本文仅通过例子对多片模块(MCMS)介绍发明的背景，多片模
块指多种材料、多层的装置，它们正成为服务于飞机、计算机、军事、
以及通信等多种用途的电子封装工业的最优选的元件之一。多片模块正
在替代或降低印刷电路板的复杂性，由此来提高产品效率和可靠性。然
而，由于多片模块要求更小的通道和更细的线，它们造成了新的创造障
碍，且使用多种新的材料。通道在本文仅通过例子来加以讨论且采取完
全通孔的形式或称之为盲通道的不完全通孔的形成。
多片模块以及诸如球形栅阵列、插脚栅阵列、电路板、混合式和半
导体微电路等封装单个芯片的其它多材料、多层电子装置典型地包括由
金属和一种有机绝缘和/或增强材料组成的分开元件层。标准的金属成分
层包括铝、铜、金、钼、镍、钯、银、钛、钨或者它们的组合。这些金
属层典型地具有约9～36μm的深度或厚度(其中7.8×10-3kg的金属等
于约9μm的厚度)，但可从更细或者大到72μm。一标准有机介电层可
包括三嗪双顺丁烯二酰亚胺、卡纸板、氰酸脂、环氧树脂、酚醛树脂、
聚酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)。这些层典型地具有约50～400μm
的层厚。典型的增强成分“层”可包括纤维间质或芳酰胺纤维的扩散粒
子、陶瓷、或玻璃织物或扩散进有机介电层中以加以增强。这些增强层
典型地具有约1～10μm的直径或厚度。具有多个金属的、绝缘的和增
强材料层的叠合层其厚度可大于2mm。
设计了传统的工具、冲压机、和生产工艺流程来加工大型、较小密
集度的元件，例如：对制造直径小到12μm的通道来说，众所周知的机
械式工艺流程既不适合又相当地费钱。即使当小型化并不是主要问题
时，机械工艺流程仍是不合适的。例如，层压电路板制造中常常为机械
钻头在叠层板上的磨损和断裂问题所因扰并且因此要求对工具作经常和
费钱的刃磨或更换。此外，常规的化学流程或湿法流程不能用来蚀刻诸
如聚四氟乙烯电介质这样的材料。最后一关，离子蚀刻法对加工多片模
块和大多数其它电子元件来说又是十分昂贵和速度太慢的。
在研制以激光为基础的微细加工技术用于加工这些种类的电子材料
方面已作了许多工作。然而，激光器种类、工作费用、以及象激光光束
波长、功率、以及光斑大小等有关激光器和靶材料等方面的操作参数变
化很大。
例如，常规的准分子激光器产生的激光输出波长范围从约200nm到
350nm，而产生的是低质量的多模光束结构，以致采用简单的透镜元件
不能将这种光束结构十分精确地聚焦。结果是，必须采用复杂和昂贵的
光束控制小孔或常由铜或其它金属材料制成的掩膜板来加以调整。这
样，用准分子激光器用于钻削通道的实际能达到的功率密度便严重地受
到限制。这些激光器的脉冲频率通常局限于200Hz以下，因此作为一种
生产工具用于多种所需的用途其速度便显得太慢。此外，激发物系统的
高额费用及其所用气体阻碍了它们被方便地应用并使它们不能被许多中
小型制造厂所接受。在准分子激光器中用作化学处理的卤素气体与激光
器的谐振腔起反应，因此造成质量降低和经常的更换。此外，卤素气体
是有害、有毒材料，会对环境造成破坏。
由于光束质量低、光束范围大、以及脉冲频率低是准分子激光器所
固有的特点，因此典型地采用光束形状控制掩膜来有效地利用激发器光
束掩膜法又迫使在一点之外的较大范围内产生烧蚀现象。由于烧蚀产生
的碎片散布在较大的范围上，从而部分阻挡了其后的激光脉冲，或者说
过热的碎片将烧蚀过程的性质转变成了一个热的过程。当功率密度增加
时，烧蚀的靶面材料可从不断增加直至达到材料中单位脉冲切削量的一
个“饱和深度”为止。这种饱和深度对能被用来进一步增加烧蚀速率的
准分子激光器的功率密度和脉冲重复频率施加了一个实际的限度，而不
管靶面是否是多层板还是不是多层板均是如此。
