(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層及び誘電層を含む電気回路基板に、レーザパルスを用いてブラインドビアを形成する方法であって、前記ブラインドビアは、前記誘電層に形成され、前記導電層の一部を露出されるものであり、
前記方法は、前記ビアの頂径及び底径を特定することを含み、前記ブラインドビアは、前記頂径と前記底径との間に深さを有し、前記底径の前記頂径に対する比率は、割合が前記ブラインドビアのテーパを定義するように表現され、前記ブラインドビアは、前記頂径、前記底径、前記深さ、及び前記テーパで規定される体積を有し、
前記方法はさらに、前記ビア頂径及び前記ビア底径に基づいて、前記レーザパルスのための一組のパルスパラメータを計算することを含み、前記ブラインドビアを形成することは、前記ブラインドビアの前記頂径を維持しながら、前記導電層上の誘電材料を除去するための上端ビア形成環境を含む第１のビア形成段階と、前記導電層に実質的な損失を生じさせずに前記ブラインドビアの底径を維持しながら、前記導電層おける及び前記導電層より上の残存誘電材料を除去するための下端ビア形成環境を含む第２のビア形成段階と、を含み、前記上端及び下端のビア形成環境は異なっており、前記頂径は、Ｄｔを頂径とし、Ｆをフルエンスとすると、
【数１】
0005587769.tif 000006
という数式によってフルエンスと関連付けられており、前記底径は、Ｄｂを底径とし、ｔをパルス幅とすると、
【数２】
0005587769.tif 000007
という数式によってフルエンス及びパルス幅と関連付けられており、前記レーザパルスは光学的能力及びレーザ能力を有するレーザシステムによって供与され、前記一組のパルスパラメータは前記レーザシステムの前記光学的能力及び前記レーザ能力の範囲内になるように選択され、前記一組のパルスパラメータはパルス幅とピークパワーを含み、前記パルス幅と前記ピークパワーは前記ブラインドビアを形成するのに費やす時間を最小にするように選択され、
前記方法はさらに、前記一組のパルスパラメータによって特徴付けられたレーザパルスを生成し、前記レーザパルスを発射し、前記ビア底部の前記導電層へ実質的な損傷を発生させずに、前記体積内の前記誘電層を除去して前記ブラインドビアを形成することを含み、前記一組のパルスパラメータは前記第１のビア形成段階及び前記第２のビア形成段階の両方に用いられる、方法。
【請求項２】
前記ビアのテーパの割合は、７５％以上である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ビア頂径及び底径は、２０μｍ〜５００μｍの間である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記レーザパルスのための前記パルスパラメータを計算することは、前記ビアを形成するために必要なパルス数を最小化するフルエンス及びパルス幅を決定するために、前記頂径及び底径を前記パルスパラメータの少なくとも１つに関連付ける式に対する解を求めることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記パルス幅は１ｎｓ〜１００ｎｓの間であり、前記フルエンスは１．０Ｊ／ｃｍ2〜１０．０Ｊ／ｃｍ2の間である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
さらに、前記誘電層の一部を除去して前記ビアを形成するために、前記計算されたパルスパラメータによって特徴づけられる前記１以上のレーザパルスを前記導電層上の同一箇所に発射することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
導電層及び誘電層を含む電気回路基板にブラインドビアを形成するシステムであって、前記ブラインドビアは、前記誘電層に形成され、前記導電層の一部を露出されるものであり、前記ブラインドビアは、その頂径と底径との間に深さを有し、前記底径の前記頂径に対する比率は、割合が前記ブラインドビアのテーパを定義するように表現され、前記ブラインドビアは、前記頂径、前記底径、前記深さ、及び前記テーパで規定される体積を有し、
前記システムは、
