(57)【要約】  改善した主表面の品質を持つスルーホール（１４）をターゲット材料（８）に形成する異径ホール穿孔方法は、スルーホールの所望の直径より小さい直径を持つパイロットホール（１０）を穿孔し、次いで、所望の直径を持つスルーホールを穿孔することを含む。パイロットホールはレーザー穿孔の間に生成される熱エネルギーが周囲に拡散できるチャネルを形成し、それによって周囲のターゲット材料基質に拡散する熱エネルギーの量およびそのターゲット材料基質の熱影響ゾーンへの熱ダメージの程度を軽減する。また、パイロットホールはアブレーションされたターゲット材料を除去できるチャネルを形成し、全体的なスルーホールのスループットを増加させる。パイロットホールの形成により、スルーホールの残部を形成するのに要求される熱エネルギーを低減し、結果として周囲のターゲット材料基質へのダメージを少なくする。【選択図】      図１ｂ
2007532319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改善された壁面一様性と所定の直径とを持つスルーホールを厚さを持つターゲット材料に形成する異径ホール穿孔方法であって、
第１の空間スポットサイズによって画定される第１スポットエリア内の前記ターゲット材料を除去するために前記第１の空間スポットサイズの全体に対して十分なエネルギー密度を持つ第１のレーザー出力を生成し、
前記ターゲット材料に衝突させ、それによって前記第１のスポットエリアの直径に対応しかつ前記スルーホールの前記所定の直径より小さい第１の直径を有するパイロットホールを形成するために第１のレーザー出力を方向付け、
第２の空間スポットサイズによって画定される第２のスポットエリア内の前記ターゲット材料を除去するために前記第２の空間スポットサイズの全体に対して十分なエネルギー密度を持つ第２のレーザー出力を生成し、そして、
前記所定の直径を有しかつ前記ターゲット材料の前記厚さを通して延びるスルーホールを形成するために、前記結果として生じる第２のスポットエリアが前記パイロットホールの前記第１のスポットエリアより大きくなるよう前記ターゲット材料に衝突させるために第２のレーザー出力を方向付けることからなり、前記スルーホールの形成は、前記パイロットホールを通して逃れ、それによって前記スルーホール壁の熱歪みを制限し、該壁面の一様性を強化する熱エネルギーの印加を含む、異径ホール穿孔方法。
【請求項２】
前記ターゲット材料は対向する、第１および第２の主表面を含み、前記第１のレーザー出力は前記パイロットホールを形成するために前記ターゲット材料の前記第１の主表面に衝突し、その後に、前記第２のレーザー出力は前記スルーホールを形成するために前記ターゲット材料の前記第１の主表面に衝突する、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項３】
前記ターゲット材料に衝突させるために前記第２のレーザー出力を生成しかつ方向付けることは、前記パイロットホールを形成する前に前記スルーホールの一部分を形成することを含み、該スルーホールの該一部分は前記所定の直径を有し、前記ターゲット材料の前記厚さを通して部分的にのみ延びることを含む、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項４】
前記パイロットホールおよび前記スルーホールは各々、パイロットホール軸およびスルーホール軸を持ち、前記ターゲット材料に衝突させるために前記第２のレーザー出力を方向付けることは、前記スルーホール軸および前記パイロットホール軸を空間的に整列することを含む、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項５】
前記パイロットホールは前記ターゲット材料の前記厚さを通して部分的にのみ延びる、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項６】
前記パイロットホールは前記ターゲット材料の前記厚さを通して延びる、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項７】
前記スルーホールは１５０ミクロン未満の直径を持つ、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項８】
前記ターゲット材料は非均質材料からなる、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項９】
前記ターゲット材料は多層電子回路基板からなる、請求項８に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項１０】
前記多層電子回路基板は多層ガラス繊維強化印刷基板からなる、請求項９に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項１１】
