Lazeris yra galingas šviesos spindulys, kuris sužadinamas, kai „spindulį“ stimuliuoja išorinis dirgiklis, padidinantis jo energiją. Infraraudonoji ir matoma šviesa turi šiluminę energiją, o ultravioletinė šviesa – optinę. Kai tokio tipo šviesa patenka į ruošinio paviršių, atsiranda trys reiškiniai: atspindys, sugertis ir prasiskverbimas.
Pagrindinė lazerinio gręžimo funkcija yra galimybė greitai pašalinti apdorojamą substrato medžiagą, daugiausia fototerminės abliacijos ir fotocheminės abliacijos arba vadinamosios ekscizijos būdu.
- Fototerminė abliacija: skylių susidarymo principas, kai apdorojama medžiaga sugeria didelės energijos lazerio šviesą, per labai trumpą laiką įkaista iki ištirpimo ir išgarinama. Šis proceso būdas substrato medžiagoje yra veikiamas didelės energijos, pajuodusio karbonizuoto likučio sienelės suformuotoje skylėje skylę prieš tai reikia išvalyti.
- Fotocheminė abliacija: reiškia, kad ultravioletinė sritis turi didelę fotonų energiją (daugiau nei 2 eV elektronų voltus), lazerio bangos ilgis yra didesnis nei 400 nanometrų didelės energijos fotonai. Šie didelės energijos fotonai gali sunaikinti ilgą organinių medžiagų molekulinę grandinę, tapti mažesnėmis dalelėmis, o jo energija yra didesnė nei pradinių molekulių, o tai yra didžiulė jėga, nuo kurios ištrūkti, esant išoriniam gnybtam siurbimui, todėl substrato medžiaga. greitai pašalinamas ir susidaro mikroporos. Šio tipo procesas nevyksta terminio degimo ir nesukelia karbonizacijos. Todėl jį labai lengva išvalyti prieš poravimą. Tai yra pagrindiniai lazerinių skylių formavimo principai. Šiuo metu dažniausiai naudojami du lazerinio gręžimo tipai: spausdintinės plokštės gręžimas lazeriais yra daugiausia RF sužadinami CO2 dujų lazeriai ir UV kietojo kūno Nd: YAG lazeriai.
- Pagrindo absorbcija: lazerio sėkmės rodiklis yra tiesiogiai susijęs su substrato medžiagos absorbcija. Spausdintinės plokštės yra pagamintos iš vario folijos ir stiklo audinio bei dervos derinio, šių trijų medžiagų sugertis taip pat skiriasi dėl skirtingų bangos ilgių, tačiau vario folija ir stiklo audinys ultravioletinėje 0.3 mμ žemiau srities sugerties greitis yra didesnis, bet į matomą šviesą ir IR po esminio sumažėjimo. Kita vertus, organinės dervos medžiagos gali išlaikyti gana aukštą absorbcijos greitį visose trijose spektro juostose. Tai yra dervos medžiagų savybė ir yra lazerinio gręžimo proceso populiarumo pagrindas.
Kokie lazerinio gręžimo būdai yra PCB gamyklose?
Lazeris yra galingas šviesos spindulys, kuris sužadinamas, kai „spindulius“ stimuliuoja išorinis dirgiklis, padidinantis jo energiją, infraraudonoji ir matoma šviesa turi šiluminę energiją, o ultravioletinė šviesa – optinę energiją. Kai tokio tipo šviesa patenka į ruošinio paviršių, atsiranda trys reiškiniai: atspindys, sugertis ir prasiskverbimas. Pagrindinė lazerinio gręžimo funkcija yra galimybė greitai pašalinti apdorojamą substrato medžiagą, kuri daugiausia yra fototerminė abliacija ir fotocheminė abliacija arba vadinamoji ekscizija.
