Un laser este un fascicul puternic de lumină care este excitat atunci când o „rază” este stimulată de un stimul extern care îi crește energia. Lumina infraroșie și vizibilă au energie termică, în timp ce lumina ultravioletă are energie optică. Când acest tip de lumină lovește suprafața unei piese de prelucrat, apar trei fenomene: reflexie, absorbție și penetrare.
Funcția principală a găuririi cu laser este de a putea îndepărta rapid materialul de substrat care urmează să fie prelucrat, în principal prin ablație fototermică și ablație fotochimică sau așa-numita excizie.
- Ablația foto-termică: Principiul formării găurilor în care materialul de prelucrat absoarbe lumina laser de mare energie, se încălzește până la topire într-un timp foarte scurt și este evaporat. Această metodă de proces în materialul substratului este supusă unei energii mari, în gaura formată de peretele reziduului carbonizat înnegrit, orificiul trebuie curățat înainte.
- Ablația fotochimică: se referă la regiunea ultravioletă are o energie fotonică mare (mai mult de 2 eV electron volt), lungimea de undă laser de peste 400 de nanometri de fotoni de înaltă energie joacă un rol în rezultate. Acești fotoni de înaltă energie pot distruge lanțul molecular lung al materialelor organice, pot deveni particule mai mici, iar energia sa este mai mare decât moleculele originale, forța extremă din care să scape, în cazul aspirației externe, astfel încât materialul substratului se îndepărtează rapid și se formează microporoase. Acest tip de proces nu conține ardere termică și nu produce carbonizare. Prin urmare, este foarte ușor de curățat înainte de porție. Acestea sunt principiile de bază ale formării găurilor cu laser. În prezent, cele mai frecvent utilizate două tipuri de găurire cu laser: găurirea plăcilor de circuit imprimat cu lasere sunt în principal lasere cu gaz CO2 excitate de RF și lasere UV cu stare solidă Nd: YAG.
- Despre absorbanța substratului: rata de succes a laserului are o relație directă cu absorbanța materialului substratului. Plăcile de circuite imprimate sunt realizate din folie de cupru și combinație de pânză de sticlă și rășină, absorbanța acestor trei materiale este, de asemenea, diferită din cauza lungimilor de undă diferite, dar folia de cupru și pânza de sticlă în ultraviolete 0.3mμ sub regiunea de rata de absorbție este mai mare, dar în lumina vizibilă și IR după o scădere substanțială. Materialele de rășină organică, pe de altă parte, pot menține o rată de absorbție destul de ridicată în toate cele trei benzi spectrale. Aceasta este caracteristica pe care o au materialele rășinoase și stă la baza popularității procesului de foraj cu laser.
Ce tipuri de foraj cu laser sunt disponibile în fabricile de PCB?
Un laser este un fascicul puternic de lumină care este excitat atunci când „razele” sunt stimulate de un stimul extern care îi crește energia, lumina infraroșie și vizibilă având energie termică și lumina ultravioletă având energie optică. Când acest tip de lumină lovește suprafața unei piese de prelucrat, apar trei fenomene: reflexie, absorbție și penetrare. Funcția principală a găuririi cu laser este de a putea îndepărta rapid materialul de substrat care urmează să fie prelucrat, care este în principal prin ablație fototermică și ablație fotochimică sau așa-numita excizie.
Două tehnologii laser sunt utilizate pentru găurirea cu laser în producția comercială de PCB: lasere CO2 cu lungimi de undă în banda de infraroșu îndepărtat și lasere UV cu lungimi de undă în banda ultravioletă. Laserele CO2 sunt utilizate pe scară largă în producția de găuri industriale micropass în plăcile de circuite imprimate. , care trebuie să aibă diametre mai mari de 100 μm (Raman, 2001). Pentru fabricarea acestor găuri cu deschidere mare, laserele cu CO2 sunt foarte productive datorită timpului de perforare foarte scurt necesar pentru fabricarea unor deschideri mari cu lasere cu CO2. Tehnologia laser UV este utilizată pe scară largă la fabricarea microviilor cu diametre mai mici de 100 μm și chiar mai mici de 50 μm cu ajutorul diagramelor de cablare microfabricate. Tehnologia laser UV este foarte productivă în realizarea găurilor cu un diametru mai mic de 80 μm. Prin urmare, pentru a satisface cererea tot mai mare de productivitate microvia, mulți producători de PCB au început să introducă sisteme de foraj cu laser cu cap dublu.
Următoarele sunt cele trei tipuri principale de sisteme de foraj cu laser cu două capete disponibile pe piață astăzi:
- Sisteme de foraj cu laser UV cu două capete
- Sisteme de foraj cu laser CO2 cu două capete; și
- Sisteme de foraj cu laser stick (CO2 și UV)
Toate aceste tipuri de sisteme de foraj au propriile avantaje și dezavantaje. Sistemele de foraj cu laser pot fi pur și simplu împărțite în două tipuri, sisteme de foraj dublu cu o singură lungime de undă și sisteme de foraj dublu cu lungime de undă dublă.
Indiferent de tip, există două componente principale care afectează capacitatea de a găuri:
- Energia laser/energia pulsului
- Sistemul de poziționare a fasciculului
Energia impulsului laser și eficiența livrării fasciculului determină timpul de găurire, timpul de găurire este timpul necesar burghiului cu laser pentru a găuri o gaură micropass, iar sistemul de poziționare a fasciculului determină viteza cu care se poate deplasa între două găuri. Împreună, acești factori determină viteza cu care mașina de găurit cu laser poate produce microviale necesare pentru o anumită cerință. Sistemele laser UV cu două capete sunt cele mai potrivite pentru găuri mai mici de 90 μm în circuite integrate cu raporturi de aspect ridicate.
