1 Aplicación de rayo láser

El de alta densidad Placa PCB es una estructura multicapa, que está separada por resina aislante mezclada con materiales de fibra de vidrio, y entre ellos se inserta una capa conductora de lámina de cobre. Luego se lamina y se adhiere. La figura 1 muestra una sección de un tablero de 4 capas. El principio del procesamiento láser es utilizar rayos láser para enfocar la superficie de la PCB para fundir y vaporizar instantáneamente el material para formar pequeños agujeros. Dado que el cobre y la resina son dos materiales diferentes, la temperatura de fusión de la lámina de cobre es de 1084 ° C, mientras que la temperatura de fusión de la resina aislante es de solo 200-300 ° C. Por lo tanto, es necesario seleccionar razonablemente y controlar con precisión parámetros como la longitud de onda del haz, el modo, el diámetro y el pulso cuando se aplica la perforación con láser.

1.1 La influencia de la longitud de onda y el modo del haz en el procesamiento

¿Cuáles son las aplicaciones del procesamiento láser en la fabricación de PCB de alta densidad?

Figura 1 Vista en sección transversal de PCB de 4 capas

Puede verse en la Figura 1 que el láser es el primero en procesar la lámina de cobre al perforar, y la tasa de absorción del cobre al láser aumenta con el aumento de la longitud de onda. La tasa de absorción del láser YAG / UV de 351 a 355 m es tan alta como el 70%. El láser YAG / UV o el método de máscara conformada se pueden utilizar para perforar tableros impresos ordinarios. Para aumentar la integración de PCB de alta densidad, cada capa de lámina de cobre tiene solo 18 μm, y el sustrato de resina debajo de la lámina de cobre tiene una alta tasa de absorción de láser de dióxido de carbono (aproximadamente 82%), lo que proporciona las condiciones para la aplicación. de perforación con láser de dióxido de carbono. Debido a que la tasa de conversión fotoeléctrica y la eficiencia de procesamiento del láser de dióxido de carbono es mucho mayor que la del láser YAG / UV, siempre que haya suficiente energía del haz y la lámina de cobre se procese para aumentar su tasa de absorción del láser, el láser de dióxido de carbono se puede utilizar para abrir directamente la PCB.

El modo de modo transversal del rayo láser tiene una gran influencia en el ángulo de divergencia y la salida de energía del láser. Para obtener suficiente energía del haz, es necesario tener un buen modo de salida del haz. El estado ideal es formar una salida de modo gaussiano de bajo orden como se muestra en la Figura 2. De esta manera, se puede obtener una alta densidad de energía, lo que proporciona un requisito previo para que el haz esté bien enfocado en la lente.

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Figura 2 Distribución de energía en modo gaussiano de bajo costo

El modo de orden bajo se puede obtener modificando los parámetros del resonador o instalando un diafragma. Aunque la instalación del diafragma reduce la salida de la energía del haz, puede limitar el modo de láser de alto orden para participar en la perforación y ayudar a mejorar la redondez del orificio pequeño. .

1.2 Obtención de microporos

Después de seleccionar la longitud de onda y el modo del haz, para obtener un orificio ideal en la PCB, se debe controlar el diámetro del punto. Solo si el diámetro de la mancha es lo suficientemente pequeño, la energía puede concentrarse en la ablación de la placa. Hay muchas formas de ajustar el diámetro del punto, principalmente a través del enfoque de lente esférica. Cuando el haz del modo gaussiano entra en la lente, el diámetro del punto en el plano focal posterior de la lente se puede calcular aproximadamente con la siguiente fórmula:

D≈λF / (πd)

En la fórmula: F es la distancia focal; d es el radio del punto del haz gaussiano proyectado por una persona en la superficie de la lente; λ es la longitud de onda del láser.

Puede verse en la fórmula que cuanto mayor es el diámetro incidente, menor es el punto focalizado. Cuando se confirman otras condiciones, acortar la distancia focal conduce a reducir el diámetro del haz. Sin embargo, después de acortar F, también se reduce la distancia entre la lente y la pieza de trabajo. La escoria puede salpicar la superficie de la lente durante la perforación, lo que afectará el efecto de perforación y la vida útil de la lente. En este caso, se puede instalar un dispositivo auxiliar en el lateral de la lente y se utiliza gas. Realice una purga.

1.3 La influencia del pulso del haz

Se utiliza un láser de impulsos múltiples para perforar, y la densidad de potencia del láser de impulsos debe alcanzar al menos la temperatura de evaporación de la lámina de cobre. Debido a que la energía del láser de pulso único se ha debilitado después de quemar a través de la hoja de cobre, el sustrato subyacente no puede eliminarse eficazmente y se formará la situación mostrada en la figura 3a, de modo que no se puede formar el orificio de paso. Sin embargo, la energía del rayo no debe ser demasiado alta al golpear y la energía es demasiado alta. Después de penetrar la hoja de cobre, la ablación del sustrato será demasiado grande, lo que dará como resultado la situación que se muestra en la Figura 3b, que no es propicia para el posprocesamiento de la placa de circuito. Lo más ideal es formar los microagujeros con un patrón de orificios ligeramente ahusado, como se muestra en la Fig. 3c. Este patrón de orificios puede proporcionar comodidad para el proceso de recubrimiento de cobre posterior.

