Laser je silný svetelný lúč, ktorý je vzrušený, keď je „lúč“ stimulovaný vonkajším stimulom, ktorý zvyšuje jeho energiu. Infračervené a viditeľné svetlo má tepelnú energiu, zatiaľ čo ultrafialové svetlo má optickú energiu. Keď tento typ svetla dopadne na povrch obrobku, nastanú tri javy: odraz, absorpcia a prienik.
Hlavnou funkciou laserového vŕtania je schopnosť rýchlo odobrať spracovávaný substrát, hlavne fototermickou abláciou a fotochemickou abláciou alebo takzvanou excíziou.
- Fototermálna ablácia: Princíp tvorby dier, pri ktorom spracovávaný materiál absorbuje vysokoenergetické laserové svetlo, vo veľmi krátkom čase sa zahreje na roztavenie a odparí sa. Tento spôsob spracovania v podkladovom materiáli je vystavený vysokej energii, v diere tvorenej stenou sčerneného karbonizovaného zvyšku je potrebné dieru predtým vyčistiť.
- Fotochemická ablácia: označuje ultrafialovú oblasť s vysokou energiou fotónov (viac ako 2 eV elektrónvolt), vo výsledkoch zohráva úlohu vlnová dĺžka lasera viac ako 400 nanometrov vysokoenergetických fotónov. Tieto vysokoenergetické fotóny môžu zničiť dlhý molekulárny reťazec organických materiálov, stať sa menšími časticami a ich energia je väčšia ako u pôvodných molekúl, čo je extrémna sila, z ktorej môže uniknúť v prípade externého nasávania, takže materiál substrátu sa rýchlo odstráni a vytvorí sa mikroporézny. Tento typ procesu neobsahuje tepelné spaľovanie a neprodukuje karbonizáciu. Preto je veľmi jednoduché ho pred porcovaním vyčistiť. Toto sú základné princípy tvorby laserových dier. V súčasnosti sa najčastejšie používajú dva typy laserového vŕtania: vŕtanie dosiek plošných spojov lasermi sú hlavne vysokofrekvenčne budené CO2 plynové lasery a UV pevnolátkové Nd:YAG lasery.
- Absorbancia substrátu: miera úspešnosti lasera má priamy vzťah s absorbanciou materiálu substrátu. Dosky s plošnými spojmi sú vyrobené z medenej fólie a kombinácie sklenenej tkaniny a živice, absorbancia týchto troch materiálov je tiež odlišná v dôsledku rôznych vlnových dĺžok, ale medená fólia a sklenená tkanina v ultrafialovom pásme 0,3 mμ pod oblasťou miera absorpcie je vyššia, ale do viditeľného svetla a IR po podstatnom poklese. Na druhej strane organické živicové materiály si dokážu udržať pomerne vysokú mieru absorpcie vo všetkých troch spektrálnych pásmach. To je vlastnosť, ktorú majú živicové materiály a je základom popularity procesu laserového vŕtania.
Aké druhy laserového vŕtania sú dostupné v továrňach na dosky plošných spojov?
Laser je silný svetelný lúč, ktorý je excitovaný, keď sú "lúče" stimulované vonkajším stimulom, ktorý zvyšuje jeho energiu, pričom infračervené a viditeľné svetlo má tepelnú energiu a ultrafialové svetlo má optickú energiu. Keď tento typ svetla dopadne na povrch obrobku, nastanú tri javy: odraz, absorpcia a prienik. Hlavnou funkciou laserového vŕtania je schopnosť rýchlo odobrať spracovávaný podkladový materiál, čo je najmä fototermálna ablácia a fotochemická ablácia alebo takzvaná excízia.