另一方面，常规的CO2激光器所产生的激光输出波长典型地为约
10,6μm，其所产生的光斑直径对常规所需的通道来说则显太大。与紫外
激光器相比，CO2激光器和其它的红外激光器具有大得多的脉冲宽度且
在对有机材料和金属的吸收率方面具有更宽的离散范围。这些特性造成
的不是光化学过程，而是破坏性的热过程。
此外，由于如此盛行地采用预成象的铜接触掩膜，因而必须将激光
的影响设置到对铜的破坏阈值之下。这样做限制了可被钻削的材料种类
并因此要求有麻烦的清洗步骤、层与层的精确对准、以及对铜的蚀刻。
图1为根据本发明的用于产生所需激光脉冲的一简化激光系统部件
和等轴图。
图2是具有一通孔和一盲通道的多层靶的放大了的剖视侧视图。
图3A和3B分别示出形成一通孔和一盲通道的切削轮廓线。
图4为单位脉冲切割深度与功率密度关系图，定性示出用准分子激
光器和用本发明所能达到的单位脉冲切割深度之间相比较的关系。
图5为单位脉冲能量与激光脉冲重复频率的关系图，示出金属和电
介质烧蚀阈值。
图6为单位脉冲能量与光斑直径关系图，分别示出具有足以烧蚀金
属的能量的一第一激光输出脉冲的曲线以及具有足以烧蚀电介质但不足
以烧蚀金属的能量的一第二激光输出脉冲曲线。
图7定性示出对应于靶面和激光束焦平面间不同距离的光斑尺寸的
差别。
图8A和8B为局部剖面图，示出为在由位于一顶导体层和一底导体
层间的一层电介质组成的靶上形成一深度自限制的盲通道而进行的顺序
步骤。
图9为一局部剖面图，示出用于能根据本发明来加工的通道的一不
完全顶层的开口。
图10为与图8A和8B的靶相似但在两导体层间具有一第二介电层
的靶的局部剖面图。
图11为图10的靶的局部剖面图，但它具有一盲通道，其特征为从
顶导体层到底导体层在深度方面形成直径逐步减小的阶梯形宽度。
图12～19为本发明所用的355nm激光系统所产生的激光脉冲参数
例子1～8的参数表。
图20～22为本发明所用的266nm激光系统所产生的激光脉冲参数
例子9～11的参数表。
参照图1，本发明的一激光系统10的一优选实施例包括一谐振器
12，它由沿光轴20位于一后反射镜16和一输出镜18之间的一个激光棒
14所限定。反射镜16优选地是100％反射的，而输出镜18则允许光部
分透射沿光轴20传播。激光棒14优选地包括诸如Nd:YAG、Nd:
YLF、Nd:YAP或Nd:YVO4的固态激射物、或掺杂有钬或铒的
YAG晶体。激光棒14可被多种为本领域技术人员所熟知的泵浦源(图
中未示出)所泵浦，但对本发明的激光系统10来说氪弧灯是优选的，或
者也可优选地使用合适的二极管激光器。
Q开关及其使用、配置以及操作对本领域技术人员来说也是非常熟
悉的。在激光系统10中，一Q开关24被优选地配置在谐振器12之中，
沿光轴20位于激光棒14和反射镜16之间。如在本文中引述供参考的美
国专利第5,197,074号中所述的那样，Q开关也可被用作脉冲衰减器。
激光棒14的输出经两级谐波发生或频率转换被转换成一优选的紫
外波长。二次谐波发生可通过一第一频率转换器32来产生，频率转换器
32比如可以是沿光轴20插入并且经角度调谐成与激光棒14的输出匹配
的最佳相位的一非线性晶体。内行的人将会懂得，还有许多其它的常规
技术可用于相位匹配。转换为二次谐波的能量是一系列激光特性的函
数，这些激光特性包括：峰值功率、模结构、以及基波长的光束发散。
用于选择一特别的非线性晶体的适切的参数包括非线性系数、角接收
度、以及破坏阈值。
在一个为连续泵浦的、Q开关的Nd:YAG激光器的优选激光系
统10中，如图1所示，用一沿光轴20配置在谐振器12之中的硼酸钡晶
体32来有效地完成倍频任务。本专业的人员将会理解，也可使用许多其
它的晶体进行频率转换，比如硼酸锂。
