Лазер — это мощный луч света, который возбуждается, когда «луч» стимулируется внешним стимулом, который увеличивает его энергию. Инфракрасный и видимый свет обладают тепловой энергией, а ультрафиолетовый свет — оптической. Когда этот тип света попадает на поверхность заготовки, происходят три явления: отражение, поглощение и проникновение.
Основная функция лазерного сверления – обеспечить возможность быстрого удаления обрабатываемого материала подложки, в основном путем фототермической абляции и фотохимической абляции или так называемого иссечения.
- Фототермическая абляция: принцип образования отверстий, при котором обрабатываемый материал поглощает лазерный свет высокой энергии, нагревается до плавления за очень короткое время и испаряется. Этот метод процесса в материале подложки подвергается воздействию высокой энергии, в отверстии, образованном стенкой из почерневшего карбонизированного остатка, отверстие необходимо предварительно очистить.
- Фотохимическая абляция: относится к ультрафиолетовой области, имеет высокую энергию фотонов (более 2 эВ электрон-вольт), длина волны лазера более 400 нанометров фотонов высокой энергии играет роль в результатах. Эти высокоэнергетические фотоны могут разрушить длинную молекулярную цепочку органических материалов, стать более мелкими частицами, а их энергия больше, чем у исходных молекул, чрезвычайная сила, от которой можно избежать, в случае внешнего присасывания, так что материал подложки быстро удаляется и образуется микропористость. Этот тип процесса не содержит термического сжигания и не приводит к карбонизации. Поэтому перед порацией очень легко очиститься. Это основные принципы формирования лазерных дырок. В настоящее время наиболее часто используются два типа лазерного сверления: сверление печатных плат с помощью лазеров, в основном газовых CO2-лазеров с радиочастотным возбуждением и твердотельных УФ-лазеров Nd:YAG.
- О поглощении подложки: эффективность лазера напрямую зависит от поглощающей способности материала подложки. Печатные платы изготовлены из медной фольги, комбинации стеклоткани и смолы, поглощение этих трех материалов также различно из-за разных длин волн, но медная фольга и стеклоткань в ультрафиолете 0.3mμ ниже области Скорость поглощения выше, но в видимый свет и ИК после существенного снижения. С другой стороны, материалы из органических смол могут поддерживать довольно высокую скорость поглощения во всех трех спектральных диапазонах. Это характеристика полимерных материалов, которая лежит в основе популярности процесса лазерного сверления.
Какие виды лазерного сверления доступны на заводах по производству печатных плат?
Лазер — это мощный луч света, который возбуждается, когда «лучи» стимулируются внешним стимулом, который увеличивает его энергию: инфракрасный и видимый свет имеют тепловую энергию, а ультрафиолетовый свет имеет оптическую энергию. Когда этот тип света попадает на поверхность заготовки, происходят три явления: отражение, поглощение и проникновение. Основная функция лазерного сверления – обеспечить возможность быстрого удаления обрабатываемого материала подложки, что осуществляется в основном путем фототермической абляции и фотохимической абляции или так называемого иссечения.
Для лазерного сверления при коммерческом производстве печатных плат используются две лазерные технологии: CO2-лазеры с длинами волн в дальнем инфракрасном диапазоне и УФ-лазеры с длинами волн в ультрафиолетовом диапазоне. CO2-лазеры широко используются при производстве промышленных микроотверстий в печатных платах. , которые должны иметь диаметр более 100 мкм (Raman, 2001). Для изготовления таких отверстий с большой апертурой CO2-лазеры очень эффективны из-за очень короткого времени штамповки, необходимого для изготовления больших апертур с помощью CO2-лазеров. УФ-лазерная технология широко используется при изготовлении микроотверстий диаметром менее 100 мкм и даже менее 50 мкм с использованием микросхем соединений. УФ-лазерная технология очень продуктивна при изготовлении отверстий диаметром менее 80 мкм. Поэтому, чтобы удовлетворить растущий спрос на производительность микроотверстий, многие производители печатных плат начали внедрять системы лазерного сверления с двумя головками.
Ниже приведены три основных типа систем лазерного сверления с двумя головками, доступных сегодня на рынке:
- Системы УФ-лазерного сверления с двумя головками
- Системы лазерного бурения с двумя головками CO2; и
- Системы лазерного сверления (CO2 и УФ)
Все эти типы буровых систем имеют свои преимущества и недостатки. Системы лазерного сверления можно просто разделить на два типа: системы с двойным сверлом и одной длиной волны и системы с двойным сверлом и двойной длиной волны.
Независимо от типа, на возможность сверления отверстий влияют два основных компонента:
- Энергия лазера/энергия импульса
- Система позиционирования луча
Энергия лазерного импульса и эффективность доставки луча определяют время сверления, время сверления — это время, за которое лазерное сверло просверливает микропроходное отверстие, а система позиционирования луча определяет скорость, с которой он может перемещаться между двумя отверстия. Вместе эти факторы определяют скорость, с которой станок лазерного сверления может создавать микроотверстия, необходимые для выполнения данного требования. УФ-лазерные системы с двумя головками лучше всего подходят для сверления отверстий диаметром менее 90 мкм в интегральных схемах с высоким соотношением сторон.