前記第１および第２のレーザー出力は、ＵＶレーザー、ＣＯ２レーザー、および非エキシマレーザーから本質的になる群から選択されるレーザーから生成される、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項１２】
前記ＵＶレーザーは３５５ｍｍの波長を持つレーザービームを発出するＵＶ：ＹＡＧである、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項１３】
前記第１および第２のレーザー出力は同一のレーザーによって生成される、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【請求項１４】
前記第１および第２のレーザー出力は各々、第１および第２のレーザーによって生成される、請求項１に記載の異径ホール穿孔方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明はレーザーマイクロマシニングに関し、詳細にはスルーホール形成中に印加される、基板材料および熱エネルギーの除去を行うための高出力レーザーの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
スルーホール穿孔（through-hole drilling）はマイクロ電子製造業において実行される基本的なプロセスである。スルーホールが通常、穿孔される典型的なターゲット材料は多チップモジュール（ＭＣＭｓ）、ボールグリッドアレイ、ピングリッドアレイ、回路基板、ガラス布（ＦＲ４を含む）、ハイブリッドマイクロ回路、および半導体マイクロ回路を含む。これらのターゲット材料は通常、別個の構成金属層、誘電体、および／または強化材料を含む。スルーホールは通常、機械的に穿孔されるが、しかし小径（例えば、１５０ミクロン未満）に対するニーズが高まり、それらの機械的な穿孔は非実用的なものになっている。小径のスルーホールに対するニーズが高まるにつれて、高アスペクト比のスルーホール（ホール直径対ホール深さの比が１．０以下であるスルーホール）に対するニーズが必然的に高まっている。高出力レーザー穿孔は、ほとんどこれらのスルーホールを形成するためにだけ使用されてきた。
【０００３】
スルーホールを穿孔するのに使用される、典型的な高出力レーザーは紫外（ＵＶ）レーザー、二酸化炭素（ＣＯ２）レーザー、およびエキシマレーザーを含む。穿孔はレーザーを所望のスポットにターゲット材料に衝突させるよう方向付けてターゲット材料の厚み全体を蒸発させてその所望のスポットにスルーホールを形成することを含む。穿孔の間に、蒸発材料はホールの頂部開口を通して取り除かれる。いったん、スルーホールが完全に形成されると、残存する蒸発材料も、そのスルーホールの底部開口を通して取り除くことができる。レーザー穿孔は小径スルーホールの形成を容易にするが、スルーホールレーザー穿孔は依然として種々の問題によって悩まされる不完全な方法のままである。
【０００４】
非均質基板にレーザーでスルーホールを穿孔することによる１つの問題点は、それらが通常、貧弱な壁品質を示すことである。高出力レーザーがターゲット材料をより深く穿孔するにつれて、印加した熱エネルギーは頂部開口から逃れ得るものより多くのものがホール内に留まり、結果として多量の熱エネルギーがホールを通してターゲット材料基質に拡散する。この拡散により、重大な構造的なダメージが熱影響ゾーン内に配置されるターゲット材料に生じる。また、スルーホールの頂部開口を通して穿孔されたターゲット材料を効率的に除去できないと、結果として好ましくない繊維突起および／または樹脂エッチングバックを持つスルーホールの形成を生じる。
【０００５】
レーザー穿孔のスルーホールに関する第２の問題点は、スルーホール壁に溝が形成されることであり、それはレーザービームおよびターゲット材料間の相互作用に起因している。例えば、二酸化炭素レーザーを使用して鉄材料に穿孔すると、次の周期的なプロセスを生じる。すなわち、発熱反応がスポットエリアに生じ、溶融材料の急速な膨張を引き起こし、いったん、反応の先端がスポットエリアから離れると、その溶融材料は再凝固する。この全サイクルは種々の深さで繰り返され、切断面方向に沿った深さ方向の溝付き構造を周期的に創り出す。
【０００６】
レーザー穿孔のスルーホールに関する第３の問題点は、穿孔されたターゲット材料の一部分が後続のレーザーパルスを部分的に遮蔽、すなわちプラズマプルームを形成し得ることである。例えば、レーザー穿孔の間にホール内に残っているターゲット材料の残骸はしばしば発火し、熱影響ゾーンへエッチングされる。ガスプルームは典型的には、各レーザーパルスの開始から１０ナノ秒以内に発火するので、各レーザーパルスの約８０％はプラズマプルームを含む。この発生は典型的には、結果として、好ましくない樹脂エッチングバックを生じる。
