1 激光束的应用

高密度 PCB板 是一种多层结构，由掺有玻璃纤维材料的绝缘树脂隔开，中间插入一层铜箔导电层。 然后将其层压和粘合。 图 1 显示了 4 层板的一部分。 激光加工的原理是利用激光束聚焦在PCB表面，使材料瞬间熔化、汽化，形成小孔。 由于铜和树脂是两种不同的材料，铜箔的熔化温度为1084℃，而绝缘树脂的熔化温度仅为200-300℃。 因此，在应用激光钻孔时，需要合理选择和准确控制光束波长、模式、直径、脉冲等参数。

1.1 光束波长和模式对加工的影响

激光加工在高密度PCB制造中有哪些应用

图1 4层PCB剖面图

从图1可以看出，激光在穿孔时首先对铜箔进行加工，铜对激光的吸收率随着波长的增加而增加。 351~355m的YAG/UV激光吸收率高达70%。 YAG/UV 激光或保形掩模法可用于对普通印制板进行穿孔。 为提高高密度PCB的集成度，每层铜箔仅为18μm，铜箔下方的树脂基板对二氧化碳激光的吸收率高（约82%），为应用提供了条件二氧化碳激光穿孔。 由于二氧化碳激光器的光电转换率和加工效率远高于YAG/UV激光器，只要有足够的光束能量，并加工铜箔以增加其对激光的吸收率，二氧化碳激光器可用于直接打开PCB。

激光束的横模对激光器的发散角和能量输出影响很大。 为了获得足够的光束能量，需要有良好的光束输出模式。 理想状态是形成如图2所示的低阶高斯模式输出，这样可以获得高能量密度，这为光束很好地聚焦在透镜上提供了先决条件。

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图 2 低成本高斯模式能量分布

低阶模式可以通过修改谐振器的参数或安装膜片来获得。 膜片的安装虽然降低了光束能量的输出，但可以限制高阶模激光参与穿孔，有助于提高小孔的圆度。 .

1.2 获得微孔

选择光束的波长和模式后，为了在PCB上获得理想的孔，必须控制光斑的直径。 只有当光斑的直径足够小，能量才能集中在烧蚀板上。 调整光斑直径的方法有很多，主要是通过球面透镜聚焦。 当高斯模式光束进入透镜时，透镜后焦平面上的光斑直径可用下式近似计算：

D≈λF/(πd)

式中：F为焦距； d 是人投射到透镜表面的高斯光束的光斑半径； λ 是激光波长。

从公式可以看出，入射直径越大，聚焦光斑越小。 当其他条件确定时，缩短焦距有利于减小光束直径。 但是，缩短F后，镜头与工件之间的距离也缩小了。 钻孔时熔渣可能会溅到镜片表面，影响钻孔效果和镜片寿命。 在这种情况下，可以在镜头的侧面安装一个辅助装置并使用气体。 执行清除。

1.3 光束脉冲的影响

钻孔采用多脉冲激光，脉冲激光的功率密度至少要达到铜箔的蒸发温度。 由于单脉冲激光在烧穿铜箔后能量已经减弱，无法有效烧蚀下面的基板，会形成图3a所示的情况，从而无法形成过孔。 但是，冲孔时光束的能量不能太高，能量太高。 铜箔穿透后，基板的烧蚀会过大，造成图3b所示的情况，不利于电路板的后处理。 最理想的是形成具有轻微锥形孔图案的微孔，如图 3c 所示。 这种孔型可以为后续的镀铜工艺提供便利。

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图3 不同能量激光加工的孔型

为了实现图 3c 中所示的孔图案，可以使用具有前峰的脉冲激光波形（图 4）。 前端较高的脉冲能量可以烧蚀铜箔，后端较低能量的多个脉冲可以烧蚀绝缘基板并使孔变深，直到下铜箔。

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图 4 脉冲激光波形

2 激光束效应

由于铜箔和基板的材料特性差异很大，激光束和电路板材料相互作用产生多种效应，这些效应对微孔的孔径、深度和孔型有重要影响。

2.1 激光的反射和吸收

激光与PCB的相互作用首先从入射激光被表面的铜箔反射和吸收开始。 由于铜箔对红外波长二氧化碳激光的吸收率很低，加工难度大，效率极低。 吸收的部分光能会增加铜箔材料的自由电子动能，大部分通过电子与晶格或离子的相互作用转化为铜箔的热能。 这说明在提高光束质量的同时，需要对铜箔表面进行预处理。 铜箔表面可以涂上增加光吸收的材料，以增加其对激光的吸收率。

2.2 光束效应的作用

激光加工时，光束照射铜箔材料，铜箔受热汽化，蒸汽温度高，易分解电离，即光激发产生光致等离子体. 光致等离子体通常是材料蒸气的等离子体。 如果等离子传递给工件的能量大于等离子吸收引起的工件接收到的光能损失。 相反，等离子体增强了工件对激光能量的吸收。 否则，等离子体会阻挡激光并削弱工件对激光的吸收。 对于二氧化碳激光器，光致等离子体可以提高铜箔的吸收率。 但是，过多的等离子体会导致光束通过时发生折射，从而影响孔的定位精度。 一般将激光功率密度控制在107W/cm2以下的合适值，可以更好地控制等离子体。

针孔效应在增强激光钻孔过程中对光能的吸收方面起着极其重要的作用。 激光烧穿铜箔后继续烧蚀基板。 基板能吸收大量光能，剧烈汽化膨胀，产生的压力可将熔融材料抛出，形成小孔。 小孔内也充满了光致等离子体，进入小孔的激光能量几乎可以被孔壁的多次反射和等离子体的作用完全吸收（图5）。 由于等离子吸收，通过小孔到达小孔底部的激光功率密度会降低，小孔底部的激光功率密度对于产生一定的汽化压力以保持一定深度是必不可少的。小孔，它决定了加工过程的穿透深度。

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图5 激光在孔中的折射

3结论

激光加工技术的应用可以大大提高高密度PCB微孔的钻孔效率。 实验表明： ①结合数控技术，印制板上每分钟可加工30,000万多个微孔，孔径在75～100之间； ②紫外激光的应用可以进一步使孔径小于50μm或更小，为进一步扩大PCB板的使用空间创造了条件。