在PCB绝缘膜中使用GHz脉冲DUV技术进行皮秒级微孔钻孔：处理速度更快，锥度更优

《Optics & Laser Technology》：GHz-burst DUV picosecond microvia drilling in PCB insulating film: faster processing speed and improved taper

　　•将GHz突发模式应用于微孔钻孔。•研究了突发频率（1.9 GHz、2.5 GHz和3.8 GHz）和脉冲数（1个、2个、4个和8个）的影响。•发现使用8个脉冲时，加工速度和质量都有所提高。•通过SEM-BSE分析对孔进行了表征。

引言
激光冲击钻孔是用于在印刷电路板（PCB）上创建小型、高质量孔洞的最先进技术之一，特别是在高密度互连应用中[1]。这些孔在钻孔后经过电镀处理，对于连接多层铜以及确保PCB的功能至关重要。钻孔时应尽可能保证高质量，以避免在电镀过程中产生的缺陷（如空洞），从而延长PCB的使用寿命[2]。该工艺使用高功率激光束照射基底（能量密度约为几J/cm2），使基底迅速蒸发并精确烧蚀。当使用短飞秒脉冲或强非线性效应时，这种技术能够实现高长宽比的微孔钻取，同时对周围材料的热影响最小[3][4][5]。与传统机械钻孔相比，激光钻孔具有多种优势，包括能够钻孔更小的直径、降低机械应力，并能够制造出现代PCB设计中常见的复杂几何形状。对于环氧树脂[6]以及像ABF?（来自Ajinomoto Fine-Techno Co., Inc.的绝缘薄膜）这样的材料而言，这种技术尤其有益，因为精度和最小的热损伤至关重要。
ABF?是一种先进的半导体封装材料，在PCB生产中越来越受欢迎[7]。它是一种树脂（环氧聚合物），有时会填充微米级玻璃填料，与传统的FR-4（阻燃4）等材料相比，具有更好的电气性能、热稳定性和更低的吸湿性。FR-4是一种广泛使用的玻璃增强环氧层压材料，由于其良好的机械性能和成本效益，多年来一直是行业标准[8][9]。然而，随着电子设备变得越来越紧凑并需要更高的性能，像ABF?这样的材料由于能够支持更精细的特征和更高密度的互连而受到重视。特别是在过去20年里，得益于激光技术的进步，PCB绝缘材料的孔径已从大约100微米逐渐减小到几十微米[10]，最近甚至可以使用第四谐波（266纳米）减小到3微米[11]。尽管CO2激光仍然是激光钻孔的标准技术，但由于AI、机器人技术和自动驾驶汽车对更紧凑、更高效芯片的需求增加，市场正朝着更小孔径的方向发展。因此，皮秒DUV工艺有助于改善材料吸收、减少热影响区和减小衍射极限光斑尺寸，从而实现更精细、高质量的小孔[12][13]。然而，UV和DUV激光器的平均功率通常最多只有几十到几百瓦，因此其加工速度不如CO2激光器高效。
ABF?在需要高频性能和低介电损耗的应用中尤其具有优势，例如在移动设备、高速计算和先进通信领域[14]。

激光烧蚀机制主要依赖于激光能量与待去除材料之间的相互作用。这一过程涉及几个关键的物理现象，包括电子激发、电离和热传导（如果使用长脉冲，则在纳秒时间尺度上发生[15][16]。激光与物质的相互作用主要取决于材料特性和激光参数，如波长、脉冲持续时间和强度。不透明材料（如金属）的行为与绝缘膜或半导体等介电材料有很大不同。当激光束照射到表面时，会发生初始的非线性吸收过程，如多光子电离或雪崩电离。一旦有足够的电子脱离基态能量，材料会暂时变得不透明，从而实现高效吸收并导致温度急剧上升。这种激发会导致材料内部的原子电离，形成等离子体羽流。等离子体的形成至关重要，因为它通过热和非热过程共同促进了材料的高效去除。激光脉冲产生的高温会导致热传导，热量在材料中扩散，导致局部熔化和蒸发。在亚纳秒时间范围内（皮秒和飞秒），相互作用时间足够短，可以最大限度地减少热效应，从而实现精确的材料去除和最小的热影响区[17]。然而，对于DUV波长，光子能量可能足以超过带隙或断裂原子间的化学键[18]，因此非线性效应不那么关键。虽然应该根据激光脉冲持续时间和强度进行线性与非线性吸收的适当比较，以确定真正的效率提升，但DUV激光器无疑可以通过超短脉冲实现更小的光斑尺寸（在恒定数值孔径下），从而证明其优势。

尽管本研究专注于GHz突发模式在PCB加工中的应用，但超快激光材料相互作用的更广泛领域最近在时空光束调制方面取得了显著进展，以控制能量沉积。最近的研究探讨了各种能量传递方式，例如将连续波激光和飞秒激光耦合以提高烧蚀效率[19][20]，以及通过光场调制来增强抗反射窗口的制造[21]。同样，通过突发模式进行的时间整形（例如在透明材料和金属焊接中的应用[22]），为优化能量积累提供了独特途径，从而提高接头强度。
另一方面，文献中广泛研究了GHz突发模式[23]。在突发模式下，入射激光脉冲由多个脉冲组成（称为内脉冲），这些脉冲之间的时间间隔为几百皮秒到几纳秒（突发频率在GHz范围内），总突发能量等于每个内脉冲的能量之和，如图1所示。例如，Forsman等人在2007年证明，在激光钻孔期间使用双脉冲配置可以提高钻孔效率和平头锥度比，尽管当时仅限于50 MHz[24]。从那时起，MHz/GHz突发烧蚀模式在实验[25][26][27][28]以及通过模拟和模型[29][30]中得到了越来越多的研究，以理解其主要机制。例如，Park等人在铜材烧蚀后通过实验时间分辨的等离子体观察帮助理解了GHz突发机制[31]。
GHz突发模式对于介电材料的主要原理是依赖于首次脉冲的吸收增强效果。实际上，首次脉冲会在短时间内（通常为100皮秒）激发电子，如果第二次脉冲足够快（GHz范围），那么第二次脉冲的吸收会远高于第一次脉冲，从而提高整体烧蚀效率[32]。Sokolowski等人之前也对半导体展示了相同的现象[33]，即超短激光脉冲能够诱导材料性质转变为所谓的“金属液态”，从而显著增强光学吸收。
然而，值得注意的是，GHz突发模式还包含了MHz突发模式的积极效果，即纯热量积累效应：在MHz重复率下，热量扩散小于激光照射，使得后续脉冲可以通过积累逐渐将样品加热到烧蚀温度[34]。例如，Franz等人最近在绿色波长下使用皮秒脉冲对ABF?和FR-4进行了MHz模式的实验[9]。
据我们所知，尚未探索GHZ突发模式对使用第四谐波（266纳米）的ABF?的影响。在我们的研究中，我们使用了一个商用266纳米皮秒激光源，并连接到一个定制的工业激光加工机。先前有报道称，通过增加内脉冲的数量可以提高烧蚀速率（通过TTM（双向温度）模型的模拟得到了证实[35][36]，因此在本研究中，我们探索了2个、4个和8个内脉冲的突发模式。ABF?样品在3种突发频率（1.9 GHz、2.5 GHz和3.8 GHz）下进行了加工，使用了多种光束尺寸（从5微米到15微米）和不同的激光能量密度，最高达到1.5 J/cm2。我们使用数字显微镜和扫描电子显微镜（SEM）来测量GHz突发模式对质量和效率的影响。实验结果表明，在应用GHz突发模式时，加工质量和加工速度都有所提高。