レーザビーム経路に沿って伝播し、一組のパルスパラメータで特定されるレーザパルスを生成するように動作するＱスイッチＣＯ２レーザと、
前記電気回路基板上に作用する前記レーザパルスを発射するように動作するレーザビーム光学系と、を有し、
前記ブラインドビアを形成することは、前記ブラインドビアの前記頂径を維持しながら、前記導電層上の誘電材料を除去するための上端ビア形成環境を含む第1のビア形成段階と、前記導電層に実質的な損失を生じさせずに前記ブラインドビアの底径を維持しながら、前記導電層おける及び前記導電層より上の残存誘電材料を除去するための下端ビア形成環境を含む第２のビア形成段階と、を含み、前記上端及び下端のビア形成環境は異なっており、前記頂径は、Ｄｔを頂径とし、Ｆをフルエンスとすると、
【数３】
0005587769.tif 000008
という数式によってフルエンスと関連付けられており、前記底径は、Ｄｂを底径とし、ｔをパルス幅とすると、
【数４】
0005587769.tif 000009
という数式によってフルエンス及びパルス幅と関連付けられており、前記一組のパルスパラメータは前記ＱスイッチＣＯ２レーザの能力及び前記レーザビーム光学系の能力の範囲内になるように選択され、前記一組のパルスパラメータはパルス幅とピークパワーを含み、前記パルス幅と前記ピークパワーは前記ブラインドビアを形成するのに費やす時間を最小にするように選択され
前記システムは、さらに、前記ブラインドビア形成のための頂径及び底径に基づいて、前記第１及び第２のビア形成段階の両方に対して動作可能な前記一組のパルスパラメータを計算し、前記一組のパルスパラメータによって特徴づけられるレーザパルスを生成するために前記ＱスイッチＣＯ２レーザを発射し、前記ブラインドビアの底部の導電層へ実質的な損傷を発生させずに、前記体積内の前記誘電層を除去し、前記ブラインドビアを形成するように動作する制御部と、を備えるシステム。
【請求項８】
前記ビアのテーパの範囲は、−１から１の範囲である、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記ビア頂径及び底径は、２０μｍ〜５００μｍの間である、請求項７記載のシステム。
【請求項１０】
前記レーザパルスのための前記パルスパラメータを計算することは、前記ビアを形成するために必要なパルス数を最小化するフルエンス及びパルス幅を決定するために、前記頂径及び底径を前記パルスパラメータの少なくとも１つに関連付ける式に対する解を求めることを含む、請求項７記載のシステム。
【請求項１１】
前記パルス幅は１ｎｓ〜１００ｎｓの間であり、前記フルエンスは１．０Ｊ／ｃｍ2〜１０．０Ｊ／ｃｍ2の間である、請求項７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、加工対象物へのレーザ加工に関し、特に、層間電気接触を可能としたビアを形成する目的で、多層電気回路基板におけるレーザ掘削孔についての方法及び装置に関する。特に、本開示は、加工対象物において、選定可能なテーパ形状を有するレーザ掘削孔に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、コンピュータ、携帯電話、その他の家庭用電化製品のような装置を含む、ほぼすべての工業電化製品は、回路基板に電子部品を取り付けて組み立てられる。電子部品は、集積回路、受動素子、ディスプレイ、及びコネクタを含む。回路基板は、電子部品を所定位置に維持し、所望の機械的、熱的、及び電気的特性を有する部品間を電気接触させる。回路基板は、一般的に、電子部品と共同で電気的機能を果たす電気的導電素子と結合した電気的非導電層を含む。非導電層を形成する物質は、シリコンやサファイアのような結晶物質、非結晶シリコンやガラスのような非晶質物質、酸化アルミニウムのような焼結セラミック物質、ＦＲ−４、ポリイミド、ＡＢＦのような有機物質、又はこれらの組合せを含む。導体は、回路基板上又は内部に形成され、多結晶シリコン、アルミニウム、又は銅のような導電材料をフォトリソグラフィにより堆積させる過程、スクリーン印刷又はインクジェット技術を用いて導電インクを堆積させる過程、回路基板上又は内部の導電層を積層させる過程および／または形成させる過程を含む。
【０００３】