Na laserové vŕtanie pri komerčnej výrobe DPS sa používajú dve laserové technológie: CO2 lasery s vlnovými dĺžkami v širokom infračervenom pásme a UV lasery s vlnovými dĺžkami v ultrafialovom pásme. , ktoré musia mať priemer väčší ako 100 μm (Raman, 2001). Na výrobu týchto otvorov s veľkými otvormi sú CO2 lasery vysoko produktívne vďaka veľmi krátkemu času dierovania potrebnému na výrobu veľkých otvorov pomocou CO2 laserov. Technológia UV lasera je široko používaná pri výrobe mikrovias s priemerom menším ako 100 μm a dokonca menším ako 50 μm s použitím mikrovyrobených schém zapojenia. Technológia UV lasera je veľmi produktívna pri výrobe otvorov s priemerom menším ako 80 μm. Preto, aby uspokojili rastúci dopyt po produktivite mikrovia, mnohí výrobcovia PCB začali zavádzať laserové vŕtacie systémy s dvojitou hlavou.
Na dnešnom trhu sú k dispozícii tri hlavné typy laserových vŕtacích systémov s dvojitou hlavou:
- Dvojhlavové UV laserové vŕtacie systémy
- Dvojhlavé CO2 laserové vŕtacie systémy; a
- Systémy tyčového laserového vŕtania (CO2 a UV)
Všetky tieto typy vŕtacích systémov majú svoje výhody a nevýhody. Laserové vŕtacie systémy možno jednoducho rozdeliť na dva typy, systémy s dvojitým vŕtaním s jednou vlnovou dĺžkou a systémy s dvojitým vŕtaním s dvojitou vlnovou dĺžkou.
Bez ohľadu na typ existujú dva hlavné komponenty, ktoré ovplyvňujú schopnosť vŕtať otvory:
- Energia lasera/energia impulzu
- Systém polohovania lúča
Energia laserového impulzu a účinnosť dodávania lúča určuje čas vŕtania, čas vŕtania je čas, ktorý potrebuje laserová vŕtačka na vyvŕtanie mikropriechodového otvoru, a systém polohovania lúča určuje rýchlosť, ktorou sa môže pohybovať medzi dvoma diery. Tieto faktory spolu určujú rýchlosť, pri ktorej môže laserová vŕtačka produkovať mikropriechody potrebné pre danú požiadavku. Dvojhlavové UV laserové systémy sú najvhodnejšie na vŕtanie otvorov menších ako 90 μm v integrovaných obvodoch s vysokým pomerom strán.
Dvojhlavý CO2 laserový systém využíva Q-modulovaný RF-budený CO2 laser. Hlavnými výhodami tohto systému sú vysoká opakovateľnosť (až 100 kHz), krátke časy vŕtania a široká pracovná plocha, ktorá umožňuje vyvŕtanie slepého otvoru iba niekoľkými prechodmi, ale kvalita vyvŕtaných otvorov môže byť znížená. nízka.
Najbežnejším dvojhlavým laserovým vŕtacím systémom je hybridný laserový vŕtací systém, ktorý pozostáva z UV laserovej hlavy a CO2 laserovej hlavy. Táto kombinovaná metóda hybridného laserového vŕtania umožňuje súčasné vŕtanie medi a dielektrika. Meď je vŕtaná UV laserom, aby sa vytvorila požadovaná veľkosť a tvar otvoru, a CO2 laser sa používa na vyvŕtanie nekrytého dielektrika bezprostredne potom. Proces vŕtania sa vykonáva vŕtaním bloku 2 palce X 2 palce nazývaného pole.
