超快激光在 M9 AI高速材料中的应用

从产业链信号来看，M9 等级高速材料及其对应的混压工艺已被多家头部 PCB 厂商在公开信息中提及，显示相关材料与制造路线正由验证阶段向量产链路推进。

需要强调的是，M9 的规模化应用并不只取决于材料性能本身，更取决于制造端的现实能力——包括加工工艺是否具备稳定量产窗口、良率能否长期受控以及成本是否具备下降空间。制造能力已成为制约 M9 放量节奏的核心因素，也为后续先进加工技术的引入奠定了背景。

从材料加工机理看，超快激光的核心特征在于脉冲持续时间极短、瞬时峰值功率高、能量沉积时间远短于材料的热扩散时间尺度。在激光与材料相互作用过程中，能量主要在电子体系内完成沉积与跃迁，随后材料发生快速相变或直接去除，而热量尚未来得及向周围区域扩散。

这一特性使得超快激光在加工过程中形成的热影响区显著缩小，微裂纹、分层及界面热损伤风险同步降低，尤其适合M9 这类脆硬、复合、多界面且结构高度集成的高速材料体系。

M9的核心特性为拥有极低的介电常数与损耗因子，为实现复杂的增强体系，如图1所示为M9材料的结构示意图，通常采用特种碳氢树脂与石英纤维布作为增强材料，这与普通FR-4用的环氧树脂和E-玻璃纤维有本质区别。

而激光加工M9材料的核心挑战主要体现在高性能树脂有着极强的热敏感性，传统激光的热效应会破坏树脂分子结构，导致碳化、Dk和Df劣化；除此之外，介质中包含的石英纤维与树脂的烧蚀阈值和机制差异巨大，极易导致加工后出现纤维突出、树脂凹缩、孔壁粗糙等问题。

因此，加工M9不是简单的“打孔”，而是一套以 “无热损伤” 为最高准则的精密系统工程，超快激光作为满足M9材料激光加工高质量要求的“技术必然路径”，笔者将从原理上来解释。

图1 M9材料的结构示意图

激光加工M9材料主要是利用特定波长与脉宽的激光与材料发生相互作用，通过光化学与光物理过程实现材料的精密去除，其终极目标是在形成所需微结构的同时，最大限度地保持M9材料原有的优异电学性能。

激光波长是材料被精密加工时吸收率和烧蚀程度的影响因素之一，一般来说，铜和绝缘基材对波长小于 0.38 μm 的紫外激光有着较好的吸收率，且紫外激光作用下铜与绝缘基材对紫外激光吸收率相差较小，有利于实现覆铜板不同层材料的同步烧蚀，同时紫外飞秒激光加工的非线性相互作用，紫外飞秒激光原则上可加工任何材料。

同时，飞秒激光具有极短脉冲宽度，单脉冲激光与材料作用时间短至10^-15s，脉冲宽度远小于热扩散时间，可最大限度地减小微孔加工热损伤。

笔者从微观尺度来分析，激光加工金属的过程可以分为非热烧蚀和热烧蚀两个部分，其分隔界限为电子-声子耦合的时间节点为皮秒量级。

一般长脉冲激光由于其较长的脉宽约10^-9s，激光作用于金属材料时能量传递过程完整，包含电子、声子与晶格间的多步耦合及充分的热扩散，这会导致显著的热传导效应和热影响区，材料主要通过熔化和部分汽化的热力学机制被去除，加工边缘因此产生明显的重熔层、熔渣和碎屑。

而飞秒激光因其极短的脉冲宽度，能量在电子-声子耦合发生前已被电子迅速吸收，导致电子温度急剧升高，随后通过电子-声子-晶格耦合，晶格温度在飞秒时间内瞬间上升，使材料直接汽化或转化为等离子体，从而实现几乎无热熔效应的“非热熔性”加工。

对于非金属材料来说，光化学的非辐射衰变是激光实际加工过程中去除材料最主要的机制，是通过化学反应的方式来实现能量的豫弛，这种衰变在微观上表现为分子的化学键断裂，在宏观上是材料发生光降解分解为其它物质来实现物质的迁移。

此外，在加工环境中存在的氧气会作为促降解物质参与到化学反应中，实际激光所引发的化学反应为光化学反应和光氧化混合反应两种方式，紫外飞秒激光的独特物理机制，为其实现M9材料的冷精密加工提供了理论上的可行性。