Komercinėje PCB gamyboje lazeriniam gręžimui naudojamos dvi lazerinės technologijos: CO2 lazeriai, kurių bangos ilgiai yra tolimojo infraraudonųjų spindulių juostoje, ir UV lazeriai, kurių bangos ilgiai yra ultravioletinėje juostoje.CO2 lazeriai plačiai naudojami pramoninių mikropradinių skylių spausdinimo plokštėse gamyboje. , kurių skersmuo turi būti didesnis nei 100 μm (Raman, 2001). Gaminant šias dideles apertūras, CO2 lazeriai yra labai produktyvūs dėl labai trumpo perforavimo laiko, reikalingo didelėms angoms gaminti naudojant CO2 lazerius. UV lazerio technologija plačiai naudojama gaminant mikrovielius, kurių skersmuo mažesnis nei 100 μm, ir net mažesnis nei 50 μm, naudojant mikrofabrikuotas laidų schemas. UV lazerio technologija yra labai produktyvi gaminant skyles, kurių skersmuo mažesnis nei 80 μm. Todėl, siekdami patenkinti didėjantį mikrovių našumo poreikį, daugelis PCB gamintojų pradėjo diegti dviejų galvučių lazerinio gręžimo sistemas.
Toliau pateikiami trys pagrindiniai šiandien rinkoje siūlomų dviejų galvučių lazerinio gręžimo sistemų tipai:
- Dviejų galvučių UV lazerinio gręžimo sistemos
- Dviejų galvučių CO2 lazerinio gręžimo sistemos; ir
- Lazerinio gręžimo sistemos (CO2 ir UV)
Visos šios gręžimo sistemos turi savo privalumų ir trūkumų. Lazerines gręžimo sistemas galima paprasčiausiai suskirstyti į du tipus: dvigubo gręžimo vieno bangos ilgio sistemas ir dvigubo gręžimo dviejų bangų ilgio sistemas.
Nepriklausomai nuo tipo, yra du pagrindiniai komponentai, turintys įtakos gebėjimui gręžti skyles:
- Lazerio energija / impulso energija
- Sijos padėties nustatymo sistema
Lazerio impulso energija ir spindulio tiekimo efektyvumas lemia gręžimo laiką, gręžimo laikas – tai laikas, per kurį lazerinis gręžtuvas išgręžia mikropraėjimo skylę, o spindulio padėties nustatymo sistema nustato greitį, kuriuo jis gali judėti tarp dviejų. skyles. Kartu šie veiksniai lemia greitį, kuriuo lazerinė gręžimo mašina gali pagaminti tam tikram reikalavimui reikalingus mikrovielius. Dviejų galvučių UV lazerių sistemos geriausiai tinka gręžti mažesnes nei 90 μm skyles integriniuose grandynuose su dideliu kraštinių santykiu.
Dviejų galvučių CO2 lazerių sistemoje naudojamas Q moduliuotas RF sužadintas CO2 lazeris. Pagrindiniai šios sistemos privalumai yra didelis pakartojamumas (iki 100 kHz), trumpas gręžimo laikas ir platus darbinis paviršius, leidžiantis išgręžti akliną skylę vos keliais praėjimais, tačiau išgręžtų skylių kokybė žemas.
Labiausiai paplitusi dviejų galvučių lazerinio gręžimo sistema yra hibridinė lazerinio gręžimo sistema, kurią sudaro UV lazerio galvutė ir CO2 lazerio galvutė. Šis kombinuotas hibridinio gręžimo lazeriu metodas leidžia vienu metu gręžti varį ir dielektrikus. Varis gręžiamas UV lazeriu, kad būtų sukurtas norimas skylės dydis ir forma, o CO2 lazeris naudojamas neuždengtam dielektrikui išgręžti iškart po to. Gręžimo procesas atliekamas gręžiant 2 colių x 2 colių bloką, vadinamą lauku.