これらの過程には、共通して、電気的非伝導物質の層によって分離されうる電気伝導を相互接続させる必要がある。電気回路基板は、一般的に、平面状に並べられた導電層及び非導電層により構成される。図１は、電気的導電層又は無機層１０、１２及び１４により構成された多層回路基板の配置図を示したものであり、電気的非伝導層又は有機層２０により分離され、１つ以上の補強層２４を包含する。
【０００４】
レーザビア掘削システムの性能は、スループットを含むいくつかの基準、精度、及びビア品質によって、評価される。ビア品質を決定する要因は、位置、形、破片、及びテーパ形状を含む。テーパ形状とは、ビア側壁の形、及び角度を指している。側壁テーパ形状が重要である理由は、以下の掘削で述べるように、ビアは、一般的に、多層回路基板の電気的導電層へ、銅のような電気的伝導物質によって被覆されるからである。高テーパ形状は、壁が比較的平行であり、高品質及び高耐久性の被覆を可能とする。
【０００５】
特定テーパ形状を有する高品質ビアの掘削がとても望ましいのは、ビア底部にある導体と、頂部にある導体との間で、良好な電気的及び機械的接触が得やすいからである。さらに、破片又は有機的“汚れ”の残存が全く存在しないざらざらした表面を提供することによって、底部導体と被覆との間で良好な電気接触を可能とし、さらにはビア品質を改善する。同時に、システムスループットをできるだけ高く維持することにも意義があるので、ビア掘削の時間はできるだけかけるべきでない。レーザの最大繰り返し数が与えられれば、たいていは、極力少ないパルス数でビアを掘削することになり、所望のテーパ形状及び品質と整合する。そして、最終的には、適当なコスト及び複雑さで、上記を達成するシステム及び方法を実現することに意義がある。
【０００６】
日立ビアメカニクスに譲渡された、荒井らの米国特許番号6,479,788によれば、ビアが掘削されるように実質的に方形波のパルス幅を変化させ、この課題を解決しようと試みた。この方法に関する問題点は、非常に高速でレーザパルスの高精度制御を要することである。今日のレーザは一秒当たり３００００パルスを上回るため、このシステムは、非常に高電力かつ非常に多くのパルス繰り返し数でナノセカンド分解を可能とするパルス変調能力のある制御及び光学を必要とし、システム信頼性を減少させ、コストを増大させるおそれがある。よって、各パルスの精巧な実時間制御を要さずに、所望のテーパ形状、品質、及びスループットを達成することが望ましい。
【０００７】
電子アセンブリにおいては、満足できるシステムスループット、精度、及び全般的な品質を維持しつつ、高テーパ形状を有するビアを形成することができるレーザ掘削ビア装置が引き続き必要となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
よって、本開示の目的は、電子回路基板を備える加工対象物において、高テーパ形状ビアをマイクロ機械加工できる性能を改良した、レーザ加工システム形式の方法及び装置を提供することである。
【０００９】
一実施形態では、ビアテーパ及び品質は、所望結果を得るためのレーザパルスパラメータを調整することで制御される。ブラインドビアが、回路基板内の非有機層にまで及ぶように有機物質を通過して掘削される場合、ビア掘削は、二つの段階に分けられる。第一段階では、所望のビア頂径を維持しながら、極力少ないパルス数で有機物質がビアから除去される。第二段階では、ビア底部で無機導体への損傷を起こさずに所望の底径を維持しつつ、ビア底部に残った有機物質を除去する。目的は、この過程の第一及び第二段階両方に関する掘削に効力を及ぼすレーザパルスパラメータの一組を決定することであり、それによって掘削過程でのより高い効率を達成する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記効力を達成するために調整され得るレーザパルスパラメータは、パルスフルエンス、パルス持続時間、パルス繰り返し数、パルス数、パルススポット径、パルス時間波形、パルス空間分布、及び波長を含む。目的は、単一ビアを掘削するための両段階に用いられ得る一組のレーザパルスパラメータを選定する方法及び装置を提供することである。一組のパラメータを用いることで、システムの制御概念は単純化され得る。なぜなら、掘削中にその場でパラメータを変化させる必要は無いからである。また、掘削効率も向上する可能性があり、パラメータがレーザのパルス間隔よりも時間がかかる場合は、加工対象物を機械加工していたときよりもむしろいくつかのパルスを廃棄する必要があるだろう。