然而，要将这一理论潜力转化为稳定、高效、高质量的加工现实，必须对激光与材料相互作用过程中的能量投放时空序列进行精确控制。这直接依赖于对重复频率、单脉冲能量、扫描速度、光斑重叠率等核心工艺参数的协同优化。

在概述各工艺参数对加工效果影响前需分析飞秒激光作用下微孔的成形及演变过程，如图2所示为微孔加工方式示意图，加工系统将采用同心圆路径环形加工方式烧灼微孔边缘材料，其中图 2(b)灰色小圆形为激光脉冲与材料作用区域。 

图2 微孔加工方式 

M9材料作为一种高性能的层压复合材料，其微孔激光成型过程遵循多层异质材料的顺序加工原理。

笔者推测飞秒激光加工M9微孔的材料去除过程如图3所示，激光照射铜层初始阶段，铜首先气化，随着加工进行，材料温度上升，其对激光的吸收率增加，烧蚀机制转为热熔烧蚀，形成附着于孔壁的碎屑。

此阶段能量密度较高，可激发铜蒸气电离形成等离子体。烧蚀末期，热量通过铜层传导至下层基材，可能导致其受热分解。

夹层介质烧蚀阶段核心在于有机树脂与无机纤维对激光的响应存在本质差异，紫外飞秒激光对碳氢树脂基体主要诱发非线性吸收与光化学冷烧蚀，能将热影响与碳化降至最低，并通过树脂瞬时气化产生的高压蒸汽流为材料排出提供主要动力；而对于石英布，激光能量则主要引发其超快热熔融。

介质的去除并非独立，树脂剧烈气化产生的高速蒸汽对熔融石英纤维网络形成强烈的流体剪切作用，能实现有效的机械剥离。然而，该过程也面临关键挑战：熔融石英易因表面张力凝结成球或形成重铸“骨架”残留于孔壁，影响清洁度；若参数不当，还可能在两种材料界面引发微观分层。

图3 飞秒激光加工M9微孔的材料去除过程示意图:(a)首层铜烧蚀初始阶段、（b）首层铜烧蚀结束阶段、（c）基材烧蚀初始阶段、（d）基材烧蚀结束阶段

笔者基于以上紫外飞秒激光加工M9材料的原理，已使用自主研发的超快钻孔设备加工M9材料，此次M9材料来自国内某大厂，分别加工70、80、100 μm的盲孔来检测加工效果，盲孔效果图如表1所示：

表1 超快钻孔设备加工M9材料表格

如表1所示，设定的 BVH 值（70 μm, 80 μm, 100 μm）与最终加工出的孔径（70.982 μm, 80.773 μm, 99.138 μm）在误差允许范围内，盲孔圆度在所有孔径下均高于98%，最高达 99%。

这表明飞秒激光加工出的孔形状非常规则，接近理想圆形，除此之外我们可以看出盲孔的锥度随着孔径的增加而显著增加，这表明在加工更小、更深的孔时，孔的侧壁倾斜会更明显，这可能与激光光束的聚焦特性、景深或加工过程中的等离子体、碎屑屏蔽效应有关。

为了进一步更好地分析飞秒激光加工M9材料的工艺效果和一致性，我们进行了整板加工，如图4展示了整板中任意位置不同孔径大小盲孔的孔表面和孔底的形貌图。

从图中我们可以见该工艺能够实现孔径在70 μm至100 μm范围内精确可调的微盲孔加工，孔表面和孔底形态一致，平整，表明加工过程中深度控制良好，无明显锥度或底部不均匀现象。

图4 飞秒激光加工 M9 材料盲孔的扫描电子显微镜（SEM）图像

在PCB/HDI制造行业，加工后的孔只是一个物理结构，我们只能评估其尺寸、形状和表面形貌，镀铜后的孔才是一个电气互连功能件，它综合反映了激光加工的质量，前处理、化学沉铜工艺的质量，电镀工艺的质量，反映了最终产品的可靠性。

为了综合考验超快钻孔设备加工M9盲孔是否合格，我们将加工后的M9整板经过化学沉铜和电镀等工艺，得到了如图5所示的60 μm、70 μm、75 μm电镀后的切片图：

表2 超快钻孔设备加工M9材料电镀后切片图

根据表2可以得出以下结论：该飞秒激光加工在60-100 μm孔径范围内实现了高质量的盲孔制造，电镀前后对比表明，孔形规整、孔壁洁净、底部平整，铜层覆盖均匀完整且结合紧密，无镀铜缺陷，三种孔径均表现出良好的工艺一致性与可镀性，说明该工艺窗口宽、适应性强，具备高可靠性与量产潜力。