CO2 laser účinne odstraňuje dielektrika, dokonca aj nerovnomerné dielektrika vystužené sklom. Jediný CO2 laser však nedokáže urobiť malé otvory (menej ako 75 μm) a odstrániť meď, s niekoľkými výnimkami, že dokáže odstrániť vopred upravené tenké medené fólie menšie ako 5 μm (lustino, 2002). UV laser je schopný vytvoriť veľmi malé otvory a odstrániť všetky bežné medené uličky (3 - 36 μm, 1 oz, dokonca aj pokovované medené fólie). UV laser môže odstraňovať aj samotné dielektrické materiály, ale pomalšie. Navyše pre nerovnomerné materiály, napr. vystužené sklo FR-4, sú výsledky zvyčajne zlé. Sklo je totiž možné odstrániť len vtedy, ak sa hustota energie zvýši na určitú úroveň, čím sa zničia aj vnútorné podložky. Keďže tyčový laserový systém pozostáva z UV lasera a CO 2 lasera, je optimálny v oboch oblastiach, s UV laserom sa dajú robiť všetky medené fólie a malé otvory a s CO 2 laserom sa dajú rýchlo vyvŕtať dielektrika. Na obrázku je znázornená štruktúra dvojhlavového laserového vŕtacieho systému s programovateľným rozstupom vŕtania. Rozostup medzi dvoma vrtákmi je možné sám nastaviť podľa rozloženia komponentov, čo zaisťuje maximálnu schopnosť laserového vŕtania.
V súčasnosti je vzdialenosť medzi dvoma vrtákmi pevne stanovená vo väčšine dvojhlavových laserových vŕtacích systémov s technológiou krokového a opakovaného polohovania lúča. Výhodou samotného krokového a opakovacieho laserového diaľkového ovládača je veľký rozsah nastavenia domény (až (50 X 50) μm). Nevýhodou je, že laserový telekonvertor musí byť prekročený cez pevné pole a vzdialenosť medzi dvoma vrtákmi je pevná. Vzdialenosť medzi dvoma vrtákmi typického dvojhlavého laserového diaľkového regulátora je pevná (približne 150 μm). Pre rôzne veľkosti panelov nie je možné optimálne nakonfigurovať vrtáky s pevnou vzdialenosťou na dokončenie operácie, ako aj vrtáky s programovateľnou vzdialenosťou.
Dnešné dvojhlavové laserové vŕtacie systémy sú dostupné v širokej škále veľkostí a výkonov pre malých výrobcov dosiek plošných spojov, ako aj pre výrobcov veľkoobjemových dosiek s plošnými spojmi.
Keramický oxid hlinitý sa používa pri výrobe dosiek plošných spojov kvôli svojej vysokej dielektrickej konštante. Avšak kvôli jeho krehkosti je proces vŕtania potrebný na zapojenie a montáž pomocou štandardných nástrojov náročný, pretože je potrebné minimalizovať mechanické namáhanie, čo je dobré pre laserové vŕtanie. Rangel a kol. (1997) demonštrovali, že pre hliníkové substráty, ako aj pre hliníkové substráty potiahnuté zlatom a kotvami, je možné vŕtať pomocou ladeného QNd:YAG lasera. Použitie krátkopulzného nízkoenergetického lasera s vysokým špičkovým výkonom pomohlo zabrániť poškodeniu vzorky mechanickým namáhaním a vytvorilo vysokokvalitné priechodné otvory s priemerom menším ako 100 μm. Táto technológia sa úspešne používa v nízkošumových mikrovlnných zosilňovačoch vo frekvenčnom rozsahu 8 - 18 GHz.
Laserová technológia Nd:YAG sa používa na spracovanie slepých aj priechodných otvorov v širokej škále materiálov. Medzi ne patrí vŕtanie pilotných otvorov do polyimidových laminátov potiahnutých meďou s minimálnym priemerom otvoru 25 mikrónov. Pri analýze výrobných nákladov je najhospodárnejší použitý priemer 25-125 mikrónov. Rýchlosť vŕtania je 10,000 otvorov/min. Je možné použiť proces priameho laserového dierovania, priemer otvoru až 50 mikrónov. Vnútorný povrch lisovaných otvorov je čistý a bez karbonizácie a možno ho ľahko pokovovať. To isté môže byť aj pri vŕtaní priechodných otvorov v lamináte potiahnutom meďou, najmenší priemer otvoru 25 mikrónov, najhospodárnejší priemer používaný pre 25-125 mikrónov. Rýchlosť vŕtania je 4500 otvorov/min. Nie je potrebné žiadne predbežné leptanie okien. Výsledné otvory sú čisté a nevyžadujú ďalšie špeciálne požiadavky na spracovanie.
