Un làser és un potent feix de llum que s'excita quan un "raig" és estimulat per un estímul extern que augmenta la seva energia. La llum infraroja i visible tenen energia tèrmica, mentre que la llum ultraviolada té energia òptica. Quan aquest tipus de llum incideix sobre la superfície d'una peça, es produeixen tres fenòmens: reflexió, absorció i penetració.
La funció principal de la perforació làser és poder eliminar ràpidament el material del substrat a processar, principalment per ablació fototèrmica i ablació fotoquímica o l'anomenada escisió.
- Ablació fototèrmica: el principi de formació de forats en què el material a processar absorbeix la llum làser d'alta energia, s'escalfa fins a fondre en molt poc temps i s'evapora. Aquest mètode de procés en el material del substrat està sotmès a una gran energia, al forat format per la paret del residu carbonitzat ennegrit, el forat s'ha de netejar abans.
- Ablació fotoquímica: es refereix a la regió ultraviolada que té una alta energia de fotons (més de 2 eV electron volt), una longitud d'ona làser de més de 400 nanòmetres de fotons d'alta energia juguen un paper en els resultats. Aquests fotons d'alta energia poden destruir la llarga cadena molecular dels materials orgànics, convertir-se en partícules més petites i la seva energia és més gran que les molècules originals, la força extrema de la qual escapar, en el cas de la succió externa, de manera que el material del substrat s'elimina ràpidament i la formació de microporoses. Aquest tipus de procés no conté combustió tèrmica i no produeix carbonització. Per tant, és molt fàcil de netejar abans de la porció. Aquests són els principis bàsics de la formació de forats làser. Actualment, els dos tipus de perforació làser més utilitzats: la perforació de plaques de circuit imprès amb làsers són principalment làsers de gas CO2 excitats per RF i làsers UV d'estat sòlid Nd: YAG.
- Sobre l'absorbància del substrat: la taxa d'èxit del làser té una relació directa amb l'absorbància del material del substrat. Les plaques de circuit imprès estan fetes de làmina de coure i drap de vidre i combinació de resina, l'absorbància d'aquests tres materials també és diferent a causa de les diferents longituds d'ona, però la làmina de coure i la tela de vidre a l'ultraviolat 0.3mμ per sota de la regió de la taxa d'absorció és més alta, però a la llum visible i IR després d'una disminució substancial. Els materials de resina orgànica, d'altra banda, poden mantenir una taxa d'absorció força alta a les tres bandes espectrals. Aquesta és la característica que tenen els materials de resina i és la base de la popularitat del procés de perforació làser.
Quins tipus de perforació làser hi ha disponibles a les fàbriques de PCB?
Un làser és un feix de llum potent que s'excita quan els "raigs" són estimulats per un estímul extern que augmenta la seva energia, amb la llum infraroja i visible amb energia tèrmica i la llum ultraviolada amb energia òptica. Quan aquest tipus de llum incideix sobre la superfície d'una peça, es produeixen tres fenòmens: reflexió, absorció i penetració. La funció principal de la perforació làser és poder eliminar ràpidament el material del substrat a processar, que és principalment per ablació fototèrmica i ablació fotoquímica o l'anomenada escisió.
S'utilitzen dues tecnologies làser per a la perforació làser en la producció comercial de PCB: làsers de CO2 amb longituds d'ona a la banda d'infraroig llunyà i làsers UV amb longituds d'ona a la banda ultraviolada. Els làsers de CO2 s'utilitzen àmpliament en la producció de forats de micropass industrials en plaques de circuit imprès. , que han de tenir diàmetres superiors a 100 μm (Raman, 2001). Per a la fabricació d'aquests forats de gran obertura, els làsers de CO2 són molt productius a causa del temps de perforació molt curt necessari per a la fabricació de grans obertures amb làsers de CO2. La tecnologia làser UV s'utilitza àmpliament en la fabricació de microvies amb diàmetres inferiors a 100 μm i fins i tot menys de 50 μm amb l'ús de diagrames de cablejat microfabricats. La tecnologia làser UV és molt productiva en la producció de forats amb un diàmetre inferior a 80 μm. Per tant, per satisfer la creixent demanda de productivitat de microvia, molts fabricants de PCB han començat a introduir sistemes de perforació làser de doble capçal.
Els següents són els tres tipus principals de sistemes de perforació làser de capçal dual disponibles al mercat actual:
- Sistemes de perforació làser UV de doble capçal
- Sistemes de perforació làser CO2 de doble capçal; i
- Sistemes de perforació làser amb pal (CO2 i UV)
Tots aquests tipus de sistemes de perforació tenen els seus propis avantatges i inconvenients. Els sistemes de perforació làser es poden dividir simplement en dos tipus, sistemes de perforació dual de longitud d'ona única i sistemes de perforació dual de longitud d'ona dual.
Independentment del tipus, hi ha dos components principals que afecten la capacitat de perforar forats:
- L'energia làser/energia del pols
- El sistema de posicionament del feix
L'energia del pols làser i l'eficiència del lliurament del feix determinen el temps de perforació, el temps de perforació és el temps que triga el trepant làser a perforar un forat de micropass i el sistema de posicionament del feix determina la velocitat a la qual es pot moure entre dos forats. En conjunt, aquests factors determinen la velocitat a la qual la màquina de perforació làser pot produir les microvies necessàries per a un requisit determinat. Els sistemes làser UV de doble capçal són els més adequats per perforar forats de menys de 90 μm en circuits integrats amb altes relacions d'aspecte.