倍频过程通过一优选地配置在后反射镜16和激光棒14之间的一布
鲁斯特偏振片26得到增强。此外，输出镜18则被选择成能高度反射激
光棒14所产生的基波长(对Nd:YAG激光器来说为1064nm)来增加
腔内峰值功率，由此将谐波转换(到532nm)的效率增加到80％。
一第二频率转换器34(也优选地为硼酸钡)被沿光轴20配置在谐
振器12中的第一频率转换器32和输出镜18之间用于产生转换效率约为
25％的基波长的三次谐波输出38(355nm)。谐振器输出36可用一个
或多个分光镜(图中未示出)分成两个波长(532nm和355nm)。在
355nm波长上的三次谐波输出38也可用一沿光轴20配置的偏振态改变
器42来旋转532nm谐振器输出36的输入偏振加以改变。偏振态改变器
42可以是一1/4波片或是一如在美国专利第5,361,268号中所描述的受
一中央处理器(图中未示出)所控制的可变偏振态改变器，该美国专利
结合在本文中一并加以参考。
三次谐波输出38可用包括扩束器透镜元件44和46在内的多种已知
光学元件来加以操纵，透镜元件44和46沿着光路50配置在一系列光束
导向反射镜52、54、56和58之前。最后，三次谐波输出38在其被用
作对靶40的加工输出光束62之前还要通过一聚焦透镜60。除开聚焦透
镜60之外，还可采用或替代采用可变孔径、可调准直镜、或其它可变透
镜元件来修正加工输出光束62的空间光斑尺寸。加工输出光束62的其
他优选的波长包括213nm(经常被五倍频)和266nm(经常被四倍频)。
本专业的人员将会理解，如果需要四倍频处理，则优选地将频率转换器
34和偏振态改变器42配置于谐振器12之外。
图2为一普通激光靶40的部分放大的剖视侧视图，靶40比如可以
为一多片模块、电容器、电路板、电阻、或混合型或半导体微电路。为
方便起见，靶40被描述成仅具有四层64、66、68和70。
层64和68可包含比如象铝、铜、金、钼、镍、钯、铂、银、钛、
钨、金属氮化物、或它们间的组合这样的标准金属。常规金属层厚度有
所不一，典型地为在9～36μm之间，但可更薄，也可厚至72μm。层
66可以例如包含一种标准有机电介质材料，比如象苯并环丁烷
(BCB)、二马来酰亚胺三嗪(BT)、卡纸板、氰酸脂、环氧树脂、
酚醛树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、不同的聚合物合金、或是它们的组
合。常规有机介电层66厚度上变化很大，但典型地要比金属层64和68
厚得多。有机介电层66的一示范性的厚度范围约为50～200μm，但它
们可叠置厚达1.6mm。层66也可包含一标准加强成分或“层70”。层
70可以是纤维毡片(matte)或例如芳酰胺纤维的扩散粒子、陶瓷、或
纺织或扩散进有机介电层66中的玻璃纤维。常规增强层70典型地要比
有机介电层66薄得多且通常为1～2μm厚的量级并可能最大到10μm。
本专业的人员将能理解，增强材料可以呈粉末状引入有机电介质中。由
这种粉末状增强材料形成的“层70”可以是非邻接的和非均匀的，本专
业的人员也将理解到，层64、66和68其内部也是非邻接的、非均匀的
和非水平的(nonlevel)。
图2中的靶40也描绘了由激光系统10所产生的一通孔通道72和一
盲通道74。通孔72整齐均匀地穿透靶40的所有层和材料并从其顶部76
到底部78呈现很小的锥度。锥角79相对于法线轴77优选地为小于45°，
更优选地为小于30°，最优选地为0°。
盲通道74不穿透所有的层和/或材料。在图2中，盲能道74停止在
层68处且不穿透该层。这样，即使当层68包括与层64相同的金属成分，
适当地选择激光器参数可使层68保持不受影响。
通道直径范围优选地为25～300μm，但激光系统10可产生直径小
