當(dāng)前用于制作印制電路板微通孔的激光器有四種類型:CO2 激光器、YAG激光器、準(zhǔn)分子激光器和銅蒸氣激光器。CO2 激光器典型地用于生產(chǎn)大約75μm的孔,但是由于光束會從銅面上反射回來,所以它僅僅適合于除去電介質(zhì)。CO2激光器非常穩(wěn)定、便宜,且不需維護(hù)。準(zhǔn)分子激光器是生產(chǎn)高質(zhì)量、小直徑孔的最佳選擇,典型的孔徑值為小于10μm。這些類型最適合用于微型球柵陣列封裝( microBGA) 設(shè)備中聚酷亞膠基板的高密度陣列鉆孔。銅蒸氣激光器的發(fā)展尚在初期,然而在需要高生產(chǎn)率時仍具有優(yōu)勢。銅蒸氣激光器能除去電介質(zhì)和銅,然而在生產(chǎn)過程中會帶來嚴(yán)重問題,會使得氣流只能在受限的環(huán)境中生產(chǎn)產(chǎn)品。
在印制電路板工業(yè)中應(yīng)用最普遍的激光器是調(diào)QNd: YAG 激光器,其波長為355nm ,在紫外線范圍內(nèi)。這個波長可以在印制電路板鉆孔時使大多數(shù)金屬(Gu , Ni , Au , Ag) 融化,其吸收率超過50% (Meier 和Schmidt , 2002) ,有機(jī)材料也能被融化。紫外線激光的光子能量可高達(dá)3.5-7.5eV ,在融化過程中能夠使化學(xué)鍵斷裂,部分通過紫外線激光的光化學(xué)作用,部分通過光熱作用。這些性能使紫外線激光成為印制電路板工業(yè)應(yīng)用的首選。
YAG 激光系統(tǒng)有一個激光源,提供的能量密度(流量)超過4J/cm2 ,這個能量密度是鉆開微通孔表面銅循所必需的。有機(jī)材料的融化過程需要的能量密度大約只有100mJ/cm2 ,例如環(huán)氧樹脂和聚酷亞肢。為了在這樣寬的頻譜范圍正確操作,需要非常準(zhǔn)確和精密的控制激光能量。微通孔的鉆孔過程需要兩步,第一步用高能量密度激光打開銅箔,第二步用低能量密度激光除去電介質(zhì)。
激光的波長為355nm 時,其典型的光點直徑大約為20μm。在脈沖時間小于140ns 時,激光的頻率在10-50kHz 之間,這時的材料是不會產(chǎn)生熱量的。
上圖給出了這種系統(tǒng)基本的原理圖。通過計算機(jī)控制掃描器/反射系統(tǒng)定位激光束,通過焦闌透鏡聚焦,可以使得光束以正確的角度鉆孔。掃描過程通過軟件產(chǎn)生一個矢量模式,以補(bǔ)償材料和設(shè)計的偏差。掃描面積為55x55mm 。這個系統(tǒng)與CAM 軟件兼容,支持所有常用的數(shù)據(jù)格式。
激光系統(tǒng)是德國人Mis LPKF 提出的,其機(jī)械設(shè)計的基座是將堅硬的花崗巖,其表面磨光精度不低于3μm 。工作臺支座放置在氣體軸承上,由線性發(fā)動機(jī)來控制。定位的準(zhǔn)確性由玻璃標(biāo)尺來控制,其可重復(fù)性確保在±1μm 。工作臺本身安裝了光學(xué)傳感器,可以在不同的反射點對激光位置進(jìn)行精確調(diào)整,補(bǔ)償光學(xué)變形和長期漂移的偏差。調(diào)整后,由軟件所產(chǎn)生的一系列修正數(shù)據(jù),可覆蓋整個掃描區(qū)域。漂移刻度補(bǔ)償大約需要lmin 的時間進(jìn)行操作。基板的任何變化,例如位置偏離基準(zhǔn),可以通過高分辨率的CCD 相機(jī)檢測到,通過軟件控制進(jìn)行補(bǔ)償。
這種系統(tǒng)非常適用于原型的生產(chǎn),因為它能夠鉆孔和構(gòu)形,從柔性到剛性印制電路板均可使用,包括金屬聚合物,如阻焊劑、保護(hù)層、電介質(zhì)等。Raman等人介紹了最先進(jìn)的固態(tài)紫外線激光系統(tǒng),以及其在高密度互連微通孔生產(chǎn)中的應(yīng)用。
Lange 和Vollrath 解釋了紫外線激光系統(tǒng)(微線鉆孔600 系統(tǒng))在鉆孔、構(gòu)形和切割中的各種應(yīng)用。該系統(tǒng)可以鉆孔和微通孔,銅層孔徑減小到了30μm ,并且對于一定范圍內(nèi)的基材能進(jìn)行單步操作,這種系統(tǒng)也能生產(chǎn)最小寬度為20μm 的印制電路板外層導(dǎo)線,其生產(chǎn)能力大大超過了光化學(xué)。這種系統(tǒng)的生產(chǎn)速度可高達(dá)250 鉆的操作,并能夠允許所有標(biāo)準(zhǔn)輸入,例如Gerber 和HPGL 。它的操作面積是640mm x 560mm (25.2in x 22in) ,最大的材料高度為50mm (2in) ,可適用于大部分常用基板。機(jī)器工作臺的基座和它的導(dǎo)軌都是用天然的花崗巖制作的,精確度為±3μm 。工作臺由線性驅(qū)動器驅(qū)動,由空氣軸承支撐;位置由具有熱量補(bǔ)償?shù)牟A?biāo)尺控制。操作臺上基板的安裝是通過真空設(shè)備完成的。
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