【００１１】
側壁の角度は、ビア品質の重要な決定要因である。所望の直線的トポロジーを有する側壁を仮定すれば、側壁角度又はテーパ形状は孔の底径と孔の頂径との比として測定され、パーセンテージで表現される。図２は、約７５％のテーパ形状を有するビア３０を示したものであり、ビア３０の底部で露出した導体は、おおよそビア頂径の７５％の半径を有する。図２はめっき３６を有するビアを示し、めっき３６は導体１０と導体１２とを電気接触する。テーパ形状が重要な理由の１つとして、低テーパ形状では、めっきされたビアが熱応力の影響をより受けやすいことが挙げられる。熱応力は、使用される多様な物質間で熱膨張係数の差によって発生する。低テーパ形状を有するビアでは、高テーパ形状を有するビアよりも、より多くの割合でめっきのひび割れ及び層間剥離が見られる。側壁は、直線的であるべきであり、孔の底部が頂部よりも大きな半径を有するようなテーパ形状として表れるべきでない。ブラインドビア品質の他の決定要因は、側壁が底部の導体と接触する孔の底部における、有機物質の“最下部(foot)”の存在であり、最下部は不存在が好ましい。最下部の不存在が重要である理由は、めっき品質の決定要因の一つが、ビア底部のめっきされた導体領域に関係するからである。
【００１２】
ビア掘削は、所定パルスパラメータを持つ１以上のレーザパルスを、回路基板上の実質的に同じ位置へ発射させ、回路基板の表面に照射することで達成され得る。レーザパルスの半径は、掘削するべきビア径とほぼ等しい。１以上の各パルスは、所望の層に及ぶまで、孔から物質を除去する。現時点で、もしビア底部で存在する有機物質を除去すべきと判断すると、一組の同じ所定パルスパラメータを持つ１以上のレーザパルスは、孔の所望の底径を維持しつつ、ビア底部から残存する有機物質を除去するため、同じ位置へ発射される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、多層加工対象物の断面図である。
【図２】図２は、図１の加工対象物において、めっきされたビアを示す配置図である。
【図３】図３は、ガウス時間分布を用いたＣＯ２レーザパルスのグラフである。
【図４】図４は、ビア掘削中の物質除去を示すグラフである。
【図５】図５は、ガウス空間分布を用いたパルスに関するレーザパルスエネルギーとビア頂径との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、“シルクハット”空間分布を用いたパルスに関するレーザパルスエネルギーとビア頂径との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、レーザパルスエネルギーとビア底径との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、ここで説明された方法に従って、掘削されたビアを示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ＣＯ２加工レーザは、９μｍから１１μｍの間の波長で駆動するパルスＣＯ２レーザが好ましい。市販で入手可能な一般的パルスＣＯ２レーザは、コネチカット州在所のＢｌｏｏｍｆｉｅｌｄ社のコヒーレントＤＥＯＳにより生産されたモデルＱ６００Ｑスイッチレーザ（９．３μｍ）である。ＣＯ２レーザは、金属層１２及び１４を貫通する効率的なビア掘削ができないため、ＣＯ２加工レーザで掘削する多層加工対象物１０は、金属層１２及び１４が無いものを用いるか、又はＵＶレーザでの事前掘削もしくは化学エッチングなどの他過程での事前エッチングが行われた、誘電層２０が露出した対象位置を用意する。
【００１５】