至约5～25μm或大于1mm的通道72和74。由于输出光束62的优选
的光斑直径为约25～75μm，因此可采用套孔、同心圆加工、或螺旋加
工等法来产生大于25μm的通道。
图3A和3B各自示出用于形成一通孔86和一盲通道88的切割轮廓
线，通孔86和盲通道88均大于输出光束62的光斑直径。参照图3A，
通孔86在靶40面上规定了一具有圆周92的圆形空间区域90。输出光
束62具有一小于区域90面积的光斑面积94。通过将具有光斑面积94
的光束62顺序定位在围绕圆周92的各交迭相接的位置上来加工形成通
孔86。光束62优选地被连续移动通过每一位置，其移动速度应足以使
激光系统10提供在每一位置上获取切割深度所需的光束脉冲数。在光束
62完成绕圆周92的一圈路程之后，中心靶材料98脱落下来以形成通孔
86。该过程称为套孔。
参照图3B，盲通道88也在靶40面上规定了一具有圆周92的圆形
区域90。具有光斑面积94的输出光束62起初定位在区域90的中心102
上。通过将具有光斑面积94的光束62沿一最终到达圆周92的螺旋路径
顺序定位在各交迭相接的位置上来形成盲通道88。光束62被优选地连
续移动通过每一位置，其移动速度应足以使激光系统10提供在每一位置
上获取切割深度所需的光束脉冲数。当光束62沿螺旋路径104行进时，
靶材料被一点一点地切割掉，从而当光束62每次被移动至一新切割位置
时便形成一孔径不断增大的孔。当光束62沿一圆形路径移动至圆周92
时，则最终取得所需孔形状。
为一种用于形成盲通道88的光束切割路径是从中心102开始并切
割具有不断增大的半径的同心圆，同心圆半径则由光束62的光斑面积94
所确定。随着形成通道88的同心圆以离开区域90的中心102较大的距
离沿着圆形路径行进时，通道88的整体直径将增加。另外，也可通过规
定所需的圆周并从边缘朝中心进行加工的方式来开始该过程。
螺旋式向外加工比起同心圆加工来显得更连续和更快捷。本专业的
人员能够理解，既可以让靶40也可以让加工输出光束62固定或相对于
它们两者间的另一个移动。在一优选实施例中，靶40和加工输出光束62
两者同时移动。
本专业的人员将能理解，采用相似的加工过程也可以烧蚀非圆形通
道。这些通道例如可以具有方的、矩形的、椭圆的、槽形的、或其它的
表面形状。在美国专利申请第08/276,797号中举出了几个通孔通道和盲
通道的例子，它们具有在多个不同衬底材料上产生的不同深度和直径，
该专利申请结合在本文中一并加以参考。
从固态激光系统10所能得到的好处是它具有将输出光束62导引至
靶40面上的能力，而无需使用如准分子激光器通常使用的光束形状控制
掩膜。这一点是十分有意义的，因为当光束斑面积完全等于待切割通道
所规定的空间区域时，会产生单位脉冲切割深度的饱和现象。当撞击靶
面的光束脉冲的功率密度的增加不再引起切进靶中的深度发生明显增加
时，便达到了单位脉冲切割深度饱和。
由于准分子激光器固有的光束质量差、光束面积大、以及脉冲频率
低等缺点，通常需要用光束形状控制掩膜来有效地利用激发物光束。掩
膜法强制烧蚀大面积材料而不是仅仅在一点的材料，这样有效光斑面积
等于待切割通道所需的空间面积。烧蚀产生的碎片部分阻挡住了其后的
激光脉冲，或过热的碎片将烧蚀过程的性质改变成一种发热过程，造成
了饱和深度，它对准分子激光器的功率密度和脉冲重复频率均给予实际
的限制，从而不能靠进一步增加功率密度和重复频率来增加烧蚀速率。
图4为单位脉冲切割深度对功率密度的关系图，定性示出用一准分
子激光器光束和一激光系统10的输出光束所能达到的单位脉冲切割深度
间的比较关系。曲线106表征一穿过光束形状控制掩膜并撞击一靶子的
脉冲式准分子激光器光束。曲线106表示，超过阈值功率密度PDTH的一
