Laser je snažan snop svjetlosti koji se pobuđuje kada je "zraka" stimulirana vanjskim stimulusom koji povećava njegovu energiju. Infracrvena i vidljiva svjetlost imaju toplinsku energiju, dok ultraljubičasto svjetlo ima optičku energiju. Kada ova vrsta svjetlosti udari u površinu radnog predmeta, javljaju se tri fenomena: refleksija, apsorpcija i penetracija.
Glavna funkcija laserskog bušenja je mogućnost brzog uklanjanja materijala supstrata koji se obrađuje, uglavnom fototermalnom ablacijom i fotohemijskom ablacijom ili takozvanom ekscizijom.
- Fototermalna ablacija: Princip formiranja rupa u kojem materijal koji se obrađuje apsorbira lasersku svjetlost visoke energije, zagrijava se do topljenja u vrlo kratkom vremenu i isparava. Ova metoda procesa u materijalu podloge je podvrgnuta visokoj energiji, u rupi koju formira zid pocrnjelog karboniziranog ostatka, rupa se mora prethodno očistiti.
- Fotohemijska ablacija: odnosi se na ultraljubičasto područje, ima visoku energiju fotona (više od 2 eV elektron volta), laserska talasna dužina od više od 400 nanometara visokoenergetskih fotona igra ulogu u rezultatima. Ovi visokoenergetski fotoni mogu uništiti dugi molekularni lanac organskih materijala, postati manje čestice, a njegova energija je veća od originalnih molekula, ekstremna sila od koje treba pobjeći, u slučaju vanjskog usisavanja štipanja, tako da materijal supstrata se brzo uklanja i formira se mikroporozna. Ova vrsta procesa ne sadrži termičko sagorijevanje i ne proizvodi karbonizaciju. Stoga je vrlo lako očistiti prije poriranja. Ovo su osnovni principi formiranja laserskih rupa. Trenutno najčešće korišćene dve vrste laserskog bušenja: bušenje štampanih ploča sa laserima su uglavnom RF pobuđeni CO2 gasni laseri i UV čvrsti Nd:YAG laseri.
- O apsorbanciji supstrata: stopa uspjeha lasera ima direktnu vezu sa apsorbancijom materijala podloge. Štampane ploče su napravljene od bakarne folije i staklene tkanine i kombinacije smole, apsorbancija ova tri materijala je takođe različita zbog različitih talasnih dužina, ali bakarna folija i staklena tkanina su u ultraljubičastom 0.3mμ ispod regiona stopa apsorpcije je veća, ali u vidljivu svjetlost i IC nakon značajnog pada. Materijali od organske smole, s druge strane, mogu održavati prilično visoku stopu apsorpcije u sva tri spektralna pojasa. To je karakteristika koju imaju smolni materijali i osnova je popularnosti procesa laserskog bušenja.
Koje vrste laserskog bušenja su dostupne u fabrikama PCB-a?
Laser je snažan snop svjetlosti koji se pobuđuje kada su "zraci" stimulirani vanjskim stimulusom koji povećava njegovu energiju, pri čemu infracrvena i vidljiva svjetlost imaju toplinsku energiju, a ultraljubičasto svjetlo optičku energiju. Kada ova vrsta svjetlosti udari u površinu radnog predmeta, javljaju se tri fenomena: refleksija, apsorpcija i penetracija. Glavna funkcija laserskog bušenja je mogućnost brzog uklanjanja materijala supstrata koji se obrađuje, što je uglavnom fototermalnom ablacijom i fotohemijskom ablacijom ili takozvanom ekscizijom.
Za lasersko bušenje u komercijalnoj proizvodnji PCB-a koriste se dvije laserske tehnologije: CO2 laseri sa talasnim dužinama u dalekom infracrvenom opsegu i UV laseri sa talasnim dužinama u ultraljubičastom opsegu. CO2 laseri se široko koriste u proizvodnji industrijskih mikropropusnih rupa u štampanim pločama , koji moraju imati prečnike veće od 100 μm (Raman, 2001). Za izradu ovih velikih otvora, CO2 laseri su visoko produktivni zbog vrlo kratkog vremena probijanja potrebnog za proizvodnju velikih otvora sa CO2 laserima. Tehnologija UV lasera se široko koristi u izradi mikrovijača prečnika manjim od 100 μm, pa čak i manjim od 50 μm uz upotrebu mikrofabrikovanih dijagrama ožičenja. UV laserska tehnologija je vrlo produktivna u proizvodnji rupa prečnika manjeg od 80 μm. Stoga, kako bi zadovoljili sve veću potražnju za mikrovia produktivnošću, mnogi proizvođači PCB-a počeli su uvoditi sisteme laserskog bušenja s dvije glave.
Ovo su tri glavna tipa laserskih sistema za bušenje sa dvostrukom glavom koji su danas dostupni na tržištu:
- Dvoglavi UV laserski sistemi za bušenje
- Dvoglavi CO2 laserski sistemi za bušenje; i
- Sistemi za lasersko bušenje (CO2 i UV)
Sve ove vrste sistema bušenja imaju svoje prednosti i nedostatke. Laserski sistemi za bušenje mogu se jednostavno podijeliti u dva tipa, sistemi s dvostrukom bušilicom sa jednom talasnom dužinom i dvostruki sistemi za bušenje sa dvostrukom talasnom dužinom.