【０００７】
また、過熱した残骸はアブレーションプロセスの性質をアブレーション優位からアブレーションがより弱くかつより熱的であるものへ変化させることができ、高出力レーザーのパワー密度および繰り返しレートに対して実用的な制限を不都合にも課すことになる飽和深度を創り出す。パワー密度および繰り返しレートを制限することは、アブレーションレートを増加できる程度を制限する。
【０００８】
レーザー穿孔のスルーホールに関する第４の問題点は、電気的にかつ熱的に伝導性のある金属層間に挟まれた有機ポリマー樹脂含浸ガラス布である、異種性の高い材料、例えばＦＲ４布にスルーホールを形成するときに生じる。レーザーアブレーション特性、例えば溶解および蒸発温度は個々の層ごとに異なるので、スルーホールをレーザー処理することは非常に困難である。例えば、ガラス強化織物およびポリマー樹脂基質の蒸発温度は非常に異なる。二酸化珪素（一般に使用されるガラス強化織物）は約１９７０ケルビン（Ｋ）の溶解温度および約２５０３Ｋの蒸発温度を持つ。対比すると、有機樹脂（すなわち、エポキシ）は約５００Ｋおよび約７００Ｋ間で蒸発する。蒸発温度における不一致によって、個々のガラス繊維を包囲しているすなわち繊維束に直接隣接する領域において樹脂をアブレーションすることなく、ガラス素子にレーザーアブレーションを施すのを困難にしている。
【０００９】
今まで、高出力レーザーでスルーホールを形成するのに結果として生じる有害な結果を最小限にする主要な産業上の解決策は切削パラメータを最適化することであり、特に、規定したレーザーパルスを使用することである。しかしながら、この方法を使用して行われ得る改善の程度は、１つのパラメータの最適化がしばしばスルーホール形成による別個の特徴に不利益であるため、比較的わずかである。
【００１０】
高出力レーザー穿孔は半導体マイクロ加工技術に不可欠な部分であるが、経済的に効率的なレーザー穿孔法は、切削面溝形成、繊維突起、または繊維エッチングバックの発生率が軽減された滑らかな壁を持つスルーホールを穿孔するために見いだされていない。本願発明は、滑らかな壁を持つスルーホールを穿孔する高出力レーザーを使用したい要望に対処する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本願発明の目的は、ターゲット材料を制御しかつ熱エネルギーを除去するために、高出力レーザーを使用して非均質基板にスルーホールを形成する、効率的で経済的な方法を提供することにある。結果として生じるスルーホールは滑らかな壁およびわずかな熱ダメージを示す。総合的な成果は、処理品質、技術的な結果の再現性、高アスペクト比のスルーホールを穿孔する能力、および低い追加コストでの効率性を提供するレーザー動作を実行する方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明は、ホール壁品質を改善したスルーホールをターゲット材料に形成できる異径ホール穿孔方法である。本願発明の方法は望ましいスルーホールの直径よりも小さい直径を持つパイロットホールを穿孔することを含む。
【００１３】
パイロットホールは、レーザー穿孔の間に生成される熱エネルギーが周囲に発散できるチャネルを形成し、それによってターゲット材料基質の周囲に発散する熱エネルギーの量およびターゲット材料基質の熱影響ゾーンへの熱ダメージの程度を低減する。パイロットホール直径および穿孔パラメータを注意深く選択すると、スルーホールの形成中にスルーホールを包囲する熱影響ゾーンへの熱ダメージの量を非常に低減しかつ穿孔した壁品質を強化する。
【００１４】
また、パイロットホールは穿孔したターゲット材料を取り除くことができるチャネルを形成し、それによってスルーホールの全体的なスループットを高める。スルーホール形成プロセスの一部として除去しなければならない総ターゲット材料の一部分はパイロットホール形成間にアブレーションされかつ除去されるので、ターゲット材料の残りの部分を除去するのに要求される熱エネルギーは軽減される。より少ない熱エネルギーがスルーホールの残りの部分を形成するのに必要とされる場合には、周囲ターゲット材料基質へのより少ない熱ダメージになる。
【００１５】
本願発明の第１の好ましい実施態様では、高出力レーザーのレーザー出力はパイロットホールを形成するために熱的にターゲット材料の一部分をアブレーションする。パイロットホールは、それが、すべての層および／またはその材料を貫通しないブラインドビア（blind via）を形成するために、ターゲット材料の厚さを通して完全に延びる、またはそれがターゲット材料の厚さを通して一部分にのみ延びるよう穿孔できる。また、パイロットホールおよびスルーホールはターゲット材料の同じ主表面に、またはターゲット材料の対向する主表面に形成できる。