准分子激光器光束脉冲产生的单位脉冲切割深度线性正比于一值tS,tS对
应于饱和功率密度PDS。进一步增加激发物光束脉冲功率密度不会对切
割深度产生显著增加。曲线108表征激光系统10没有光束形状控制掩膜
时的输出光束62并对不超过PDS的光束脉冲功率密度情况跟随曲线
106。当脉冲功率密度增加超过PDS时，输出光束62的单位脉冲切割深
度继续成线性增加而不饱和。因此，激光系统10能够取得与所能得到的
光束脉冲功率密度成比例的单位脉冲切割深度。
选择加工输出光束62的参数来有利于对众多的金属和电介质靶子
实施十分干净的顺序钻削，亦即通道形成，这些靶对紫外光(亦即短于
400nm的波长)呈现不同的光吸收性和其它特性。首先，用具有足以烧
蚀金属的功率密度的第一激光输出来去除金属层。然后，用具有不足以
烧蚀金属的较低功率密度的第二激光输出来去除介电层，因此仅仅介电
层被去除。这种两步法特别适合用于制造具有金属底层的盲通道，因为
第二激光输出不能烧蚀金属层。这样，这种两步加工法便提供了一深度
自限制的盲通道，因为第二激光功率输出不足以汽化掉金属底层，即使
当电介质被完全钻透之后第二激光功率输出还继续作用也是如此。本专
业的人员将会理解，第一和第二激光输出将是顺序相接的，或者是将一
系列的第一激光输出施加到靶40的一扩展表面面积上，然后再将一系列
的第二激光输出施加到该同一扩展表面面积上。
在第一优选实施例中，作为第一步，用一高强度的第一激光输出烧
蚀一金属层，作为第二步，用一低强度的且具有等光斑大小的第二激光
输出来烧蚀一底下的介电层。图5表示的一种方法通过改变激光系统10
的重复频率来改变Nd:YAG激光器输出的强度。图5示出的图形110
表示：对图14中所示例子3所代表的条件来说，激光输出的单位脉冲能
量(表示为单位能量值)与脉冲重复频率(表示为KHz)成反比。第一
激光输出的能量大于金属烧蚀阈值112，而第二激光输出的能量低于金
属烧蚀阈值112但高于电介质烧蚀阈值114。这样，可采取在阈值112
和114之间的任何功率密度在20kHz的频率上进行第二步骤。
在第二优选实施例中，采用一高强度的第一激光输出来烧蚀一金属
层，然后用一相等强度的但具有更大光斑直径的第二激光输出来烧蚀一
底下的介电层。图6示出的曲线120表示在单位脉冲能量和光斑直径之
间是一种反比关系(表示为单位能量和距离值)。图6示出第一激光输
出122的一脉冲的示范性曲线，它具有光斑直径为1以及足够的能量(高
于金属烧蚀阈值124)来烧蚀金属，以及第二激光输出126的一脉冲的
示范性曲线，它具有光斑直径为3以及足够的能量(高于电介质烧蚀阈
值128)来烧蚀电介质但却不能烧蚀金属。
在一第三实施例中，相对于第一激光输出的强度和光斑尺寸，第二
激光输出的强度被降低而其光斑直径被增大。如上文针对图1所讨论的
那样，可采用可变孔径、可调准直镜、或可变透镜元件来修正第一和第
二激光输出之间空间光斑体积。
图7定性示出对应于靶150和激光束焦平面152之间不同距离的光
斑大小的差别。参照图7，光斑面积154代表焦平面152上靶150方位
的光斑面积。光斑面积156和158逐次增大地代表较大的光斑面积，它
们分别对应于位于更接近或更离开激光源(图中未示出)的位置上的靶
150的部位，因而它们更远离焦平面152。
在这些一般的实施例中，第一激光输出的优选参数包括：在整个光
束光斑面积上测量的大于300mW的功率密度；小于约50μm且优选地为
约1～50μm的光斑直径或空间主轴；大于约200Hz，优选地为大于约
1kHz或甚至5kHz的重复频率；以及一优选地在约180～355nm之间的
紫外光波。加工输出光束62的优选参数被选择来用于采用短于100nS且
优选地为40～90μS或更低的时间脉冲宽度来防止某些热破坏效应。本