El sistema làser de CO2 de doble capçal utilitza un làser de CO2 excitat per RF modulat en Q. Els principals avantatges d'aquest sistema són l'alta repetibilitat (fins a 100 kHz), els temps de perforació curts i l'àmplia superfície d'operació, que permet perforar un forat cec amb només unes poques passades, però la qualitat dels forats es pot fer. baix.
El sistema de perforació làser de doble capçal més comú és el sistema de perforació làser híbrid, que consta d'un capçal làser UV i un capçal làser de CO2. Aquest mètode de perforació làser híbrid combinat permet la perforació simultània de coure i dielèctrics. El coure es perfora amb el làser UV per crear la mida i la forma desitjades del forat, i el làser de CO2 s'utilitza per perforar el dielèctric descobert immediatament després. El procés de perforació s'aconsegueix perforant un bloc de 2 polzades X 2 polzades anomenat camp.
El làser de CO2 elimina eficaçment els dielèctrics, fins i tot els dielèctrics reforçats amb vidre no uniformes. No obstant això, un únic làser de CO2 no pot fer forats petits (menys de 75 μm) i eliminar coure, amb les poques excepcions que pot eliminar làmines primes de coure pretractades de menys de 5 μm (lustino, 2002). El làser UV és capaç de fer forats molt petits i eliminar tots els carrers de coure habituals (3 - 36 μm, 1 oz, fins i tot làmines de coure xapades). El làser UV també pot eliminar materials dielèctrics sol, però a un ritme més lent. A més, per a materials no uniformes, per exemple, vidre reforçat FR-4, els resultats solen ser pobres. Això es deu al fet que el vidre només es pot treure si la densitat d'energia augmenta fins a un cert nivell, la qual cosa també destrueix els coixinets interiors. Atès que el sistema làser stick consta d'un làser UV i un làser de CO 2, és òptim en ambdues zones, amb el làser UV es poden fer totes les làmines de coure i forats petits, i amb el làser de CO 2 els dielèctrics es poden perforar ràpidament. La figura il·lustra l'estructura d'un sistema de perforació làser de dos capçals amb espai de perforació programable. L'espai entre els dos trepants es pot ajustar per si mateix segons la disposició dels components, cosa que garanteix la màxima capacitat de perforació làser.
Actualment, l'espai entre els dos trepants es fixa en la majoria de sistemes de perforació làser de doble cap amb tecnologia de posicionament de feix de pas i repetició. L'avantatge del comandament a distància làser de pas i repetició és el gran rang d'ajust del domini (fins a (50 X 50) μm). El desavantatge és que el teleconvertidor làser s'ha de posar sobre un camp fix i l'espai entre els dos trepants és fix. La distància entre els dos trepants d'un regulador remot làser típic de dos capçals és fixa (aproximadament 150 μm). Per a diferents mides de panells, els simulacres de distància fixa no es poden configurar de manera òptima per completar l'operació, així com els simuladors d'espaiat programable.
Els sistemes de perforació làser de dos capçals actuals estan disponibles en una àmplia gamma de mides i rendiments tant per als fabricants de PCB a petita escala com per als fabricants de PCB de gran volum.
L'òxid d'alumini ceràmic s'utilitza en la fabricació de plaques de circuit imprès a causa de la seva elevada constant dielèctrica. No obstant això, a causa de la seva fragilitat, el procés de perforació necessari per al cablejat i el muntatge és difícil amb les eines estàndard, ja que s'ha de minimitzar l'estrès mecànic, cosa que és bo per a la perforació làser.Rangel et al. (1997) van demostrar que per a substrats d'alúmina, així com per a substrats d'alúmina recoberts d'or i ancoratges, és possible perforar amb un làser QNd:YAG ajustat. L'ús d'un làser de pols curt, baixa energia i alta potència màxima va ajudar a evitar danys a la mostra per l'estrès mecànic i va produir forats passants d'alta qualitat amb diàmetres inferiors a 100 μm. Aquesta tecnologia s'utilitza amb èxit en amplificadors de microones de baix soroll en el rang de freqüències de 8 - 18 GHz.
La tecnologia làser Nd:YAG s'ha utilitzat per processar forats cecs i passants en una àmplia gamma de materials. Entre aquests, hi ha la perforació de forats pilot en laminats recoberts de coure de poliimida amb un diàmetre de forat mínim de 25 micres. Analitzant el cost de producció, el diàmetre més econòmic utilitzat és de 25-125 micres. La velocitat de perforació és de 10,000 forats/min. Es pot utilitzar un procés de perforació làser directe, un diàmetre del forat de fins a 50 micres. La superfície interior dels forats modelats està neta i lliure de carbonització i es pot xapar fàcilment. El mateix també pot passar amb el laminat de coure de PTFE que perfora els forats, el diàmetre de forat més petit de 25 micres, el diàmetre més econòmic utilitzat per a 25-125 micres. La velocitat de perforació és de 4500 forats/min. No cal gravar prèviament les finestres. Els forats resultants estan nets i no requereixen requisits de processament especials addicionals.