【００１６】
本願発明の第２の好ましい実施態様は、望ましい直径を持つスルーホールを形成する３つのステップからなる方法である。３ステップ方法の第１のステップは、望ましいスルーホールと同じ直径を持つブラインドビアの形状のスルーホールの一部分を形成するためにターゲット材料に入射用の第１のレーザー出力を方向付けることを含む。スルーホールのその部分はターゲット材料のいずれの主表面にも形成できる。第２のステップにおいて、第２レーザー出力は、スルーホール部分の直径または最終的なスルーホールのいずれかよりも小さい直径を持つパイロットホールを形成するために、ターゲット材料に入射させるために方向付けられる。パイロットホールの底部は先に形成したスルーホール部分の底部の一部分を好ましくは形成する。パイロットホールはターゲット材料のいずれかの主表面に形成できる。第３のステップでは、第３のレーザー出力は、望ましい直径を持つスルーホールの形成を完了するために、ターゲット材料への入射用に方向付けられる。第３のレーザー出力は、いずれかの主表面に方向付けることができる。第１および第２のレーザー出力はスルーホール部分および完成したスルーホールが軸方向に整列するよう方向付けられ、望ましいスルーホールが小径（１５０ミクロン未満）を持つ場合には、第２のレーザー出力は、スルーホール部分と同軸関係のパイロットホールを形成するために、好ましくはターゲット材料に衝突する。
【００１７】
本願発明の方法は、スルーホール壁の増加した熱ダメージを受けることなく、スルーホールの深さを増加できるので高アスペクト比のスルーホールの形成を容易にする。また、本方法により、材料の除去レートを増加することができ、それにより、製造コストを低減し、全体としてビア／秒スループットを増加させる。本願発明の方法はまた、スルーホールの側壁に溝付き構造が不都合に形成されることと、断面の底縁に付着するスラグ堆積物、周囲ターゲット材料基質への熱ダメージとを回避すなわち最小限にできる。したがって、本願発明の方法は、スルーホールの品質およびスループットを促進する。
【００１８】
本願発明の別の特徴および利点は添付図面に関連して進行する、好ましい実施態様の次の詳細な説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本願発明は、ターゲット材料にスルーホールを形成するためにターゲット材料の制御した除去を行うための高出力レーザーを使用する効率的な方法である。特に、本願発明はスルーホールの所望の直径よりも小さい直径を持つパイロットホールを穿孔し、その後、スルーホールを穿孔する方法である。パイロットホールの直径を含む、穿孔パラメータを注意深く選択することに関して、パイロットホールの形成により、ホールを包囲する熱影響ゾーンへの熱ダメージの程度および量が軽減され、それによって、穿孔されたスルーホールのホール壁面品質を著しく改善する。
【００２０】
図１a ，１ｂを参照して、本願発明の第１実施態様において、高出力レーザー４によって射出されるレーザー出力ビーム２はターゲット材料８のある地点に向けられる。議論の目的のために、ターゲット材料８は図１a，１ｂ、図２a，２ｂ、図３a ，３ｂにおいて、均質材料として示されるが、本願発明もまた、非均質材料または層状材料に適用可能である。レーザービーム２は直径１１を持つパイロットホール１０を形成するためにターゲット材料８の一部分をアブレーションする。図１a，２aの断面側面図に示されるように、パイロットホール１０は、それが、すべての層および／または材料を貫通しないブラインドビアを形成するために、完全にターゲット材料８の厚さ１２を完全に通して延びるよう（図１aのパイロットホール１０aによって示される）、またはそれがターゲット材料８の厚さ１２を通して部分的にのみ延びるよう穿孔できる。レーザーパラメータを適切に選択すると、ターゲット材料８の特定の層は、たとえそれらがアブレーションされた層と同じ構成を含んでいても影響されない状態に維持できる。
【００２１】
パイロットホール１０の形成後に、第２のレーザー出力は、直径１１より大きな直径１５を持つスルーホール１４を形成するために、ターゲット材料８のある地点に向けられる。スルーホール１４はターゲット８の厚さ１２を通して延びる。スルーホール１４はパイロットホール１０を形成した同じ高出力レーザーによって、または異なるレーザーによって形成できる。スルーホール１４はターゲット材料の８のすべての層および材料を明らかに、そして均等に貫通し、その頂端部１６からその底端部１８へのごくわずかなテーパを示す。図１a ，１ｂに示されるように、パイロットホール１０aは、スルーホール１４の形成前に、パイロットホール１０aの頂端部１６かまたは底端部１８のいずれかから除去できるように形成される。図２a，２ｂに示されるように、スルーホール１４の形成前に、パイロットホール１０b の頂端部１６を通して除去できるように形成される。後の参照のために、ターゲット材料８の厚さを通して部分的にのみ穿孔されるホールはブラインドビアと称される。
