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紫外线激光器在印制电路板钻孔中的应用

导读: 紫外线激光的光子能量可高达3.5 -7.5eV ,在融化过程中能够使化学键断裂,部分通过紫外线激光的光化学作用,部分通过光热作用。这些性能使紫外线激光成为印制电路板工业应用的首选。

  当前用于制作印制电路板微通孔的激光器有四种类型:CO2 激光器、YAG激光器准分子激光器和铜蒸气激光器。CO2 激光器典型地用于生产大约75μm的孔,但是由于光束会从铜面上反射回来,所以它仅仅适合于除去电介质。CO2激光器非常稳定、便宜,且不需维护。准分子激光器是生产高质量、小直径孔的最佳选择,典型的孔径值为小于10μm。这些类型最适合用于微型球栅阵列封装( microBGA) 设备中聚酷亚胶基板的高密度阵列钻孔。铜蒸气激光器的发展尚在初期,然而在需要高生产率时仍具有优势。铜蒸气激光器能除去电介质和铜,然而在生产过程中会带来严重问题,会使得气流只能在受限的环境中生产产品。

  在印制电路板工业中应用最普遍的激光器是调QNd: YAG 激光器,其波长为355nm ,在紫外线范围内。这个波长可以在印制电路板钻孔时使大多数金属(Gu , Ni , Au , Ag) 融化,其吸收率超过50% (Meier 和Schmidt , 2002) ,有机材料也能被融化。紫外线激光的光子能量可高达3.5 -7.5eV ,在融化过程中能够使化学键断裂,部分通过紫外线激光的光化学作用,部分通过光热作用。这些性能使紫外线激光成为印制电路板工业应用的首选。

  YAG 激光系统有一个激光源,提供的能量密度(流量)超过4J/cm 2 ,这个能量密度是钻开微通孔表面铜循所必需的。有机材料的融化过程需要的能量密度大约只有100mJ/cm 2 ,例如环氧树脂和聚酷亚肢。为了在这样宽的频谱范围正确操作,需要非常准确和精密的控制激光能量。微通孔的钻孔过程需要两步,第一步用高能量密度激光打开铜箔,第二步用低能量密度激光除去电介质。

  激光的波长为355nm 时,其典型的光点直径大约为20μm。在脉冲时间小于140ns 时,激光的频率在10 - 50kHz 之间,这时的材料是不会产生热量的。

  上图给出了这种系统基本的原理图。通过计算机控制扫描器/反射系统定位激光束,通过焦阑透镜聚焦,可以使得光束以正确的角度钻孔。扫描过程通过软件产生一个矢量模式,以补偿材料和设计的偏差。扫描面积为55 x55mm 。这个系统与CAM 软件兼容,支持所有常用的数据格式。

  激光系统是德国人Mis LPKF 提出的,其机械设计的基座是将坚硬的花岗岩,其表面磨光精度不低于3μm 。工作台支座放置在气体轴承上,由线性发动机来控制。定位的准确性由玻璃标尺来控制,其可重复性确保在± 1μm 。工作台本身安装了光学传感器,可以在不同的反射点对激光位置进行精确调整,补偿光学变形和长期漂移的偏差。调整后,由软件所产生的一系列修正数据,可覆盖整个扫描区域。漂移刻度补偿大约需要lmin 的时间进行操作。基板的任何变化,例如位置偏离基准,可以通过高分辨率的CCD 相机检测到,通过软件控制进行补偿。

 

  这种系统非常适用于原型的生产,因为它能够钻孔和构形,从柔性到刚性印制电路板均可使用,包括金属聚合物,如阻焊剂、保护层、电介质等。Raman等人介绍了最先进的固态紫外线激光系统,以及其在高密度互连微通孔生产中的应用。

 

  Lange 和Vollrath 解释了紫外线激光系统(微线钻孔600 系统)在钻孔、构形和切割中的各种应用。该系统可以钻孔和微通孔,铜层孔径减小到了30μm ,并且对于一定范围内的基材能进行单步操作,这种系统也能生产最小宽度为20μm 的印制电路板外层导线,其生产能力大大超过了光化学。这种系统的生产速度可高达250 钻的操作,并能够允许所有标准输入,例如Gerber 和HPGL 。它的操作面积是640mm x 560mm (25. 2in x 22in) ,最大的材料高度为50mm (2in) ,可适用于大部分常用基板。机器工作台的基座和它的导轨都是用天然的花岗岩制作的,精确度为±3μm 。工作台由线性驱动器驱动,由空气轴承支撑;位置由具有热量补偿的玻璃标尺控制,其精度为土iμm 。操作台上基板的安装是通过真空设备完成的。

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