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Figura 3 Tipos de orificios procesados ​​por diferentes láseres de energía

Para lograr el patrón de agujeros que se muestra en la Figura 3c, se puede utilizar una forma de onda láser pulsada con un pico frontal (Figura 4). La energía de pulso más alta en el extremo frontal puede eliminar la lámina de cobre, y los pulsos múltiples con menor energía en el extremo posterior pueden eliminar el sustrato aislante y hacer que el orificio se profundice hasta la lámina de cobre inferior.

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Figura 4 Forma de onda de láser de pulso

2 efecto de rayo láser

Debido a que las propiedades del material de la lámina de cobre y el sustrato son muy diferentes, el rayo láser y el material de la placa de circuito interactúan para producir una variedad de efectos, que tienen un impacto importante en la apertura, profundidad y tipo de orificio de los microporos.

2.1 Reflexión y absorción del láser

La interacción entre el láser y la PCB comienza en primer lugar desde que el láser incidente es reflejado y absorbido por la lámina de cobre en la superficie. Debido a que la hoja de cobre tiene una tasa de absorción muy baja de láser de dióxido de carbono de longitud de onda infrarroja, es difícil de procesar y la eficiencia es extremadamente baja. La parte absorbida de la energía luminosa aumentará la energía cinética de electrones libres del material de la hoja de cobre, y la mayor parte se convertirá en energía térmica de la hoja de cobre a través de la interacción de electrones y redes o iones cristalinos. Esto muestra que mientras se mejora la calidad del haz, es necesario realizar un pretratamiento en la superficie de la lámina de cobre. La superficie de la lámina de cobre se puede recubrir con materiales que aumentan la absorción de luz para aumentar su tasa de absorción de luz láser.

2.2 El papel del efecto rayo

Durante el procesamiento con láser, el haz de luz irradia el material de la lámina de cobre y la lámina de cobre se calienta hasta la vaporización, y la temperatura del vapor es alta, lo que es fácil de descomponer e ionizar, es decir, el plasma fotoinducido se genera por excitación de la luz. . El plasma fotoinducido es generalmente un plasma de vapor de material. Si la energía transmitida a la pieza de trabajo por el plasma es mayor que la pérdida de energía luminosa recibida por la pieza de trabajo causada por la absorción del plasma. En cambio, el plasma mejora la absorción de energía láser por la pieza de trabajo. De lo contrario, el plasma bloquea el láser y debilita la absorción del láser por la pieza de trabajo. Para los láseres de dióxido de carbono, el plasma fotoinducido puede aumentar la tasa de absorción de la lámina de cobre. Sin embargo, demasiado plasma hará que el haz se refracte al pasar, lo que afectará la precisión de posicionamiento del orificio. Generalmente, la densidad de potencia del láser se controla a un valor apropiado por debajo de 107 W / cm2, que puede controlar mejor el plasma.

El efecto estenopeico juega un papel extremadamente importante en la mejora de la absorción de energía luminosa en el proceso de perforación con láser. El láser continúa eliminando el sustrato después de quemar la lámina de cobre. El sustrato puede absorber una gran cantidad de energía luminosa, vaporizarse y expandirse violentamente, y la presión generada puede reducirse. El material fundido se expulsa para formar pequeños agujeros. El pequeño orificio también se llena con plasma fotoinducido, y la energía del láser que ingresa al pequeño orificio puede ser absorbida casi por completo por los múltiples reflejos de la pared del orificio y la acción del plasma (Figura 5). Debido a la absorción de plasma, la densidad de potencia del láser que pasa a través del orificio pequeño hasta el fondo del orificio pequeño disminuirá, y la densidad de potencia del láser en la parte inferior del orificio pequeño es esencial para generar una cierta presión de vaporización para mantener una cierta profundidad de el pequeño orificio, que determina la profundidad de penetración del proceso de mecanizado.

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Figura 5 Refracción láser en el agujero

Conclusión 3

La aplicación de la tecnología de procesamiento láser puede mejorar en gran medida la eficiencia de perforación de microagujeros de PCB de alta densidad. Los experimentos muestran que: ①Combinado con la tecnología de control numérico, se pueden procesar más de 30,000 microagujeros por minuto en la placa impresa, y la apertura está entre 75 y 100; ② La aplicación de láser UV puede reducir aún más la apertura a menos de 50 μm o menos, lo que crea las condiciones para ampliar aún más el espacio de uso de las placas PCB.