【００２２】
パイロットホール１０およびスルーホール１４はターゲット材料８の同じ主表面２０上、または異なる主表面２０上で初めに穿孔できる。例えば、パイロットホール１０の形成はターゲット材料８の第１の主表面２０a上で開始できる。次に、パイロットホール１０より大きい直径を持つスルーホール１４の形成はターゲット材料８の第１の主表面２０a 上で開始できる。別法として、パイロットホール１０の形成はターゲット材料８の第１の主表面２０a 上で開始できる。次に、パイロットホール１０より大きい直径を持つスルーホール１４の形成はターゲット材料８の第２の主表面２０ｂ 上で開始できる。上述のように、パイロットホール１０はスルーホールまたはブラインドビアのいずれかでもよい。
【００２３】
図３a ，３ｂを参照して、本願発明の第２の好ましい実施態様は、所望の直径を持つスルーホールを形成する３つのステップの方法である。３つのステップの方法の第１ステップはターゲット材料８の第１の主表面２０a上にスルーホール１４の深さ方向の部分２２を、軸３０と、所望のスルーホールの直径と同じ直径とを有するブラインドビアの形状で初めは形成する。第２ステップでは、スルーホール部分２２の直径より小さい直径１１を有しかつターゲット材料８の厚さ１２を通して部分的にのみ延びるパイロットホール１０は、パイロットホール１０が先に形成したスルーホール部分２２の底部の一部分を通して延びるようターゲット材料８の第２の主表面２０ｂ上に初めに形成される。第２ステップの完了により、スルーホール部分２２の底部に直径１１のホールを形成することになる。第３ステップでは、所望の直径を持つスルーホール１４はターゲット材料８の第２の主表面２０ｂを通して初めは穿孔することによって形成される。スルーホールは軸３０に好ましくは同軸方向に整列される軸３４を持ち、一様な熱分配を容易にしている。このプロセスは、所望のスルーホールが３０ミクロン未満の直径を持つ場合に典型的に好ましい。
【００２４】
当業者は、異なるターゲット材料の主表面がスルーホール部分を穿孔するのに使用される場合に、レーザー出力とターゲット材料との整合を容易にするために基準マーク（整合ターゲット）がターゲット材料に配置できることを理解するであろう。レーザーは基準マークを光学的に位置付けて、それらの１つにレーザー出力を当該技術分野の当業者に一般的に公知であるパターン認識技術を使用して整合する。
【００２５】
当業者はまた、第２の好ましい実施態様の多くの変形例が実施可能であることを理解するであろう。例えば、スルーホール１４の部分２２およびパイロットホール１０の両方はターゲット材料８の第１の主表面２０a を貫通でき、スルーホール１４はターゲット材料８の第２の主表面２０ｂを貫通できる。別法として、スルーホール１４の部分２２はターゲット材料８の第１の主表面２０a を貫通でき、パイロットホール１０はターゲット材料８の第２の主表面２０ｂを貫通でき、スルーホール１４はターゲット材料８の第１の主表面２０a を貫通できる。当業者はまた、本願発明の第２の好ましい実施態様のパイロットホール１０がブラインドビアにできることを理解するであろう。
【００２６】
アブレーションされたターゲット材料はパイロットホール形成中にまたは次の処理の間に除去できる。本願発明の方法によって提供できる基板保護およびより小さい臨界的な寸法は慣用のスルーホール処理方法を越える著しい改善である。スルーホールは、例えば、多のスルーホールまたは隣接する回路構造から約２ミクロンだけ離隔することができる。さらに、スルーホールを形成するプロセスの一部として除去されたであろう総ターゲット材料の一部はパイロットホールの形成中に除去される。パイロットホールの形成はしたがって、ターゲット材料の残りの部分を除去するのに要求される熱エネルギーを低減し、結果として、周囲ターゲット材料基質への熱ダメージを低減する。
【００２７】
パイロットホール形態の選択は特定ターゲット材料および所望のスルーホールアスペクト比に基づく。当業者は、第１および第２のレーザー出力が、ステップ状の、テーパ状の、または垂直に鋭いビアを多数セットの層を通して生成するために繰り返すことができる。
【００２８】
ターゲット材料上にスルーホール穿孔を行う本願発明の方法を使用することにより、種々の態様で遂行できる。１つの好ましい実施態様では、レーザーはターゲット材料にパイロットホールのすべてを穿孔するのに使用される。次に、異なる動作上のパラメータで動作される同じレーザーまたは異なるレーザーはターゲット材料のすべてのスルーホールを穿孔するのに使用される。別の実施態様では、各パイロットホールおよびスルーホールは次のパイロットホールおよびスルーホールが形成される前に形成される。この実施態様は同じ経路に沿って進行する２つの別個のレーザーまた２重ヘッドレーザーを使用することによって行うことができる。
