1 Aplicação de feixe de laser

A alta densidade Placa PCB é uma estrutura multicamadas, que é separada por resina isolante misturada com materiais de fibra de vidro, e uma camada condutora de folha de cobre é inserida entre eles. Em seguida, é laminado e colado. A Figura 1 mostra uma seção de uma placa de 4 camadas. O princípio do processamento a laser é usar feixes de laser para focar na superfície do PCB para derreter e vaporizar instantaneamente o material para formar pequenos orifícios. Como o cobre e a resina são dois materiais diferentes, a temperatura de fusão da folha de cobre é 1084 ° C, enquanto a temperatura de fusão da resina isolante é de apenas 200-300 ° C. Portanto, é necessário selecionar razoavelmente e controlar com precisão os parâmetros, como comprimento de onda do feixe, modo, diâmetro e pulso quando a perfuração a laser é aplicada.

1.1 A influência do comprimento de onda do feixe e modo no processamento

Quais são as aplicações do processamento a laser na fabricação de PCBs de alta densidade

Figura 1 Vista em corte transversal de PCB de 4 camadas

Pode-se ver na Figura 1 que o laser é o primeiro a processar a folha de cobre ao perfurar, e a taxa de absorção do cobre para o laser aumenta com o aumento do comprimento de onda. A taxa de absorção do laser YAG / UV de 351 a 355 m chega a 70%. O laser YAG / UV ou o método de máscara conformada podem ser usados ​​para perfurar placas impressas comuns. A fim de aumentar a integração do PCB de alta densidade, cada camada de folha de cobre tem apenas 18μm e o substrato de resina sob a folha de cobre tem uma alta taxa de absorção de laser de dióxido de carbono (cerca de 82%), o que fornece condições para a aplicação de perfuração a laser de dióxido de carbono. Porque a taxa de conversão fotoelétrica e eficiência de processamento do laser de dióxido de carbono é muito maior do que a do laser YAG / UV, desde que haja energia de feixe suficiente e a folha de cobre seja processada para aumentar sua taxa de absorção do laser, o laser de dióxido de carbono pode ser usado para abrir diretamente o PCB.

O modo transversal do feixe de laser tem uma grande influência no ângulo de divergência e na produção de energia do laser. Para obter energia de feixe suficiente, é necessário ter um bom modo de saída de feixe. O estado ideal é formar uma saída de modo Gaussiano de ordem inferior, conforme mostrado na Figura 2. Dessa forma, uma alta densidade de energia pode ser obtida, o que fornece um pré-requisito para que o feixe seja bem focado na lente.

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Figura 2 Distribuição de energia do modo Gaussiano de baixo custo

O modo de baixa ordem pode ser obtido modificando os parâmetros do ressonador ou instalando um diafragma. Embora a instalação do diafragma reduza a saída da energia do feixe, ela pode limitar o modo de laser de alta ordem para participar da perfuração e ajudar a melhorar a redondeza do pequeno orifício. .

1.2 Obtenção de microporos

Após a seleção do comprimento de onda e modo do feixe, para obter um furo ideal na placa de circuito impresso, o diâmetro do ponto deve ser controlado. Somente se o diâmetro do ponto for pequeno o suficiente, a energia pode se concentrar na ablação da placa. Existem muitas maneiras de ajustar o diâmetro do ponto, principalmente por meio de foco de lente esférica. Quando o feixe de modo Gaussiano entra na lente, o diâmetro do ponto no plano focal posterior da lente pode ser calculado aproximadamente com a seguinte fórmula:

D≈λF / (πd)

Na fórmula: F é o comprimento focal; d é o raio do feixe gaussiano projetado por uma pessoa na superfície da lente; λ é o comprimento de onda do laser.

Pode-se observar pela fórmula que quanto maior o diâmetro incidente, menor é o ponto focalizado. Quando outras condições são confirmadas, encurtar a distância focal é propício para reduzir o diâmetro do feixe. No entanto, depois que F for encurtado, a distância entre a lente e a peça de trabalho também será reduzida. A escória pode espirrar na superfície da lente durante a perfuração, o que afetará o efeito de perfuração e a vida útil da lente. Neste caso, um dispositivo auxiliar pode ser instalado na lateral da lente e o gás é usado. Execute a purga.

1.3 A influência do pulso do feixe

Um laser multipulso é usado para a perfuração e a densidade de potência do laser pulsado deve atingir pelo menos a temperatura de evaporação da folha de cobre. Como a energia do laser de pulso único foi enfraquecida após a queima através da folha de cobre, o substrato subjacente não pode ser efetivamente removido e a situação mostrada na Fig. 3a será formada, de modo que o orifício de passagem não pode ser formado. No entanto, a energia do feixe não deve ser muito alta durante a punção e a energia é muito alta. Após a penetração da folha de cobre, a ablação do substrato ficará muito grande, resultando na situação mostrada na Figura 3b, que não favorece o pós-processamento da placa de circuito. É mais ideal formar os microfuros com um padrão de orifícios ligeiramente cônico, conforme mostrado na Fig. 3c. Este padrão de orifício pode fornecer conveniência para o processo de revestimento de cobre subsequente.