CO2 lazeris efektyviai pašalina dielektrikus, net ir nevienodus stiklu sustiprintus dielektrikus. Tačiau vienas CO2 lazeris negali padaryti mažų skylių (mažiau nei 75 μm) ir pašalinti vario, išskyrus keletą išimčių, kad jis gali pašalinti iš anksto apdorotą ploną vario foliją, mažesnės nei 5 μm (lustino, 2002). UV lazeris gali padaryti labai mažas skylutes ir pašalinti visas įprastas vario gatves (3 - 36 μm, 1 uncijos, net padengtos vario folijos). UV lazeris taip pat gali pašalinti vien tik dielektrines medžiagas, bet lėčiau. Be to, nevienodų medžiagų, pvz., sustiprinto stiklo FR-4, rezultatai paprastai būna prasti. Taip yra todėl, kad stiklas gali būti pašalintas tik padidinus energijos tankį iki tam tikro lygio, o tai taip pat sunaikina vidines trinkeles. Kadangi lazerio lazerio sistema susideda iš UV lazerio ir CO 2 lazerio, ji yra optimali abiejose srityse, su UV lazeriu galima padaryti visas varines folijas ir mažas skylutes, o su CO 2 lazeriu galima greitai išgręžti dielektrikus. Paveikslėlyje parodyta dviejų galvučių lazerinio gręžimo sistemos su programuojamais gręžimo atstumais struktūra. Atstumas tarp dviejų grąžtų gali būti reguliuojamas savaime, atsižvelgiant į komponentų išdėstymą, o tai užtikrina maksimalią lazerinio gręžimo galimybę.
Šiais laikais atstumas tarp dviejų grąžtų yra fiksuotas daugumoje dviejų galvučių lazerinio gręžimo sistemų su žingsninio ir kartojamo spindulio padėties nustatymo technologija. Paties žingsninio ir kartojimo lazerinio nuotolinio valdymo pulto privalumas – didelis domeno reguliavimo diapazonas (iki (50 X 50) μm). Trūkumas yra tas, kad lazerinis telekonverteris turi būti perkeltas per fiksuotą lauką, o atstumas tarp dviejų grąžtų yra fiksuotas. Atstumas tarp dviejų įprasto dviejų galvučių lazerinio nuotolinio reguliatoriaus grąžtų yra fiksuotas (apie 150 μm). Skirtingų dydžių plokštėms negalima optimaliai sukonfigūruoti fiksuoto atstumo grąžtų, kad būtų užbaigta operacija, taip pat programuojamų tarpinių grąžtų.
Šiandienos dviejų galvučių lazerinio gręžimo sistemos yra įvairių dydžių ir našumo, skirtos tiek mažiems PCB gamintojams, tiek didelės apimties PCB gamintojams.
Dėl didelės dielektrinės konstantos keraminis aliuminio oksidas naudojamas spausdintinių plokščių gamyboje. Tačiau dėl savo trapumo gręžimo procesas, reikalingas laidams ir surinkimui, yra sudėtingas naudojant standartinius įrankius, nes mechaninis įtempis turi būti sumažintas iki minimumo, o tai yra geras dalykas gręžiant lazeriu.Rangel ir kt. (1997) parodė, kad aliuminio oksido pagrindus, taip pat aliuminio oksido substratus, padengtus auksu ir inkarais, galima gręžti naudojant sureguliuotą QNd:YAG lazerį. Naudojant trumpo impulso, mažos energijos, didelės didžiausios galios lazerį, buvo išvengta mėginio pažeidimo dėl mechaninio įtempimo ir pagamintos aukštos kokybės skylės, kurių skersmuo mažesnis nei 100 μm. Ši technologija sėkmingai naudojama mažo triukšmo mikrobangų stiprintuvuose, kurių dažnių diapazonas yra 8 - 18 GHz.
Nd:YAG lazerinė technologija buvo naudojama tiek aklėms, tiek kiaurymėms apdirbti įvairiose medžiagose. Tarp jų yra bandomųjų skylių gręžimas poliimido variu dengtuose laminatuose, kurių mažiausias skylės skersmuo yra 25 mikronai. Analizuojant gamybos sąnaudas, ekonomiškiausias naudojamas skersmuo yra 25-125 mikronų. Gręžimo greitis yra 10,000 skylių/min. Galima naudoti tiesioginį lazerinį perforavimo procesą, skylės skersmuo iki 50 mikronų. Suformuotų skylučių vidinis paviršius yra švarus ir be karbonizacijos ir gali būti lengvai padengtas. Tas pats gali būti ir PTFE variu dengtame laminate, gręžiant skylutes, kurių mažiausias skylės skersmuo yra 25 mikronai, ekonomiškiausias naudojamas 25-125 mikronai. Gręžimo greitis 4500 skylių/min. Išankstinis langų ėsdinimas nereikalingas. Susidariusios skylės yra švarios ir nereikalauja papildomų specialių apdorojimo reikalavimų.