【００２９】
ビア径は好ましくは約２５ミクロンから約３００ミクロン間の範囲であるが、高出力レーザー４は約５ミクロンおよび約１ｍｍ間の直径を持つビアを生成できる。出力ビーム２の好ましいスポットサイズは直径が約５ミクロンおよび７５ミクロンの間であるので、２５ミクロンより大きいビアは典型的に、第１および第２レーザービームが順次、スパイラルツールパス（spiral tool path）に沿う接触地点を周縁に重ねる際に、ターゲット材料８に向けられる、穿孔、同心円処理、またはスパイラル処理によって生成される。第１および第２のレーザー出力は、切り込みの所望の深さを達成するために必要な数のビームパルスを発出するためにレーザー出力に十分な速度で各地点を好ましくは連続して移動される。
【００３０】
図４，５は各々、先行技術および本願発明の方法に従う多層電子回路基板に形成されたスルーホールの壁面の断面図の対応関係を示す、等価倍率で取られた走査電子顕微鏡写真である。詳細には、図４，５は、４２０ミクロンの厚さを有する２層銅被覆ＦＲ４パネル５０に１ステップ穿孔（one-step trepan）を使用して穿孔された６０ミクロン直径のスルーホールの断面図を示す。パネル５０は２つの銅対向層によって結合されたガラス布５２およびガラス繊維樹脂５４の交互層を含む。図４，５のＳＥＭの比較により、本願発明の方法を実行するのに結果として生じる改善された壁面品質を明らかに示される。特に、図４のスルーホールは、かなりの量のガラス布の樹脂くぼみ(resin recession)が起きたので貧弱な壁品質を示す。樹脂くぼみは、スルーホールに印加される熱エネルギーがガラス布を包囲する樹脂にホール壁を通して発散する場合に生じ、重大な構造的なダメージを、スルーホールを包囲する熱影響ゾーン内のガラス布を包囲する樹脂に引き起こす。対比すると、図５のスルーホールは優れた壁品質および最小量の樹脂くぼみを示す。
【００３１】
ガラス遷移温度は多層回路基板に使用される種々のガラスベースの材料により異なるので、穿孔される多層回路基板ごとに変化する深さ方向の格差パワープロファイルは本願発明のすべての実施態様に関連して使用することができる。好ましい深さ方向のパワープロファイルはターゲット材料ごとに経験的に決定される。例えば、ガラス布は約１７００℃で溶融し、一方、樹脂は約２８０℃で溶融する。したがって、穿孔中に、ターゲット材料はガラス布から樹脂へ変化する場合には、膨大な量の過剰エネルギーがスルーホール内に付加される。上述のように、このことが樹脂くぼみおよびプラズマプルームの形成を含む、種々の好ましくない効果を引き起し得る。それらの両方により、仕上がったスルーホールの貧弱な壁品質を生じることになる。ターゲット材料にパイロットホールを形成することにより、過剰な熱エネルギーの大部分を、レーザーが、非常に低い温度で溶融する樹脂層を通して穿孔される場合に逃がすことができる。したがって、本願発明の方法は結果として生じるスルーホールの壁品質を著しく改善する。
【００３２】
本願発明は、均質材料と、種々の金属および脆い材料、例えばガラスＭＣＭ、シリコンＭＣＭ、セラミックＭＣＭ、ボールグリッドアレイ、ピングリッドアレイ、回路基板、およびハイブリッド半導体マイクロ回路を含む非均質材料とを含む、幅広いターゲット材料にレーザー動作を行うのに有用である。好ましいターゲット材料は多層ガラス繊維強化回路基板である。印刷回路基板は典型的に、金属、誘電体、および／または強化材料の別個の構成層を含む。
【００３３】
典型的な金属構成層はアルミニウム、銅、金、モリブデン、ニッケル、パラジウム、プラチナ、銀、チタニウム、タングステン、またはそれらの組み合わせを含む。これらの層は任意の適切な厚さを持つことができるが、それらの厚さは典型的に、約９ミクロンおよび約３６ミクロンの間である。
【００３４】
典型的な有機誘電体層はビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）、ボール紙、シアン酸エステル、エポキシ、フェノール、ポリイミド、またはポリテトラフルオレスチレン（ＰＴＦＥ）を含む。これらの層は任意の適当な厚さを持つことができるが、それらは、金属構成層の厚さより大きい、約５０ミクロンおよび約４００ミクロン間の厚さを通常持つ。
【００３５】
典型的な強化構成層は繊維マット、アラミド繊維の分散粒子、セラミック、またはガラスを含む（有機誘電体層に織り込まれるかまたは分散される）。これらの層は任意の適切な厚さを持つことができるが、それらの厚さは典型的に、有機誘電体層の厚さよりも小さい、約１ミクロンおよび約１５０ミクロンの間である。当業者は、強化構成層が有機誘電体層に粉末として導入できることを理解するであろう。結果として生じる粉末状層は非連続や不均一でもよい。当業者もまた、金属構成層、有機誘電体層、および強化材構成層は内部的に、非連続、不均一、および非平衡でもよい。
