1 激光束的應用

高密度 PCB板 是一種多層結構，由摻有玻璃纖維材料的絕緣樹脂隔開，中間插入一層銅箔導電層。 然後將其層壓和粘合。 圖 1 顯示了 4 層板的一部分。 激光加工的原理是利用激光束聚焦在PCB表面，使材料瞬間熔化汽化形成小孔。 由於銅和樹脂是兩種不同的材料，銅箔的熔化溫度為1084℃，而絕緣樹脂的熔化溫度僅為200-300℃。 因此，在應用激光鑽孔時，需要合理選擇和準確控制光束波長、模式、直徑、脈衝等參數。

1.1 光束波長和模式對加工的影響

激光加工在高密度PCB製造中有哪些應用

圖1 4層PCB剖面圖

從圖1可以看出，激光在穿孔時首先對銅箔進行加工，銅對激光的吸收率隨著波長的增加而增加。 351~355m的YAG/UV激光吸收率高達70%。 YAG/UV 激光或保形掩模法可用於對普通印製板進行穿孔。 為提高高密度PCB的集成度，每層銅箔僅為18μm，銅箔下方的樹脂基闆對二氧化碳激光的吸收率高（約82%），為應用提供了條件二氧化碳激光穿孔。 因為二氧化碳激光的光電轉換率和加工效率遠高於YAG/UV激光，只要有足夠的光束能量，並加工銅箔，增加其對激光的吸收率，二氧化碳激光可用於直接打開PCB。

激光束的橫模對激光器的發散角和能量輸出影響很大。 為了獲得足夠的光束能量，需要有良好的光束輸出模式。 理想狀態是形成如圖2所示的低階高斯模式輸出，這樣可以獲得高能量密度，這為光束很好地聚焦在透鏡上提供了先決條件。

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圖 2 低成本高斯模式能量分佈

低階模式可以通過修改諧振器的參數或安裝膜片來獲得。 膜片的安裝雖然降低了光束能量的輸出，但可以限制高階模激光參與穿孔，有助於提高小孔的圓度。 .

1.2 Obtaining micropores

After the wavelength and mode of the beam are selected, in order to obtain an ideal hole on the PCB, the diameter of the spot must be controlled. Only if the diameter of the spot is small enough, the energy can concentrate on ablating the plate. There are many ways to adjust the spot diameter, mainly through spherical lens focusing. When the Gaussian mode beam enters the lens, the spot diameter on the back focal plane of the lens can be approximately calculated with the following formula:

D≈λF/(πd)

式中：F為焦距； d 是人投射到透鏡表面的高斯光束的光斑半徑； λ 是激光波長。

從公式可以看出，入射直徑越大，聚焦光斑越小。 當其他條件確定時，縮短焦距有利於減小光束直徑。 但是，縮短F後，鏡頭與工件之間的距離也減小了。 鑽孔時熔渣可能會濺到鏡片表面，影響鑽孔效果和鏡片壽命。 在這種情況下，可以在鏡頭的側面安裝一個輔助裝置並使用氣體。 執行清除。

1.3 光束脈衝的影響

鑽孔採用多脈衝激光，脈衝激光的功率密度至少要達到銅箔的蒸發溫度。 由於單脈衝激光在燒穿銅箔後能量已經減弱，無法有效燒蝕下方基板，會形成圖3a所示的情況，從而無法形成過孔。 但是，沖孔時光束的能量不能太高，能量太高。 銅箔穿透後，基板的燒蝕會過大，導致圖3b所示的情況，不利於電路板的後處理。 最理想的是形成具有輕微錐形孔圖案的微孔，如圖 3c 所示。 這種孔型可以為後續的鍍銅工藝提供便利。

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圖3 不同能量激光加工的孔型

In order to achieve the hole pattern shown in Figure 3c, a pulsed laser waveform with a front peak can be used (Figure 4). The higher pulse energy at the front end can ablate the copper foil, and the multiple pulses with lower energy at the back end can ablate the insulating substrate and Make the hole deepen until the lower copper foil.

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圖 4 脈衝激光波形

2 激光束效應

由於銅箔和基板的材料特性差異很大，激光束和電路板材料相互作用產生多種效應，這些效應對微孔的孔徑、深度和孔型有重要影響。

2.1 激光的反射和吸收

激光與PCB的相互作用首先從入射激光被表面的銅箔反射和吸收開始。 由於銅箔對紅外波長二氧化碳激光的吸收率很低，加工難度大，效率極低。 吸收的部分光能會增加銅箔材料的自由電子動能，大部分通過電子與晶格或離子的相互作用轉化為銅箔的熱能。 這說明在提高光束質量的同時，需要對銅箔表面進行預處理。 銅箔表面可以塗上增加光吸收的材料，以增加其對激光的吸收率。

2.2 光束效應的作用

激光加工時，光束照射銅箔材料，銅箔受熱汽化，蒸汽溫度高，易分解電離，即光激發產生光致等離子體. 光致等離子體通常是材料蒸氣的等離子體。 如果等離子傳遞給工件的能量大於等離子吸收引起的工件接收到的光能損失。 相反，等離子體增強了工件對激光能量的吸收。 否則，等離子體會阻擋激光並削弱工件對激光的吸收。 對於二氧化碳激光器，光致等離子體可以提高銅箔的吸收率。 但是，過多的等離子體會導致光束在通過時發生折射，從而影響孔的定位精度。 一般將激光功率密度控制在107W/cm2以下的合適值，可以更好地控制等離子體。

針孔效應在增強激光鑽孔過程中對光能的吸收方面起著極其重要的作用。 激光燒穿銅箔後繼續燒蝕基板。 基板能吸收大量光能，劇烈汽化膨脹，產生的壓力可將熔融材料拋出，形成小孔。 小孔內也充滿了光致等離子體，進入小孔的激光能量幾乎可以被孔壁的多次反射和等離子體的作用完全吸收（圖5）。 由於等離子吸收，通過小孔到達小孔底部的激光功率密度會降低，小孔底部的激光功率密度對於產生一定的汽化壓力以保持一定深度是必不可少的。小孔，它決定了加工過程的穿透深度。

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圖5 激光在孔中的折射

3結論

激光加工技術的應用可以大大提高高密度PCB微孔的鑽孔效率。 實驗表明： ①結合數控技術，印製板上每分鐘可加工30,000萬多個微孔，孔徑在75～100之間； ②紫外激光的應用可以進一步使孔徑小於50μm或更小，為進一步擴大PCB板的使用空間創造了條件。