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Figura 3 Tipos de furos processados ​​por diferentes lasers de energia

Para atingir o padrão de orifício mostrado na Figura 3c, uma forma de onda de laser pulsado com um pico frontal pode ser usada (Figura 4). A energia de pulso mais alta na extremidade frontal pode fazer a ablação da folha de cobre, e os pulsos múltiplos com energia mais baixa na extremidade traseira podem fazer a ablação do substrato isolante e fazer o furo se aprofundar até a folha de cobre inferior.

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Figura 4 Forma de onda de laser de pulso

2 Efeito do feixe de laser

Como as propriedades do material da folha de cobre e do substrato são muito diferentes, o feixe de laser e o material da placa de circuito interagem para produzir uma variedade de efeitos, que têm um impacto importante na abertura, profundidade e tipo de orifício dos microporos.

2.1 Reflexão e absorção do laser

A interação entre o laser e o PCB começa primeiro com o laser incidente sendo refletido e absorvido pela folha de cobre na superfície. Como a folha de cobre tem uma taxa de absorção muito baixa de laser de dióxido de carbono de comprimento de onda infravermelho, é difícil de processar e a eficiência é extremamente baixa. A parte absorvida da energia da luz aumentará a energia cinética do elétron livre do material da folha de cobre, e a maior parte dela será convertida na energia térmica da folha de cobre por meio da interação de elétrons e redes de cristal ou íons. Isso mostra que, ao mesmo tempo em que melhora a qualidade do feixe, é necessário realizar um pré-tratamento na superfície da folha de cobre. A superfície da folha de cobre pode ser revestida com materiais que aumentam a absorção de luz para aumentar sua taxa de absorção de luz laser.

2.2 O papel do efeito do feixe

Durante o processamento do laser, o feixe de luz irradia o material da folha de cobre, e a folha de cobre é aquecida até a vaporização, e a temperatura do vapor é alta, o que é fácil de quebrar e ionizar, ou seja, o plasma fotoinduzido é gerado por excitação de luz . O plasma fotoinduzido é geralmente um plasma de vapor material. Se a energia transmitida à peça pelo plasma for maior do que a perda de energia luminosa recebida pela peça causada pela absorção do plasma. Em vez disso, o plasma aumenta a absorção da energia do laser pela peça de trabalho. Caso contrário, o plasma bloqueia o laser e enfraquece a absorção do laser pela peça de trabalho. Para lasers de dióxido de carbono, o plasma fotoinduzido pode aumentar a taxa de absorção da folha de cobre. No entanto, muito plasma fará com que o feixe seja refratado ao passar, o que afetará a precisão do posicionamento do orifício. Geralmente, a densidade de potência do laser é controlada a um valor apropriado abaixo de 107 W / cm2, o que pode controlar melhor o plasma.

O efeito pinhole desempenha um papel extremamente importante no aumento da absorção da energia da luz no processo de perfuração a laser. O laser continua a fazer a ablação do substrato após queimar a folha de cobre. O substrato pode absorver uma grande quantidade de energia luminosa, vaporizar e expandir violentamente, e a pressão gerada pode ser O material fundido é jogado para fora para formar pequenos orifícios. O pequeno orifício também é preenchido com plasma fotoinduzido, e a energia do laser que entra no pequeno orifício pode ser quase completamente absorvida pelas múltiplas reflexões da parede do orifício e pela ação do plasma (Figura 5). Devido à absorção de plasma, a densidade de potência do laser passando pelo pequeno orifício para o fundo do pequeno orifício diminuirá, e a densidade de potência do laser na parte inferior do pequeno orifício é essencial para gerar uma certa pressão de vaporização para manter uma certa profundidade de o pequeno furo, que determina a profundidade de penetração do processo de usinagem.

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Figura 5 Refração do laser no orifício

Conclusão 3

A aplicação da tecnologia de processamento a laser pode melhorar muito a eficiência de perfuração de microfuros de PCB de alta densidade. Os experimentos mostram que: ① Combinado com a tecnologia de controle numérico, mais de 30,000 microfuros podem ser processados ​​por minuto na placa impressa, e a abertura está entre 75 e 100; ② A aplicação do laser UV pode tornar a abertura menor que 50μm ou menor, o que cria condições para expandir ainda mais o espaço de uso das placas PCB.