层38中加工孔44。因为UV光束26的功率相当低以及导电层的反射性，孔44自行终止在第二导电层34，产生一个宽的加工窗口。
图2C还显示了孔46和48分别延伸穿过第三导电层36和第二介电层40。孔40和48最好以与孔42和44相同的方式来加工，但是，需将ECB30翻转过来以便绿光光束28和UV光束26分别加工第三导电层36和第二介电层40。
技术人员应理解本发明的许多部分可以用不同于上面最佳实施例的所述的实施方案来实现。如，各种不同的激光器、谐波、波长以及功率级，可以被用来加工ECBs以及其它的显微机械加工应用中的各种材料结合物。激光源12一般要求有激光介质(弧光灯、激光二极管等)所用的光学泵浦源、该光学泵浦源所用的冷却系统及电子控制装置。最好采用激光二极管泵浦源。将红外激光源12的基础频率倍频(frequency doubling)产生第二谐波绿光能量，然后再倍频(四倍)产生第四谐波UV能量。可选的是，与红外和绿光能量混合(三倍)的频率产生第三谐波UV能量。
显然，对本领域的技术人员来说可对本发明的上述实施例的一些细节做许多其它的改变而不背离本发明的基本原则。因此，可以理解的是，本发明也可应用于基于激光器的机械加工而不是应用于蚀刻电路板的制作。因此，本发明的范围仅由下面的权利要求来确定。
权利要求
1.一种在蚀刻电路板(“ECB”)上加工孔的装置，该蚀刻电路板包括至少由一介电层隔开的第一和第二导电层，包括单轨激光激光器系统，该系统可选择地产生一个绿光波长的光束以及一UV波长的光束，绿光波长的光束穿过第一导电层和部分介电层来加工孔，UV波长光束穿过该介电层的其余部分而完成该孔的加工，且UV波长光束在第二导电层上终止加工。
2.如权利要求1所述的装置，其中，单轨激光激光器系统包括一个红外(“IR”)激光器和一个产生绿光波长光束的非线性倍频晶体。
3.如权利要求2所述的装置，其中，非线性晶体由BBO、LBO或CLBO晶体中任何一个来形成。
4.如权利要求1所述的装置，其中，单轨激光激光器系统还包括一个偏振转换元件，该元件在第一和第二偏振态之间转换绿光波长光束；一个非线性谐波产生晶体，当接收第一偏振态的绿光波长光束时，产生第二偏振态的UV波长光束而且传播剩余的第一偏振态的绿光波长光束，当接收第二偏振态的绿光波长光束时，传播第二偏振态的绿光波长光束；以及一偏振选择镜，反射第二偏振态的光束，以使UV和绿光波长光束被反射到ECB，而剩余的绿光波长光束穿过该偏振选择镜而离开ECB传播。
5.如权利要求4所述的装置，其中，非线性晶体由BBO、LBO或CLBO晶体中任何一个来形成。
6.如权利要求1所述的装置，其中，单轨激光激光器系统包括一NdYAG、NdYVO4或一NdYLF激光器。
7.如权利要求1所述的装置，其中，绿光波长光束的波长小于约532纳米。
8.如权利要求1所述的装置，其中，第一和第二导电层由铜、铝、金、镍、银、钯、锡和铅中至少一种来形成。
9.如权利要求1所述的装置，其中，介电层由聚酰亚胺、FR-4树脂、苯并环丁烯、双马来酸三吖嗪脂、氰酸盐脂基树脂或陶瓷中的至少一种来形成。
10.一种在蚀刻电路板(“ECB”)上加工孔的方法，该蚀刻电路板包括至少由一介电层隔开第一和第二导电层，所述方法包括提供单轨激光激光器系统，该系统可选择地产生一绿光波长的光束以及一UV波长的光束；转换该单轨激光激光器系统以产生绿光波长的光束；用绿光波长光束穿过第一导电层并在介电层的一部分上加工一孔；转换该单轨激光激光器系统以产生UV光束；用UV波长光束穿过该介电层的其余部分而加工该孔。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所提供的单轨激光激光器系统还包括提供一个偏振转换元件，该元件在第一和第二偏振态之间转换绿光波长光束；提供一个非线性谐波产生晶体，当接收第一偏振态的绿光波长光束时，产生第二偏振态的UV波长光束而且传播剩余的第一偏振态的绿光波长光束，当接收第二偏振态的绿光波长光束时，传播第二偏振态的绿光波长光束；以及提供一偏振选择镜，反射第二偏振态的光束，以使UV和绿光波长光束被反射到ECB，而剩余的绿光波长光束穿过该偏振选择镜而离开ECB传播。
12.如权利要求10所述的方法，包括沿螺旋形或环形路径偏转UV波长光束以在介电层残留部分加工该孔。
13.如权利要求10所述的方法，还包括在第二导电层上终止加工该孔。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述加工终止步骤是自行终止步骤，该自行终止步骤是由于加工第二导电层的UV波长光束功率水平不足而导致的。
15.如权利要求13所述方法，其中所述加工终止步骤是自行终止步骤，该自行终止步骤是由于UV波长光束反射离开第二导电层而导致的。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述加工终止步骤是自行终止步骤，该自行终止步骤是由于加工第二导电层的UV波长光束功率水平不足或者UV波长光束反射离开第二导电层中的至少一个而导致的。
全文摘要
本发明的可转换波长的激光器(10)是一种基于固态激光源(12)，在固态激光源(12)中，第四谐波UV激光光束(26)通常被用作加工，而第二皆波“绿光”激光光束(26)被沉积并被浪费。然而，本发明使用这个通常被浪费的绿光激光光束来加工ECB(30)导电层(32，36)，因为绿光能量的功率比UV能量的功率高，所以提高了加工生产率。一普克尔盒(16)实现激光光束偏振转换，该偏振转换将绿光光束或UV光束被导向ECB，以加工不同的材料。本发明仅要求单轨激光激光器源，因此，是一个简单、高效、效费比高、内准直且加工生产率高。
文档编号B23K26/00GK1413428SQ00817764
公开日2003年4月23日 申请日期2000年12月5日 优先权日1999年12月7日
发明者Y·孙, E·斯温森 申请人:电子科学工业公司