1 Anwendung des Laserstrahls

Die hohe Dichte PCB-Board ist eine mehrschichtige Struktur, die durch isolierendes Harz, gemischt mit Glasfasermaterialien, getrennt ist und zwischen denen eine leitende Schicht aus Kupferfolie eingefügt ist. Dann wird es laminiert und verklebt. Abbildung 1 zeigt einen Ausschnitt einer 4-Lagen-Platine. Das Prinzip der Laserbearbeitung besteht darin, Laserstrahlen zu verwenden, um auf die Oberfläche der Leiterplatte zu fokussieren, um das Material sofort zu schmelzen und zu verdampfen, um kleine Löcher zu bilden. Da Kupfer und Harz zwei unterschiedliche Materialien sind, beträgt die Schmelztemperatur von Kupferfolie 1084 °C, während die Schmelztemperatur von Isolierharz nur 200-300 °C beträgt. Daher ist es notwendig, Parameter wie Strahlwellenlänge, Modus, Durchmesser und Puls vernünftig auszuwählen und genau zu steuern, wenn das Laserbohren angewendet wird.

1.1 Einfluss von Strahlwellenlänge und -mode auf die Verarbeitung

Was sind die Anwendungen der Laserbearbeitung bei der Herstellung von hochdichten Leiterplatten?

Abbildung 1 Querschnittsansicht einer 4-Lagen-Leiterplatte

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Laser beim Perforieren zuerst die Kupferfolie bearbeitet und die Absorptionsrate des Kupfers für den Laser mit zunehmender Wellenlänge zunimmt. Die YAG/UV-Laserabsorptionsrate von 351 bis 355 m beträgt sogar 70 %. YAG/UV-Laser- oder konforme Maskenverfahren können verwendet werden, um gewöhnliche Leiterplatten zu perforieren. Um die Integration von PCB mit hoher Dichte zu erhöhen, ist jede Kupferfolienschicht nur 18 μm groß, und das Harzsubstrat unter der Kupferfolie hat eine hohe Absorptionsrate des Kohlendioxidlasers (ca. 82%), was die Voraussetzungen für die Anwendung bietet der Kohlendioxid-Laserperforation. Da die photoelektrische Umwandlungsrate und Verarbeitungseffizienz von Kohlendioxidlasern viel höher ist als die von YAG/UV-Lasern, solange genügend Strahlenergie vorhanden ist und die Kupferfolie bearbeitet wird, um ihre Absorptionsrate des Lasers zu erhöhen, ist der Kohlendioxidlaser kann zum direkten Öffnen der Platine verwendet werden.

Die transversale Mode des Laserstrahls hat einen großen Einfluss auf den Divergenzwinkel und die Energieabgabe des Lasers. Um eine ausreichende Strahlenergie zu erhalten, ist ein guter Strahlausgangsmodus erforderlich. Der ideale Zustand besteht darin, einen Ausgang im Gauß-Modus niedriger Ordnung zu bilden, wie in Abbildung 2 gezeigt. Auf diese Weise kann eine hohe Energiedichte erreicht werden, die eine Voraussetzung dafür ist, dass der Strahl gut auf die Linse fokussiert wird.

Was sind die Anwendungen der Laserbearbeitung bei der Herstellung von hochdichten Leiterplatten?

Abbildung 2 Kostengünstige Energieverteilung im Gauß-Modus

Die Mode niedriger Ordnung kann durch Änderung der Parameter des Resonators oder durch Einbau einer Membran erreicht werden. Obwohl die Installation der Blende die Ausgabe der Strahlenergie verringert, kann dies die Teilnahme des Lasers im Modus höherer Ordnung an der Perforation begrenzen und dazu beitragen, die Rundheit des kleinen Lochs zu verbessern. .