Sistemul cu laser CO2 cu cap dublu folosește un laser CO2 excitat RF cu modul Q. Principalele avantaje ale acestui sistem sunt repetabilitatea ridicată (până la 100 kHz), timpii scurti de găurire și suprafața largă de operare, care permite găurirea unei găuri oarbe cu doar câteva treceri, dar calitatea găurilor găurite poate fi scăzut.
Cel mai comun sistem de găurire cu laser cu două capete este sistemul de găurire cu laser hibrid, care constă dintr-un cap laser UV și un cap laser CO2. Această metodă combinată de foraj cu laser hibrid permite găurirea simultană a cuprului și a dielectricilor. Cuprul este forat cu laserul UV pentru a crea dimensiunea și forma dorite a găurii, iar laserul CO2 este folosit pentru a găuri dielectricul descoperit imediat după aceea. Procesul de foraj este realizat prin forarea unui bloc de 2 in X 2 in numit câmp.
Laserul cu CO2 elimină eficient dielectricii, chiar și dielectricii neuniformi armați cu sticlă. Cu toate acestea, un singur laser cu CO2 nu poate face găuri mici (mai puțin de 75 μm) și îndepărta cuprul, cu puținele excepții că poate îndepărta foliile subțiri de cupru pre-tratate de mai puțin de 5 μm (lustino, 2002). Laserul UV este capabil să facă găuri foarte mici și să îndepărteze toate străzile obișnuite de cupru (3 - 36 μm, 1oz, chiar și folii de cupru placate). Laserul UV poate elimina, de asemenea, materialele dielectrice singur, dar într-un ritm mai lent. Mai mult, pentru materialele neuniforme, de exemplu sticlă armată FR-4, rezultatele sunt de obicei slabe. Acest lucru se datorează faptului că sticla poate fi îndepărtată numai dacă densitatea de energie este crescută la un anumit nivel, ceea ce distruge și plăcuțele interioare. Deoarece sistemul stick laser constă dintr-un laser UV și un laser CO 2, este optim în ambele zone, cu laserul UV se pot face toate foliile de cupru și găurile mici, iar cu laserul CO 2 dielectricii pot fi găuriți rapid. Figura oferă o ilustrare a structurii unui sistem de foraj cu laser cu două capete cu distanță programabilă de găurire. Distanța dintre cele două burghie poate fi ajustată de la sine în funcție de aspectul componentelor, ceea ce asigură o capacitate maximă de găurire cu laser.
În zilele noastre, distanța dintre cele două burghie este fixată în majoritatea sistemelor de foraj cu laser cu cap dublu cu tehnologie de poziționare a fasciculului step-and-repeat. Avantajul telecomenzii laser step-and-repeat în sine este domeniul mare de reglare a domeniului (până la (50 X 50) μm). Dezavantajul este că teleconvertorul laser trebuie să fie treptat peste un câmp fix, iar distanța dintre cele două burghie este fixă. Distanța dintre cele două burghie ale unui regulator de la distanță laser cu două capete este fixă (aproximativ 150 μm). Pentru diferite dimensiuni de panou, burghiele cu distanță fixă nu pot fi configurate optim pentru a finaliza operațiunea, precum și burghiile cu distanță programabilă.
Sistemele de foraj cu laser cu două capete de astăzi sunt disponibile într-o gamă largă de dimensiuni și performanțe atât pentru producătorii de PCB la scară mică, cât și pentru producătorii de PCB de mare volum.
Oxidul de aluminiu ceramic este utilizat la fabricarea plăcilor de circuite imprimate datorită constantei sale dielectrice ridicate. Cu toate acestea, din cauza fragilității sale, procesul de găurire necesar pentru cablare și asamblare este dificil cu uneltele standard, deoarece stresul mecanic trebuie redus la minimum, ceea ce este un lucru bun pentru găurirea cu laser.Rangel și colab. (1997) au demonstrat că pentru substraturile de alumină, precum și pentru substraturile de alumină acoperite cu aur și ancore, este posibil să se găurize folosind un laser QNd:YAG reglat. Utilizarea unui laser cu impulsuri scurte, energie scăzută și putere de vârf a contribuit la evitarea deteriorării probei prin stres mecanic și a produs găuri traversante de înaltă calitate cu diametre mai mici de 100 μm. Această tehnologie este utilizată cu succes în amplificatoarele cu microunde cu zgomot redus în intervalul de frecvență de 8 - 18 GHz.
Tehnologia laser Nd:YAG a fost folosită pentru a prelucra atât găurile oarbe, cât și cele traversante într-o gamă largă de materiale. Printre acestea se numără găurirea găurilor pilot în laminate placate cu cupru poliimid cu un diametru minim al găurii de 25 microni. Analizând costul de producție, cel mai economic diametru folosit este de 25-125 microni. Viteza de găurire este de 10,000 găuri/min. Procesul de perforare cu laser direct poate fi utilizat, diametrul găurii de până la 50 de microni. Suprafața interioară a găurilor turnate este curată și lipsită de carbonizare și poate fi placată cu ușurință. Același lucru se poate întâmpla și în găurile laminate placate cu cupru PTFE, cel mai mic diametru al găurii de 25 de microni, cel mai economic diametru folosit pentru 25-125 microni. Viteza de găurire este de 4500 găuri/min. Nu este necesară pregravarea ferestrelor. Găurile rezultate sunt curate și nu necesită cerințe suplimentare de prelucrare speciale.