【００３６】
一般的なセラミックのミクロンスケールの粉末、サブミクロンスケールの粉末、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の高圧プレスによって形成された、まだ窯焼きされていない、「グリーン」セラミック基板は別の好ましいターゲット材料である。粉末粒子は、加工動作、例えばビア穿孔を実行可能にする十分な機械的な結合を提供する有機「結合材」と共に維持される。穿孔の後に、結合材グリーン材料は高温で焼かれ、結合材を吹き飛ばし、そして典型的には、非常に強い耐久性のある基板に融合すなわち焼結する。
【００３７】
任意の高出力レーザーが本願発明の方法に関連して使用できるが、典型的な好ましいレーザーは、固体レーザーおよびエキシマレーザーを含む紫外（ＵＶ）レーザーと、ＣＯ２レーザーとを含む。当業者は、レーザーパルスが、慣用の技術によるパルスＱ−スイッチレーザー動作によって、または特定の期間の連続波放出を提供するのに周期的に開くシャッターと協働する連続波レーザーによって生成され得ることを理解するであろう。頂部層のアブレーションは、他の規準、例えば波長、スポットサイズ、および利用可能性に基づいて選択できる、レーザー源のより多くの選択を提供する。各レーザーの出力パルスのパラメータは、上記ターゲット材料に実質的にきれいな穿孔およびビア形成を容易にするために選択される。レーザーの各タイプに関連して好ましい穿孔パラメータは変動するので、各タイプのレーザーは以下詳細に記載される。
【００３８】
本願発明の方法に関連して使用する１つの好ましいレーザーは、固体レーザー、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＰ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｔｉ：サファイア、またはホルミウムまたはエルビウムでドープされたＹＡＧ結晶を含むＵＶ、Ｑ−スイッチ、固体レーザーである。ＵＶを使用する１つの利点は、焦点距離の許容範囲が不均一な厚いターゲットの加工を容易にするということである。好ましい波長は限定的ではないが、主としてＴＥＭ００空間モードプロファイルを持つ、５３２ｎｍ（２倍周波数Ｎｄ：ＹＡＧ）、３５５ｎｍ（３倍周波数Ｎｄ：ＹＡＧ）、および２６６ｎｍ（４倍周波数Ｎｄ：ＹＡＧ）を含む。追加の好ましい波長は１５２ｎｍであり、当業者は他の適切な波長で発出するレーザーもまた本願発明の方法に関連して使用することができることを理解するであろう。典型的な商業的に利用可能なレーザーはカリフォルニア州マウンテンビューのライトウェーブエレクトロニクスによって販売されているモデル２１０ＵＶ―３５００である。レーザーは、約１ミクロンおよび約７ミクロン間のバイトサイズ（bite size）で画像加工出力を好ましくは提供する。
【００３９】
ＵＶ、Ｑ−スイッチ、固体レーザー出力の典型的なパラメータはビームスポットエリア上で測定された約５マイクロジュール（μＪ）より大きい平均エネルギー密度、より好ましくは３０μＪより大きい平均エネルギー密度を含む。すなわち、スポットサイズの直径すなわち空間主軸は約１００ミクロンより小さい、より好ましくは約１ミクロンから約５０ミクロンの間であり、繰り返しレートは約１キロヘルツ（ｋＨｚ）より大きく、好ましくは約２０ｋＨｚより大きく、そして平均強度すなわち放射照度はスポットエリア上で１００ミリワット（ｍＷ）より大きい。約３００ナノ秒より短い時間的パルス幅、好ましくは約０．１ピコ秒（ｐｓ）から１５０ｎｓ、より好ましくは約１ｎｓおよび約１００ｎｓの間である時間的パルス幅を利用して熱ダメージ効果を回避しようとして好ましいパラメータが選択される。特定の波長でのターゲット材料のレーザー処理に対する出力要件は使用されるスポットサイズに比例して測られる。当業者は、これらのパラメータが変化し、処理されるべき材料に対して最適化でき、しかも異なるパラメータが異なるターゲット材料層を処理するのに使用できることを理解するであろう。
【００４０】
レーザーシステム出力ビームは約２５ミクロン未満の直径を持つスポットエリアを好ましくは生成する。スポットエリアおよび直径は１／e2次元に関係しているが、これらの条件は単一のパルスによって創出されるスポットエリアすなわちホールの直径を参照するのに時々使用される。また、当業者は出力ビームのスポットエリアが好ましくはほぼ円形であることを理解するであろう。しかしながら、円形でないビアもまた、類似のプロセスによりアブレーションすることができる。かかるビアは、例えば正方形、長方形、楕円形、スロット状、または他の主表面形状でもよい。さらに、当業者は出力ビームが特定の動作に必要であれば、特に第１ステップ処理に対して撮像でき、そのウイングまたはテールを切り取ることができることを理解するであろう。