1.2 Gewinnung von Mikroporen

Nachdem die Wellenlänge und der Modus des Strahls ausgewählt wurden, muss der Durchmesser des Flecks kontrolliert werden, um ein ideales Loch auf der Leiterplatte zu erhalten. Nur wenn der Durchmesser des Spots klein genug ist, kann sich die Energie auf das Abtragen der Platte konzentrieren. Es gibt viele Möglichkeiten, den Spotdurchmesser einzustellen, hauptsächlich durch die Fokussierung mit sphärischen Linsen. Wenn der Strahl im Gauß-Modus in die Linse eintritt, kann der Fleckdurchmesser auf der hinteren Brennebene der Linse mit der folgenden Formel näherungsweise berechnet werden:

D≈λF/(πd)

In der Formel: F ist die Brennweite; d der Punktradius des von einer Person auf die Linsenoberfläche projizierten Gaußschen Strahls ist; λ ist die Laserwellenlänge.

Aus der Formel ist ersichtlich, dass der fokussierte Fleck umso kleiner ist, je größer der Einfallsdurchmesser ist. Wenn andere Bedingungen bestätigt werden, ist eine Verkürzung der Brennweite der Verringerung des Strahldurchmessers förderlich. Nach der Verkürzung von F wird jedoch auch der Abstand zwischen der Linse und dem Werkstück verringert. Die Schlacke kann während des Bohrens auf die Linsenoberfläche spritzen, was den Bohreffekt und die Lebensdauer der Linse beeinträchtigt. In diesem Fall kann seitlich am Objektiv ein Zusatzgerät installiert und Gas verwendet werden. Spülung durchführen.

1.3 Einfluss des Strahlpulses

Zum Bohren wird ein Multipulslaser verwendet, dessen Leistungsdichte mindestens die Verdampfungstemperatur der Kupferfolie erreichen muss. Da die Energie des Einzelpulslasers nach dem Durchbrennen der Kupferfolie abgeschwächt wurde, kann das darunterliegende Substrat nicht effektiv abgetragen werden, und es entsteht die in Fig. 3a gezeigte Situation, so dass das Durchgangsloch nicht gebildet werden kann. Allerdings sollte die Energie des Strahls beim Stanzen nicht zu hoch sein und die Energie ist zu hoch. Nachdem die Kupferfolie durchdrungen ist, wird der Abtrag des Substrats zu groß, was zu der in Fig. 3b gezeigten Situation führt, die der Nachbearbeitung der Leiterplatte nicht förderlich ist. Am idealsten ist es, die Mikrolöcher mit einem leicht konischen Lochmuster auszubilden, wie in Abb. 3c gezeigt. Dieses Lochmuster kann für den nachfolgenden Kupferplattierungsprozess bequem sein.

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Abbildung 3 Lochtypen, die von Lasern unterschiedlicher Energie bearbeitet werden

Um das in Abbildung 3c gezeigte Lochmuster zu erreichen, kann eine gepulste Laserwellenform mit einem vorderen Peak verwendet werden (Abbildung 4). Die höhere Impulsenergie am vorderen Ende kann die Kupferfolie abtragen, und die Mehrfachimpulse mit geringerer Energie am hinteren Ende können das isolierende Substrat abtragen und das Loch bis zur unteren Kupferfolie vertiefen.

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Abbildung 4 Pulslaserwellenform

2 Laserstrahleffekt

Da die Materialeigenschaften von Kupferfolie und Substrat sehr unterschiedlich sind, wirken der Laserstrahl und das Leiterplattenmaterial in Wechselwirkung zu einer Vielzahl von Effekten, die einen großen Einfluss auf die Öffnung, Tiefe und Lochart der Mikroporen haben.

