1 Zastosowanie wiązki laserowej

Wysoka gęstość PCB to konstrukcja wielowarstwowa, która jest oddzielona żywicą izolacyjną zmieszaną z materiałami z włókna szklanego, a pomiędzy nimi umieszczona jest przewodząca warstwa folii miedzianej. Następnie jest laminowany i klejony. Rysunek 1 przedstawia przekrój płyty 4-warstwowej. Zasada obróbki laserowej polega na wykorzystaniu wiązek laserowych do skupienia się na powierzchni PCB, aby natychmiast stopić i odparować materiał, tworząc małe otwory. Ponieważ miedź i żywica to dwa różne materiały, temperatura topnienia folii miedzianej wynosi 1084°C, podczas gdy temperatura topnienia żywicy izolacyjnej wynosi tylko 200-300°C. Dlatego konieczne jest rozsądne dobieranie i dokładna kontrola parametrów, takich jak długość fali wiązki, tryb, średnica i impuls, gdy stosuje się wiercenie laserowe.

1.1 Wpływ długości fali i modu wiązki na przetwarzanie

Jakie są zastosowania obróbki laserowej w produkcji PCB o dużej gęstości?

Rysunek 1 Przekrój 4-warstwowej płytki PCB

Jak widać z rysunku 1, laser jako pierwszy przetwarza folię miedzianą podczas perforacji, a szybkość absorpcji miedzi przez laser wzrasta wraz ze wzrostem długości fali. Szybkość absorpcji lasera YAG/UV od 351 do 355 m wynosi aż 70%. Do perforacji zwykłych płyt drukowanych można użyć lasera YAG/UV lub maskę konformalną. W celu zwiększenia integracji PCB o dużej gęstości, każda warstwa folii miedzianej ma tylko 18μm, a podłoże żywiczne pod folią miedzianą ma wysoki współczynnik absorpcji lasera dwutlenku węgla (około 82%), co zapewnia warunki do aplikacji perforacji laserem dwutlenku węgla. Ponieważ współczynnik konwersji fotoelektrycznej i wydajność przetwarzania lasera dwutlenku węgla jest znacznie wyższa niż w przypadku lasera YAG/UV, o ile energia wiązki jest wystarczająca, a folia miedziana jest przetwarzana w celu zwiększenia szybkości absorpcji lasera, laser dwutlenku węgla może być używany do bezpośredniego otwierania PCB.

Tryb poprzeczny wiązki laserowej ma duży wpływ na kąt rozbieżności i moc wyjściową lasera. Aby uzyskać wystarczającą energię wiązki, konieczne jest posiadanie dobrego trybu wyjścia wiązki. Idealnym stanem jest utworzenie wyjścia w trybie gaussowskim niskiego rzędu, jak pokazano na rysunku 2. W ten sposób można uzyskać wysoką gęstość energii, co zapewnia warunek wstępny dobrego skupienia wiązki na soczewce.

Jakie są zastosowania obróbki laserowej w produkcji PCB o dużej gęstości?

Rysunek 2 Niski koszt dystrybucji energii w trybie Gaussa

Tryb niskiego rzędu można uzyskać modyfikując parametry rezonatora lub instalując membranę. Chociaż instalacja membrany zmniejsza wyjściową energię wiązki, może ograniczyć udział lasera w trybie wysokiego rzędu w perforacji i pomóc poprawić okrągłość małego otworu. .

1.2 Otrzymywanie mikroporów

Po wybraniu długości fali i modu wiązki, aby uzyskać idealny otwór na płytce drukowanej, należy kontrolować średnicę plamki. Tylko jeśli średnica plamki jest wystarczająco mała, energia może skoncentrować się na ablacji płytki. Istnieje wiele sposobów regulacji średnicy plamki, głównie poprzez ogniskowanie soczewki sferycznej. Kiedy wiązka w trybie Gaussa wchodzi do obiektywu, średnicę plamki na tylnej płaszczyźnie ogniskowej obiektywu można w przybliżeniu obliczyć za pomocą następującego wzoru:

D≈λF/(πd)

We wzorze: F to ogniskowa; d jest promieniem plamki wiązki Gaussa rzucanej przez osobę na powierzchnię soczewki; λ to długość fali lasera.

Ze wzoru wynika, że ​​im większa średnica padania, tym mniejsza skupiona plamka. Gdy potwierdzą się inne warunki, skrócenie ogniskowej sprzyja zmniejszeniu średnicy wiązki. Jednak po skróceniu F zmniejsza się również odległość między soczewką a przedmiotem obrabianym. Żużel może rozpryskiwać się na powierzchni soczewki podczas wiercenia, co wpłynie na efekt wiercenia i żywotność soczewki. W takim przypadku z boku soczewki można zainstalować urządzenie pomocnicze i użyć gazu. Wykonaj czyszczenie.

1.3 Wpływ impulsu wiązki

Do wiercenia wykorzystywany jest laser wielopulsowy, a gęstość mocy lasera impulsowego musi co najmniej osiągnąć temperaturę parowania folii miedzianej. Ponieważ energia lasera jednoimpulsowego została osłabiona po przepaleniu przez folię miedzianą, znajdującego się poniżej podłoża nie można skutecznie usunąć, a sytuacja pokazana na rys. 3a zostanie ukształtowana, tak że nie będzie można utworzyć przelotki. Jednak energia wiązki nie powinna być zbyt wysoka podczas przebijania, a energia jest zbyt wysoka. Po przebiciu folii miedzianej ablacja podłoża będzie zbyt duża, co spowoduje sytuację pokazaną na rysunku 3b, która nie sprzyja późniejszemu przetwarzaniu płytki drukowanej. Najbardziej idealne jest wykonanie mikrootworów o lekko zwężającym się układzie otworów, jak pokazano na Rys. 3c. Taki układ otworów może zapewnić wygodę w późniejszym procesie powlekania miedzią.