【００４１】
次の表１はＵＶ、Ｑ−スイッチ、固体レーザーを使用する本願発明の第２の好ましい方法を使用して、スルーホールを穿孔するためのプロセスパラメータおよび全体的なスループットデータを提供する。パイロットホールは表の第５，６ステップで穿孔され、ターゲット材料の厚さ全体を通して穿孔された。スルーホールはステップ７，８で穿孔された。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
また、ＣＯ２レーザーを本願発明に関連して使用できる。一般的なＣＯ２マイクロビア穿孔レーザーは、ＲＦ励起レーザー、横方向大気圧励起（ＴＥＡ）レーザー、および高速軸流レーザーを含む。しかしながら、すべてのＣＯ２レーザーの波長は約９ミクロンおよび約１１ミクロンの間であるので、レーザー出力は金属、例えば銅によってかなり反射される。結果として、上部金属層に特徴を有する基板を穿孔するためにＣＯ２レーザーを使用することは極めて困難である。したがって、ＣＯ２レーザーは、ビア開口が標準的な化学的手段によりあらかじめエッチングされた上部銅層を持つまたは持たないいずれの積層基板にも好ましくは印加される。また、かかる「プリエッチングされた」または「共形マスク」多層基板は織り込み強化材、例えばガラス繊維を誘電体層内に持たなくてもよい。例えば、ブラインドビアは金属層によっていずれの主表面上にも覆われた誘電材料層からなるターゲット材料に形成できる。ブラインドビアの形成により、ビームが誘電材料を通過した後にビア形成が停止するよう自己制御できる。その理由は、たとえ、ビームパルスをターゲットに衝突し続けても、ビームパルス出力密度が、残っている金属層を蒸発させるために誘電材料を越えて深さ方向に進行するには不十分であるということである。多層ターゲットは、反り、不均一な層厚、または装着具の不均一な平坦性から生じる、予測できない、一貫性のない、ターゲットの深さを示す可能性があるので、ブラインドビア形成における深さ方向の自己制御能力は有利である。
【００４４】
多くの変形例が本願発明の基礎原理から逸脱することなく、上記実施態様の細部に対してなされ得ることが当業者には自明であろう。したがって、本願発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ判断されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１ａ】ターゲット材料の厚さを通して、完全なパイロットホールを初めに穿孔することによって実行される本願発明の第１の実施態様にしたがう、スルーホールの形成の異なる段階におけるターゲット材料の断片的な断面図である。
【図１ｂ】ターゲット材料の厚さを通して、完全なパイロットホールを初めに穿孔することによって実行される本願発明の第１の実施態様にしたがう、スルーホールの形成の異なる段階におけるターゲット材料の断片的な断面図である。
【図２ａ】ターゲット材料の厚さを通して、部分的なパイロットホールを初めに穿孔することによって実行される本願発明の第１の実施態様にしたがう、スルーホールの形成の異なる段階におけるターゲット材料の断片的な断面図である。
【図２ｂ】ターゲット材料の厚さを通して、部分的なパイロットホールを初めに穿孔することによって実行される本願発明の第１の実施態様に従う、スルーホールの形成の異なる段階におけるターゲット材料の断片的な断面図である。
【図３ａ】所望の直径のブラインドビアを初めに穿孔し、より小さい直径のパイロットホールを穿孔し、そしてその所望の直径を持つスルーホールの形成を完了することを含む３ステッププロセスにしたがって実行される本願発明の第２の実施態様にしたがう、スルーホールの形成の異なる段階におけるターゲット材料の断片的な断面図である。
【図３ｂ】所望の直径のブラインドビアを初めに穿孔し、より小さい直径のパイロットホールを穿孔し、そしてその所望の直径を持つスルーホールの形成を完了することを含む３ステッププロセスにしたがって実行される本願発明の第２の実施態様にしたがう、スルーホールの形成の異なる段階におけるターゲット材料の断片的な断面図である。
【図４】先行技術の方法に従う多層電子回路基板に形成されたスルーホールの壁面の断面図の対応関係を示す、等価倍率で撮影された走査電子顕微鏡写真である。
【図５】本願発明の方法に従う多層電子回路基板に形成されたスルーホールの壁面の断面図の対応関係を示す、等価倍率で撮影された走査電子顕微鏡写真である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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