В системе CO2-лазера с двумя головками используется Q-модулированный CO2-лазер с радиочастотным возбуждением. Основными преимуществами этой системы являются высокая повторяемость (до 100 кГц), короткое время сверления и широкая рабочая поверхность, что позволяет просверлить глухое отверстие всего за несколько проходов, при этом качество просверленных отверстий можно улучшить. низкий.
Наиболее распространенной системой лазерного сверления с двумя головками является гибридная система лазерного сверления, которая состоит из УФ-лазерной головки и CO2-лазерной головки. Этот комбинированный гибридный метод лазерного сверления позволяет одновременно сверлить медь и диэлектрики. Медь сверлится с помощью УФ-лазера для создания отверстия желаемого размера и формы, а CO2-лазер используется для сверления непокрытого диэлектрика сразу после этого. Процесс бурения осуществляется путем бурения блока размером 2х2 дюйма, называемого полем.
CO2-лазер эффективно удаляет диэлектрики, даже неоднородные диэлектрики, армированные стекловолокном. Однако один CO2-лазер не может делать небольшие отверстия (менее 75 мкм) и удалять медь, за немногими исключениями, которые позволяют удалять предварительно обработанную тонкую медную фольгу толщиной менее 5 мкм (Лустино, 2002). УФ-лазер способен проделывать очень маленькие отверстия и удалять все обычные медные дорожки (3 - 36 мкм, 1 унция, даже медную фольгу с покрытием). УФ-лазер также может удалять диэлектрические материалы, но с меньшей скоростью. Более того, для неоднородных материалов, например армированного стекла FR-4, результаты обычно плохие. Это связано с тем, что стекло можно снять только в том случае, если плотность энергии увеличится до определенного уровня, что также разрушает внутренние подушки. Поскольку лазерная система состоит из УФ-лазера и CO 2 -лазера, она оптимальна в обеих областях: с помощью УФ-лазера можно обрабатывать все медные фольги и небольшие отверстия, а с помощью CO 2-лазера можно быстро сверлить диэлектрики. На рисунке показана конструкция системы лазерного сверления с двумя головками и программируемым интервалом сверления. Расстояние между двумя сверлами можно регулировать самостоятельно в соответствии с расположением компонентов, что обеспечивает максимальную эффективность лазерного сверления.
В настоящее время расстояние между двумя сверлами фиксировано в большинстве систем лазерного сверления с двумя головками и технологией пошагового позиционирования луча. Преимуществом самого шагового лазерного пульта дистанционного управления является большой диапазон регулировки домена (до (50 X 50) мкм). Недостаток заключается в том, что лазерный телеконвертер необходимо перемещать по фиксированному полю, а расстояние между двумя сверлами фиксировано. Расстояние между двумя сверлами типичного лазерного дистанционного регулятора с двумя головками фиксировано (приблизительно 150 мкм). Для панелей разных размеров невозможно оптимально настроить сверла с фиксированным расстоянием для выполнения операции, а также сверла с программируемым расстоянием.
Сегодняшние системы лазерного сверления с двумя головками доступны в широком диапазоне размеров и характеристик как для мелких производителей печатных плат, так и для крупных производителей печатных плат.
Керамический оксид алюминия используется при производстве печатных плат из-за его высокой диэлектрической проницаемости. Однако из-за его хрупкости процесс сверления, необходимый для проводки и сборки, сложен с использованием стандартных инструментов, поскольку необходимо свести к минимуму механическое напряжение, что хорошо для лазерного сверления. Рангель и др. (1997) продемонстрировали, что подложки из оксида алюминия, а также подложки из оксида алюминия, покрытые золотом и анкерами, можно сверлить с использованием настроенного лазера QNd:YAG. Использование короткоимпульсного низкоэнергетического лазера с высокой пиковой мощностью позволило избежать повреждения образца механическим воздействием и получить качественные сквозные отверстия диаметром менее 100 мкм. Эта технология успешно применяется в малошумящих усилителях СВЧ в диапазоне частот 8 - 18 ГГц.
Лазерная технология Nd:YAG использовалась для обработки как глухих, так и сквозных отверстий в широком спектре материалов. Среди них — сверление пилотных отверстий в полиимидных ламинатах, плакированных медью, с минимальным диаметром отверстий 25 микрон. Анализируя себестоимость продукции, наиболее экономичный используемый диаметр составляет 25-125 микрон. Скорость сверления 10,000 отверстий/мин. Можно использовать процесс прямой лазерной штамповки, диаметр отверстия до 50 микрон. Внутренняя поверхность формованных отверстий чистая, не имеет карбонизации и легко покрывается металлом. То же самое может быть и в ламинате с медным покрытием из ПТФЭ, просверливающем сквозные отверстия, наименьший диаметр отверстия - 25 микрон, самый экономичный диаметр - 25-125 микрон. Скорость сверления 4500 отверстий/мин. Предварительного травления окон не требуется. Полученные отверстия являются чистыми и не требуют дополнительных специальных требований к обработке.