Jakie są zastosowania obróbki laserowej w produkcji PCB o dużej gęstości?

Rysunek 3 Rodzaje otworów przetwarzanych przez różne lasery energetyczne

Aby uzyskać wzór otworów pokazany na rysunku 3c, można zastosować impulsowy przebieg laserowy z przednim szczytem (rysunek 4). Wyższa energia impulsu na przednim końcu może spowodować ablację folii miedzianej, a wielokrotne impulsy o niższej energii na tylnym końcu mogą usunąć podłoże izolacyjne i pogłębić otwór, aż dolna folia miedziana.

Jakie są zastosowania obróbki laserowej w produkcji PCB o dużej gęstości?

Rysunek 4 Przebieg impulsowy lasera

2 efekt wiązki laserowej

Ponieważ właściwości materiału folii miedzianej i podłoża są bardzo różne, wiązka lasera i materiał płytki drukowanej oddziałują ze sobą, tworząc różnorodne efekty, które mają istotny wpływ na aperturę, głębokość i rodzaj otworu mikroporów.

2.1 Odbicie i absorpcja lasera

Interakcja między laserem a płytką drukowaną zaczyna się najpierw od odbijania i pochłaniania padającego lasera przez folię miedzianą na powierzchni. Ponieważ folia miedziana ma bardzo niski współczynnik absorpcji promieniowania podczerwonego lasera na dwutlenek węgla, jest trudna w obróbce, a wydajność jest wyjątkowo niska. Pochłonięta część energii świetlnej zwiększy energię kinetyczną swobodnych elektronów materiału folii miedzianej, a większość z niej zostanie przekształcona w energię cieplną folii miedzianej poprzez oddziaływanie elektronów i sieci krystalicznych lub jonów. Świadczy to o tym, że przy poprawie jakości wiązki konieczne jest wykonanie wstępnej obróbki powierzchni folii miedzianej. Powierzchnia folii miedzianej może być pokryta materiałami, które zwiększają absorpcję światła, aby zwiększyć jej szybkość absorpcji światła laserowego.

2.2 Rola efektu wiązki

Podczas obróbki laserowej wiązka światła promieniuje materiał folii miedzianej, a folia miedziana jest podgrzewana do odparowania, a temperatura pary jest wysoka, co jest łatwe do rozbicia i jonizacji, czyli fotoindukowana plazma jest generowana przez wzbudzenie światłem . Plazma fotoindukowana jest na ogół plazmą par materiału. Jeżeli energia przekazywana do przedmiotu obrabianego przez plazmę jest większa niż utrata energii świetlnej odbieranej przez przedmiot, spowodowana absorpcją plazmy. Plazma zamiast tego zwiększa absorpcję energii lasera przez obrabiany przedmiot. W przeciwnym razie plazma blokuje laser i osłabia absorpcję lasera przez obrabiany przedmiot. W przypadku laserów na dwutlenek węgla, fotoindukowana plazma może zwiększyć szybkość absorpcji folii miedzianej. Jednak zbyt duża ilość plazmy spowoduje załamanie wiązki podczas przechodzenia przez nią, co wpłynie na dokładność pozycjonowania otworu. Generalnie gęstość mocy lasera jest kontrolowana do odpowiedniej wartości poniżej 107 W/cm2, co pozwala lepiej kontrolować plazmę.

Efekt otworkowy odgrywa niezwykle ważną rolę w zwiększaniu absorpcji energii świetlnej w procesie wiercenia laserowego. Laser kontynuuje ablację podłoża po przepaleniu folii miedzianej. Podłoże może pochłaniać dużą ilość energii świetlnej, gwałtownie odparowywać i rozszerzać się, a wytwarzane ciśnienie może być. Stopiony materiał jest wyrzucany, tworząc małe otwory. Mały otwór jest również wypełniony fotoindukowaną plazmą, a energia lasera wchodząca do małego otworu może zostać prawie całkowicie pochłonięta przez wielokrotne odbicia od ściany otworu i działanie plazmy (rys. 5). Ze względu na absorpcję plazmy, gęstość mocy lasera przechodzącego przez mały otwór do dna małego otworu zmniejszy się, a gęstość mocy lasera na dnie małego otworu jest niezbędna do wytworzenia określonego ciśnienia parowania w celu utrzymania określonej głębokości mały otwór, który określa głębokość penetracji procesu obróbki.

Jakie są zastosowania obróbki laserowej w produkcji PCB o dużej gęstości?

Rysunek 5 Załamanie lasera w otworze

Wnioski 3

Zastosowanie technologii obróbki laserowej może znacznie poprawić wydajność wiercenia mikrootworów PCB o dużej gęstości. Eksperymenty pokazują, że: ①W połączeniu z technologią sterowania numerycznego, na płytce drukowanej można przetwarzać ponad 30,000 75 mikrootworów na minutę, a apertura wynosi od 100 do 50; ② Zastosowanie lasera UV może dodatkowo zmniejszyć aperturę mniejszą niż XNUMX μm, co stwarza warunki do dalszego rozszerzenia przestrzeni użytkowej płytek PCB.