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PCB工业激光成孔原理

PCB 工业激光成孔原理

激光是当“射线”受到外来的刺激而增加能量下所激发的一种强力光束,其中红外光和可见光具有热能,紫外光另具有光学能。此种类型的光射到工件的表面时会发生三种现象即反射、吸收和穿透。

激光钻孔的主要作用就是能够很快地除去所要加工的基板材料,它主要靠光热烧蚀和光化学烧蚀或称之谓切除。

(1)光热烧蚀:指被加工的材料吸收高能量的激光,在极短的时间加热到熔化并被蒸发掉的成孔原理。此种工艺方法在基板材料受到高能量的作用下,在所形成的孔壁上有烧黑的炭化残渣,孔化前必须进行清理。

(2)光化学烧蚀:是指紫外线区所具有的高光子能量(超过2eV电子伏特)、激光波长超过400纳米的高能量光子起作用的结果。而这种高能量的光子能破坏有机材料的长分子链,成为更小的微粒,而其能量大于原分子,极力从中逸出,在外力的掐吸情况之下,使基板材料被快速除去而形成微孔。因此种类型的工艺方法,不含有热烧,也就不会产生炭化现象。所以,孔化前清理就非常简单。

以上就是激光成孔的基本原理。目前最常用的有两种激光钻孔方式:印制电路板钻孔用的激光器主要有RF激发的CO2气体激光器和UV固态Nd:YAG激光器。

(3)关于基板吸光度:激光成功率的高低与基板材料的吸光率有着直接的关系。印制电路板是由铜箔与玻璃布和树脂组合而成,此三种材料的吸光度也因波长不同有所不同但其中铜箔与玻璃布在紫外光0.3mμ以下区域的吸收率较高,但进入可见光与IR后却大幅度滑落。有机树脂材料则在三段光谱中,都能维持相当高的吸收率。这就是树脂材料所具有的特性,是激光钻孔工艺流行的基础。

PCB板厂有哪几种激光钻孔

激光是当“射线”受到外来的刺激而增加能量下所激发的一种强力光束,其中红外光和可见光具有热能,紫外光另具有光学能。此种类型的光射到工件的表面时会发生三种现象即反射、吸收和穿透。激光钻孔的主要作用就是能够很快地除去所要加工的基板材料,它主要靠光热烧蚀和光化学烧蚀或称之谓切除。

商业PCB生产中,有两种激光技术可用于激光钻孔。CO2激光波长在远红外线波段内,紫外线激光波长在紫外线波段内。CO2激光广泛应用在印制电路板的工业微通孔制作中,要求微通孔直径大于100μm (Raman , 2001) 。对于这些大孔径孔的制作, CO2激光具有很高的生产力,这是因为CO2激光制作大孔所需的冲孔时间非常短。紫外线激光技术广泛应用在直径小于100μm 的微孔制作中,随着微缩线路图的使用,孔径甚至可小于50μm 。紫外线激光技术在制作直径小于80μm 的孔时产量非常高。因此,为了满足日益增加的微孔生产力的需求,许多PCB制造商已经开始引入双头激光钻孔系统。

以下就是当今市场用双头激光钻孔系统的三种主要类型:

  1) 双头紫外线钻孔系统;

  2) 双头CO2激光钻孔系统;

  3) 棍合激光钻孔系统( CO2和紫外线)。

所有这些类型的钻孔系统都有其自身的优点和缺点。激光钻孔系统可以简单地分成两种类型,双钻头单一波长系统和双钻头双波长系统。

  不论是哪种类型,都有两个主要部分影响钻孔的能力:

  1 )激光能量/脉冲能量;

  2) 光束定位系统。

激光脉冲的能量和光束的传递效率决定了钻孔时间,钻孔时间是指激光钻孔机钻一个微通孔的时间,光束定位系统决定了在两个孔之间移动的速度。这些因素共同决定了激光钻孔机制作给定要求的微通孔的速度。双头紫外线激光系统最适于用在集成电路中小于90μm 的钻孔,同时其纵横比也很高。

双头CO2激光系统使用的是调Q射频激励CO2激光器。这种系统的主要优点是可重复率高(达到了100kHz) 、钻孔时间短、操作面宽,只需要射很少几下就可以钻一个盲孔,但是其钻孔质量会比较低。

使用最普遍的双头激光钻孔系统是混合激光钻孔系统,它由一个紫外线激光头和一个CO2 激光头组成。这种综合运用的混合激光钻孔方法可以便铜和电介质的钻孔同时进行。即用紫外线钻铜,生成所需要孔的尺寸和形状,紧接着用CO 2 激光钻无遮盖的电介质。钻孔过程是通过钻2in X 2in 的块完成的,此块叫做域。

CO2 激光有效地除去电介质,甚至是非均匀玻璃增强电介质。然而,单一的CO2 激光不能制作小孔(小于75μm) 和除去铜,也有少数例外,那就是它可以除去经过预先处理的5μm 以下的薄铜箔(lustino , 2002) 。紫外线激光能够制作非常小的孔,且可以除去所有普通的铜街(3 - 36μm , 1oz ,甚至电镀铜箔)。紫外线激光也可以单独除去电介质材料,只是速度较慢。而且,对于非均匀材料,例如增强玻璃FR -4,效果通常不好。这是因为只有能量密度提高到一定程度,才可以除去玻璃,而这样也会破坏内层的焊盘。由于棍合激光系统包括紫外线激光和CO 2 激光,因此其在两个领域内都能达到最佳,用紫外线激光可以完成所有的铜箔和小孔,用CO 2 激光可以快速地对电介质进行钻孔。图给出了可编程钻距的双头激光钻孔系统的结构图,两个钻头之间的间距可根据元器件的布局自行调整,这保证了最大的激光钻孔能力。

现在,大多数双头激光钻孔系统中两个钻头之间的间距都是固定的,同时具有步进-重复光束定位技术。步进,重复激光远程调节器本身的优点是域的调节范围大(达到了(50 X 50)μm) 。缺点是激光远程调节器必须在固定的域内步进移动,而且两个钻头之间的间距是固定的。典型的双头激光远程调节器两个钻头之间的距离是固定的(大约为150μm) 。对于不同的面板尺寸,固定距离的钻头不能像可编程间距的钻头那样以最佳配置完成操作。

如今,双头激光钻孔系统有着各种不同规格的性能,既能够适用于小型印制电路板制造厂商,同时也适用于大批量生产的印制电路板制造厂商。

由于陶瓷氧化铝有很高的介质常数,因此用于制造印制电路板。然而,由于其易碎、布线和装配时所需的钻孔过程用标准工具就很难完成,因为此时机械压力必须减小到最小,这对激光钻孔却是一件好事。Rangel 等人( 1997) 证明对于氧化铝基板以及覆有金和锚的氧化铝基板,可使用调QNd: YAG 激光器进行钻孔。使用短脉冲、低能量、高峰值功率的激光器有助于避免机械压力对样本的破坏,能够制造出孔径小于100μm 的优质通孔。这种技术成功地应用在低噪声微波放大器中,其频率范围为8 - 18GHz。

 

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