专业的人员也可以理解，输出光束62的光斑面积一般为圆形，但也可以
是稍呈椭圆形的。
图8A和8B为局部剖面图，示出形成靶160的一深度自限制盲通道
的顺序步骤，靶160由一位于顶导体层164和底导体层166之间的一电
介质层162组成。导体层164和166典型地由相同材料制成，例如铜。
图8A代表提供具有第一功率密度的激光束脉冲的第一步骤，该第一功率
密度高于导体层164的烧蚀阈值。图8B代表提供具有第二功率密度的激
光束脉冲的第二步骤，该第二功率密度低于导体层166的烧蚀阈值但却
高于介电层162的烧蚀阈值。这一两步法提供了一深度自限制盲通道，
因为激光束功率密度不足以在深度方向前进超出电介质之外以汽化掉导
体层166。
图9为一不完全顶层开口168的局部剖面图，开口168用于形成为
能根据本发明来加工的一孔或通道(图中以虚线表示)。图9所示的情
形产生于一不完全化学预蚀刻的金属顶层164，该金属顶层164并不将
靶上的介电层162曝光，靶原本打算被加工成通过该介电层，用图8A和
8B所描述的方法步骤可加工一进入靶的通道。
图10为靶170的局部剖面图，靶170相似于靶160但具有一位于
导体层166和一第三导体层174之间的第二介电层172。介电层172和
导体层166各自具有与介电层162和导体层166成相同比例的烧蚀阈
值。这样，导体层166和174各自成为靶170的中间层和底层。为在靶
170上形成一盲通道，现重复第一步骤通过将激光束脉冲增加至第一功率
密度来加工穿透层166，然后重复第二步骤通过将激光束脉冲降低至第
二功率密度来加工穿透介电层172，并最后停止在层174上。
图11为图10中的靶170的局部剖面图，但它具有一盲通道180，
其特征为从顶层164到底顶174在深度方向具有不断减小直径的阶梯式
宽度。宽度的改变是在相继的每一层材料被穿透之后通过有选择地减小
激光靶面积来达到的。
图12～19和图20～22为激光脉冲参数表，它们分别代表根据本
发明的方法来形成盲通道的采用355nm波长的例1～8以及采用266nm
的例9～11。这些激光脉冲以及产生的通道是用俄勒冈州波特兰市的
Electro Seientific Industries公司生产的5000型激光系统中的4577型紫
外激光器(355nm)或4573型紫外激光器(266nm)来产生的。
在图12～22中，表标题中的步骤1和步骤2通常列出导体层64
和介电层66的深度或厚度和材料，第一和第二激光器输出122和126则
分别指向这两层。在列标题中，通道尺寸是指顶部直径(或在通道为非
圆形情况下是指最长侧面表面尺寸)。步骤是指是否使用第一或第二激
光输出62以及表标题中的哪种材料作为靶40。速度指激光输出相对于
靶40表面移动的速率。重复频率指激光系统10所产生的每秒激光脉冲
数。功率指在激光输出62的重复频率上的平均功率。切入尺寸是指脉冲
覆盖或“切入”被激光输出62的每一脉冲所曝光的新鲜材料的量。路径
数是指用于形成通道的激光输出62所走的螺旋数或“套孔”数。有效光
斑是指对材料加工差值的可编程校正量。螺旋参数是指内径、从中心到
外径的转数、螺旋转数间的间距、以及从靶到焦平面的距离(以μm或
mils为单位)。本专业的人员将可理解，图12～22描述的是仅仅一些
用于实施本发明的可能的脉冲和通道参数的例子，而仍可能有许多其它
的变化型式。
本专业的人员将会理解，靶40可包括多组导体和介电层64和66，
且第一和第二激光输出122和126可被重复来制造穿过多组材料层的阶
梯式的、锥形的、或垂直边沿的通道。
对熟知本领域的人们来说也将理解，在不偏离本发明所包含的原理
的条件下，可以对本发明上述的实施例细节作出不同的改变。因此本发
明的范围仅能由下述的权利要求所确定。