2.1 Reflexion und Absorption des Lasers

Die Wechselwirkung zwischen Laser und Leiterplatte beginnt zunächst damit, dass der einfallende Laser reflektiert und von der Kupferfolie an der Oberfläche absorbiert wird. Da die Kupferfolie eine sehr niedrige Absorptionsrate von Kohlendioxidlasern mit infraroter Wellenlänge aufweist, ist sie schwierig zu verarbeiten und die Effizienz ist extrem gering. Der absorbierte Teil der Lichtenergie erhöht die kinetische Energie der freien Elektronen des Kupferfolienmaterials, und der größte Teil davon wird durch die Wechselwirkung von Elektronen und Kristallgittern oder Ionen in die Wärmeenergie der Kupferfolie umgewandelt. Dies zeigt, dass neben der Verbesserung der Strahlqualität eine Vorbehandlung der Oberfläche der Kupferfolie erforderlich ist. Die Oberfläche der Kupferfolie kann mit Materialien beschichtet werden, die die Lichtabsorption erhöhen, um die Absorptionsrate des Laserlichts zu erhöhen.

2.2 Die Rolle des Strahleffekts

Während der Laserbearbeitung bestrahlt der Lichtstrahl das Kupferfolienmaterial, und die Kupferfolie wird bis zur Verdampfung erhitzt, und die Dampftemperatur ist hoch, die leicht abgebaut und ionisiert werden kann, dh durch Lichtanregung wird photoinduziertes Plasma erzeugt . Das photoinduzierte Plasma ist im Allgemeinen ein Plasma aus Materialdampf. Wenn die vom Plasma auf das Werkstück übertragene Energie größer ist als der durch die Absorption des Plasmas vom Werkstück aufgenommene Lichtenergieverlust. Stattdessen verstärkt das Plasma die Absorption von Laserenergie durch das Werkstück. Andernfalls blockiert das Plasma den Laser und schwächt die Absorption des Lasers durch das Werkstück. Bei Kohlendioxidlasern kann photoinduziertes Plasma die Absorptionsrate von Kupferfolie erhöhen. Zu viel Plasma führt jedoch dazu, dass der Strahl beim Durchgang gebrochen wird, was die Positionierungsgenauigkeit des Lochs beeinträchtigt. Im Allgemeinen wird die Laserleistungsdichte auf einen geeigneten Wert unter 107 W/cm2 gesteuert, wodurch das Plasma besser gesteuert werden kann.

Der Pinhole-Effekt spielt eine äußerst wichtige Rolle bei der Verbesserung der Absorption von Lichtenergie im Laserbohrprozess. Der Laser trägt das Substrat weiter ab, nachdem er die Kupferfolie durchgebrannt hat. Das Substrat kann eine große Menge an Lichtenergie absorbieren, heftig verdampfen und sich ausdehnen, und der erzeugte Druck kann Das geschmolzene Material wird herausgeschleudert, um kleine Löcher zu bilden. Das kleine Loch ist auch mit photoinduziertem Plasma gefüllt, und die in das kleine Loch eintretende Laserenergie kann durch die Mehrfachreflexionen der Lochwand und die Wirkung des Plasmas fast vollständig absorbiert werden (Abbildung 5). Aufgrund der Plasmaabsorption nimmt die Laserleistungsdichte, die durch das kleine Loch zum Boden des kleinen Lochs geht, ab, und die Laserleistungsdichte am Boden des kleinen Lochs ist wesentlich, um einen bestimmten Verdampfungsdruck zu erzeugen, um eine bestimmte Tiefe von . aufrechtzuerhalten das kleine Loch, das die Eindringtiefe des Bearbeitungsprozesses bestimmt.

Was sind die Anwendungen der Laserbearbeitung bei der Herstellung von hochdichten Leiterplatten?

Abbildung 5 Laserbrechung im Loch

3 Fazit

Die Anwendung der Laserbearbeitungstechnologie kann die Bohreffizienz von hochdichten PCB-Mikrolöchern erheblich verbessern. Experimente zeigen, dass: ①Kombiniert mit numerischer Steuerungstechnologie mehr als 30,000 Mikrolöcher pro Minute auf der Leiterplatte verarbeitet werden können und die Öffnung zwischen 75 und 100 liegt; ② Durch die Anwendung von UV-Lasern kann die Apertur außerdem kleiner als 50 μm oder kleiner werden, was die Voraussetzungen für eine weitere Erweiterung des Nutzraums von Leiterplatten schafft.