Bez obzira na vrstu, postoje dvije glavne komponente koje utiču na sposobnost bušenja rupa:
- Energija lasera/pulsna energija
- Sistem pozicioniranja zraka
Energija laserskog impulsa i efikasnost isporuke zraka određuju vrijeme bušenja, vrijeme bušenja je vrijeme potrebno laserskoj bušilici da izbuši mikroprolaznu rupu, a sistem pozicioniranja zraka određuje brzinu kojom se može kretati između dva rupe. Zajedno, ovi faktori određuju brzinu kojom mašina za lasersko bušenje može proizvesti mikroprofile potrebne za date zahtjeve. UV laserski sistemi sa dvostrukom glavom su najprikladniji za bušenje rupa manjih od 90 μm u integrisanim kolima sa visokim odnosom širine i visine.
Dvoglavi CO2 laserski sistem koristi Q-moduliran CO2 laser pobuđen RF. Glavne prednosti ovog sistema su visoka ponovljivost (do 100 kHz), kratko vrijeme bušenja i široka radna površina, koja omogućava bušenje slijepe rupe sa samo nekoliko prolaza, ali kvalitet izbušenih rupa može biti bolji. nisko.
Najčešći sistem laserskog bušenja sa dve glave je hibridni laserski sistem za bušenje, koji se sastoji od UV laserske glave i CO2 laserske glave. Ova kombinovana hibridna laserska metoda bušenja omogućava istovremeno bušenje bakra i dielektrika. Bakar se buši UV laserom kako bi se stvorila željena veličina i oblik rupe, a CO2 laser se koristi za bušenje nepokrivenog dielektrika odmah nakon toga. Proces bušenja se postiže bušenjem bloka 2in X 2in koji se zove polje.
CO2 laser efikasno uklanja dielektrike, čak i neujednačene dielektrike ojačane staklom. Međutim, jedan CO2 laser ne može napraviti male rupe (manje od 75 μm) i ukloniti bakar, uz nekoliko izuzetaka da može ukloniti prethodno obrađene tanke bakrene folije manje od 5 μm (lustino, 2002). UV laser može napraviti vrlo male rupe i ukloniti sve uobičajene bakrene ulice (3 - 36 μm, 1oz, čak i obložene bakarne folije). UV laser također može sam ukloniti dielektrične materijale, ali sporije. Štaviše, za neujednačene materijale, npr. ojačano staklo FR-4, rezultati su obično loši. To je zato što se staklo može ukloniti samo ako se gustoća energije poveća na određeni nivo, što također uništava unutrašnje jastučiće. S obzirom da se sistem stick lasera sastoji od UV lasera i CO 2 lasera, optimalan je u oba područja, UV laserom se mogu napraviti sve bakarne folije i male rupe, a CO 2 laserom brzo se izbuše dielektrici. Slika daje ilustraciju strukture laserskog sistema bušenja sa dve glave sa programabilnim razmakom bušenja. Razmak između dvije bušilice može se sam podesiti prema rasporedu komponenti, što osigurava maksimalnu sposobnost laserskog bušenja.
Danas je razmak između dvije bušilice fiksiran u većini laserskih sistema za bušenje s dvije glave s tehnologijom pozicioniranja snopa koraka i ponavljanja. Prednost samog laserskog daljinskog upravljača sa korak-i-ponavljanjem je veliki raspon podešavanja domene (do (50 X 50) μm). Nedostatak je što se laserski telekonverter mora preći preko fiksnog polja, a razmak između dvije bušilice je fiksan. Udaljenost između dvije bušilice tipičnog laserskog daljinskog regulatora s dvije glave je fiksna (približno 150 μm). Za različite veličine panela, bušilice s fiksnim razmakom ne mogu se optimalno konfigurirati da dovrše operaciju, kao ni bušilice s programiranim razmakom.
Današnji sistemi laserskog bušenja s dvije glave dostupni su u širokom rasponu veličina i performansi kako za male proizvođače PCB-a, tako i za proizvođače PCB-a velikog obima.
Keramički aluminijum oksid se koristi u proizvodnji štampanih ploča zbog svoje visoke dielektrične konstante. Međutim, zbog njegove krhkosti, proces bušenja potreban za ožičenje i montažu je težak kod standardnih alata, jer se mehanički stres mora svesti na minimum, što je dobra stvar za lasersko bušenje. Rangel et al. (1997) su pokazali da je za podloge od aluminijevog oksida, kao i za supstrate od aluminijevog oksida obložene zlatom i sidrima, moguće bušiti pomoću podešenog QNd:YAG lasera. Upotreba kratkog impulsa, niske energije, lasera velike vršne snage pomogla je da se izbjegne oštećenje uzorka mehaničkim naprezanjem i proizvela je visokokvalitetne prolazne rupe s promjerom manjim od 100 μm. Ova tehnologija se uspješno koristi u mikrotalasnim pojačivačima niske buke u frekvencijskom opsegu od 8 - 18 GHz.
Nd:YAG laserska tehnologija je korištena za obradu slijepih i prolaznih rupa u širokom spektru materijala. Među njima je i bušenje pilot rupa u poliimidnim bakarnim laminatima sa minimalnim prečnikom rupe od 25 mikrona. Analizirajući troškove proizvodnje, najekonomičniji korišteni promjer je 25-125 mikrona. Brzina bušenja je 10,000 rupa/min. Može se koristiti direktno lasersko probijanje, prečnik rupe do 50 mikrona. Unutrašnja površina oblikovanih rupa je čista i bez karbonizacije i može se lako obložiti. Isto može biti i u PTFE bakrenom laminatu koji buši rupe, najmanji prečnik rupe od 25 mikrona, najekonomičniji prečnik koji se koristi za 25-125 mikrona. Brzina bušenja je 4500 rupa/min. Nije potrebno prethodno graviranje prozora. Dobijene rupe su čiste i ne zahtijevaju dodatne posebne zahtjeve za obradu.