図３の実験結果は実質的なガウス分布パルスが“尾”によって変化することを示し、尾はレーザ空洞からのエネルギー漏れをレーザ活動の減衰として表しているが、ＣＯ２Ｑスイッチレーザは一般的にガウス分布で描写される時間的外形を示す。本発明者らによる分析によれば、このパルス波形は、多層物質における高テーパ形状ビアを効率的に掘削する可能性があるということを意味する。ガウス時間分布は、ガウス空間分布と区別され、レーザパルス断面の関数である。ここで言うレーザパルスとは、ガウス時間分布及びガウス空間分布の両方を有する。異波長で駆動する他の固体レーザ（lasant）又はＣＯ２レーザは、開示のレーザ装置で用いることができるだろう。多様なタイプのレーザ空洞調整として、固体レーザの高周波発生装置、固体レーザ及びＣＯ２レーザのためのＱスイッチ駆動、ポンプ配置、及びＣＯ２レーザのためのパルス発生方法もまた考え得る。非Ｑスイッチレーザが用いられる場合については、追加的なパルス波形光学により、長パルスから短パルスに亘るもの、連続波（ＣＷ）モードにて駆動するレーザを含むものまでを形成することができる。
【００１６】
図４は、ビア掘削過程中の物質除去のグラフを示したものである。Ｘ軸は除去深さを示し、Ｙ軸はパルス数を示す。図４に示されるように、パルス０からＮ０は、ビアからバルク物質を除去し、パルスＮ０で下層無機導体に到達する。そして、任意のδＮパルスは、ビア底部から残存する有機物質を取り除くために用いられる。Ｎ０は、フルエンス及び波長のようなパルスパラメータ、及び除去すべき物質の量に依存し、一般的に、１から数十又は数百パルスに亘り得る。
【００１７】
有機ポリマーとのＣＯ２レーザー相互作用については、気化点に到達する前でも発生し得る、レーザが誘発する熱劣化を経て大部分の物質除去が実現される。いくつかの気化は、相転移（固体−ガラス状態−液体−気体）を経て発生させることができる。ＣＯ２レーザ照射であるので、ポリマーの吸収深さは約１０μｍである。これは、レーザビームがポリマー内部へかなりの深さまで貫通でき、表面加熱だけでなく体積加熱を発生させることを示す。
【００１８】
現在の掘削実行は、単一レーザパルスが、銅パッド上の厚さ約３５μｍのＡＢＦ樹脂の層全体を爆発的に除去できることを示している。しかしながら、良好なビア形を得るには、短パルス群によってバルク樹脂物質を除去することが好ましく、爆発的よりもむしろ穏やかに物質の合計深さのうち一部のみを除去する各パルスを用いて、体積加熱過程をより良好に制御するのがよい。
【００１９】
一次近似をするにあたり、ＣＯ２レーザパルスについて、熱分解を経てポリマーを除去するための１パルスあたりの除去深さ（アブレーション深さχ）は、
【数１】
0005587769.tif 000002
で表される。ここで、ｋ０及びｋ１は物質定数に関する係数であり、Ｆはフルエンスであり、Iはピーク電力強度である。あるピーク電力強度Iを与えると、１パルスあたりの除去深さ（アブレーション深さχ）は、フルエンスＦによって制御される。フルエンスは、ピーク電力強度Iとパルス幅τとの積によって、近似できる。
【数２】
0005587769.tif 000003
【００２０】
フルエンスは、ビア頂径の重要な決定要因である。フルエンスが増加すると、物質除去は、より爆発的及び制御困難となり、とりわけガウス時間パルスにとっては顕著となる。図５は、ガウス空間ビーム分布を用いたレーザパルスのフルエンス空間分布の断面図を示している。ある物質について、孔径は、１パルスあたりのフルエンスに関係する。本発明者らによる実験結果は、あるスポット径を与えると、フルエンス値の小範囲が表れ、所望のビア頂径が得られることを示す。これは図５に示され、Ｄ１及びＤ２は、２つの異なるパルスフルエンスを用いて掘削されたビア頂径である。図に示すように、フルエンスＦ１については、パルスエネルギーが径Ｄ１の誘電体除去しきい値を超え、フルエンスＦ２を有するパルスは、径Ｄ２の誘電体除去しきい値を超え、それによってその頂径を有する孔を掘削する。
【００２１】
この原理は、ガウス分布以外のビーム空間分布に適用される。“シルクハット”分布を有するレーザパルスは、ダンスキーらによる米国特許番号6,433,301及び6,791,060に説明されるように、ビア掘削に用いられる。これらは、参照によって本開示内容とする。図６は、シルクハット空間分布を有するパルスの断面図を示したものである。図６に示されるように、シルクハット空間分布を有するレーザパルスは、フルエンス、除去、及びビア頂径との間で関係を有することを表し、ガウス空間分布の関係と類似する。
【００２２】
ビア掘削についての他の原理は、ビア底部の径及び品質に関係するものである。ビア頂径とは対照的に、底径は、単なるフルエンスの関数ではない。掘削を複雑化するものは、ビア底を形成する非有機層の存在である。この非有機層は、一般的に銅で構成されるが、他の導電物質をも含み得る。この層は、いくつかの方法でビア掘削過程を変更させる。第一に、非有機層は、有機物質のようにレーザエネルギーを吸収するよりもむしろ反射する傾向がある。この反射されたエネルギーは、有機層の無用な浸食を生じさせ、つまり有機層を切り下げ、テーパ形状の欠陥、つまり好ましくない結果を発生させる。有機導体も、また、吸熱の役割をし、掘削しているビアから放熱を誘発する。このビア底部の冷却は、底部で気化した有機物質を再堆積させることを促し、それによって、後過程のめっきが、底部において導電物質と完全に電気接触することを防止する。また、非有機層は、ビア掘削に用いるレーザパルスによって部分的に溶解し得、ビア底部をなめらかに、ガラス状の外観にするので、一般的な結節性又は荒い外観とは対照的となる。このなめらかさは、後過程のめっきにおいて、ビア底部への付着を困難にし、良好な電気接触を防止する。すべてのこれら影響は、底径に、直接的又は間接的に関係する。
【００２３】
そして、悪影響を発生させずに径の補正を達成するには、レーザパルスが所望のビア底部に到達するとき、電力の補正量を適合させることが重要である。本発明者らの分析によれば、ビア底径は以下の式の関数として表される。
【数３】
0005587769.tif 000004
ここで、Ｄｂは、ビア底径であって、フルエンスＦに比例し、パルス幅τの平方根で割られる。図７は、ビア底径と、ビア底部への損傷と、パルス幅の平方根で割られるフルエンスとの間の関係を示したものである。図７に示されるように、フルエンスとパルス幅は、パッド又はビア底部への損傷を回避しながら、所望の底径を得ることができるように調整しなければならない。
【００２４】
ビア底部への損傷を回避しながら、所望の頂径及び底径を有するビアを掘削するレーザの課題を解決するには、式（１）及び（３）を、以下の付加制約と共に同時に解くことで到達できる。
【数４】
0005587769.tif 000005
ここで、Ｄｂ及びＤｔは所望の底径及び頂径であり、Ｔはテーパ形状であって、−１から１の間の割合で表される。フルエンスは、パルス幅及びピーク電力強度の両方の関数であるので、上式の解は１より多く存在する。実際は、この問題を解決することができる、パルス幅及びピーク電力強度の範囲が存在する。この解空間内で、掘削時間を最小化し得る特定のパルス幅及びピーク電力、つまり、ビア掘削に要するパルス数を最小化し得る特定のパルス幅及びピーク電力が選定できる。しかも、この特定のパルス幅及びピーク電力は、レーザ及び光学の選定可能性と両立する。
【００２５】
図８は、上記方法によって計算されたレーザパルスを用いて多層回路基板を掘削したビアを示したものである。回路基板有機物質は、ＡＢＦ  ＧＸ３（日本国東京都在所の味の素株式会社）であり、ビア底部には銅非有機パッドが備えられている。掘削ビアは、５３μｍの頂径及び８０％のテーパ形状を有する。ビアは、３０ＫＨｚのパルス繰り返し数で駆動された、上述のＣＷ  Ｑスイッチ２．４Ｗピーク電力強度ＣＯ２レーザモデルＱ６００により掘削された。図示のビア掘削には、５つのパルスを必要とした。図８に示されるように、ビアには破片が存在せず、ビア底部は溶解もなければ損傷もないざらざらした状態を表している。
【００２６】
当技術分野における当業者が、この基本原理から離れずに、本発明の上述した実施形態の詳細を多様に変形できることは明らかである。従って、本発明の範囲は、以下の請求項によってのみ決定されるべきである。
【図１】
0005587769.tif 000010
【図２】
0005587769.tif 000011
【図３】
0005587769.tif 000012
【図４】
0005587769.tif 000013
【図５】
0005587769.tif 000014
【図６】
0005587769.tif 000015
【図７】
0005587769.tif 000016
【図８】
0005587769.tif 000017