Лазер — це потужний промінь світла, який збуджується, коли «промінь» стимулюється зовнішнім подразником, що збільшує його енергію. Інфрачервоне та видиме світло мають теплову енергію, тоді як ультрафіолетове світло має оптичну енергію. Коли цей тип світла потрапляє на поверхню деталі, відбуваються три явища: відображення, поглинання та проникнення.
Основною функцією лазерного свердління є можливість швидкого видалення матеріалу підкладки, що підлягає обробці, головним чином шляхом фототермічної абляції та фотохімічної абляції або так званого висічення.
- Фототеплова абляція: принцип утворення отворів, за якого матеріал, що підлягає обробці, поглинає лазерне світло високої енергії, нагрівається до плавлення за дуже короткий час і випаровується. Цей метод процесу в матеріалі підкладки піддається високій енергії, в отворі, утвореному стінкою почорнілого обвугленого залишку, отвір необхідно попередньо очистити.
- Фотохімічна абляція: відноситься до ультрафіолетової області, має високу енергію фотонів (більше 2 еВ електрон-вольт), довжина хвилі лазера понад 400 нанометрів високоенергетичних фотонів відіграє важливу роль у результатах. Ці високоенергетичні фотони можуть руйнувати довгий молекулярний ланцюг органічних матеріалів, перетворюватися на дрібніші частинки, а їхня енергія є більшою, ніж вихідні молекули, надзвичайна сила, від якої потрібно вирватися, у разі зовнішнього щипкового всмоктування, так що матеріал субстрату швидко видаляється і утворення мікропор. Цей тип процесу не містить термічного горіння і не викликає карбонізації. Тому його дуже легко очистити перед порацією. Це основні принципи формування лазерних отворів. В даний час найбільш часто використовуються два типи лазерного свердління: свердління друкованих плат за допомогою лазерів, які в основному збуджуються радіочастотними газовими лазерами CO2 та УФ-твердотільними лазерами Nd: YAG.
- Щодо поглинання підкладки: ефективність лазера безпосередньо залежить від поглинання матеріалу підкладки. Друковані плати виготовлені з мідної фольги, склотканини та комбінації смоли. Поглинання цих трьох матеріалів також різне через різні довжини хвилі, але мідна фольга та склотканина в ультрафіолеті 0.3mμ нижче області швидкість поглинання вище, але у видимому світлі та ІЧ-променях після значного зниження. З іншого боку, матеріали з органічних смол можуть підтримувати досить високий рівень поглинання в усіх трьох спектральних діапазонах. Ця характеристика, яку мають смоляні матеріали, є основою популярності процесу лазерного свердління.
Які види лазерного свердління доступні на заводах з виготовлення друкованих плат?
Лазер — це потужний промінь світла, який збуджується, коли «промені» стимулюються зовнішнім подразником, який збільшує його енергію, причому інфрачервоне та видиме світло мають теплову енергію, а ультрафіолетове світло — оптичну енергію. Коли цей тип світла потрапляє на поверхню деталі, відбуваються три явища: відображення, поглинання та проникнення. Основною функцією лазерного свердління є можливість швидкого видалення матеріалу підкладки, який підлягає обробці, що відбувається в основному за допомогою фототермічної абляції та фотохімічної абляції або так званого висічення.
Дві лазерні технології використовуються для лазерного свердління в комерційному виробництві друкованих плат: CO2-лазери з довжиною хвилі в далекому інфрачервоному діапазоні та УФ-лазери з довжиною хвилі в ультрафіолетовому діапазоні. CO2-лазери широко використовуються у виробництві промислових мікропрохідних отворів у друкованих платах. , які повинні мати діаметр понад 100 мкм (Raman, 2001). Для виготовлення цих отворів з великою апертурою CO2-лазери є високопродуктивними завдяки дуже короткому часу пробивання, необхідному для виготовлення великих отворів за допомогою CO2-лазерів. Ультрафіолетова лазерна технологія широко використовується для виготовлення мікроотворів діаметром менше 100 мкм і навіть менше 50 мкм з використанням мікросхем електропроводки. УФ-лазерна технологія дуже продуктивна при виготовленні отворів діаметром менше 80 мкм. Тому, щоб задовольнити зростаючий попит на продуктивність мікроперехідників, багато виробників друкованих плат почали впроваджувати системи лазерного свердління з подвійною головкою.
Нижче наведено три основні типи подвійних систем лазерного свердління, доступних сьогодні на ринку:
- УФ-лазерні системи свердління з двома головками
- Системи свердління CO2 лазера з подвійною головкою; і
- Лазерні бурові системи (CO2 та UV)
Всі ці види бурових систем мають свої переваги і недоліки. Системи лазерного свердління можна просто розділити на два типи: однохвильові системи з подвійним свердлом і системи з подвійним свердлінням з подвійною довжиною хвилі.
Незалежно від типу є два основних компоненти, які впливають на здатність свердлити отвори:
- Енергія лазера/енергія імпульсу
- Система позиціонування променя
Енергія лазерного імпульсу та ефективність доставки променя визначає час свердління, час свердління – це час, який потрібен лазерному свердлу для просвердлення мікропрохідного отвору, а система позиціонування променя визначає швидкість, з якою він може рухатися між двома отвори. Разом ці фактори визначають швидкість, з якою лазерний свердлильний верстат може виробляти мікроотвірки, необхідні для даної вимоги. УФ-лазерні системи з подвійною головкою найкраще підходять для свердління отворів розміром менше 90 мкм в інтегральних схемах з високим співвідношенням сторін.
CO2-лазерна система з двома головками використовує Q-модульований радіочастотний CO2-лазер. Основними перевагами цієї системи є висока повторюваність (до 100 кГц), короткий час свердління та широка робоча поверхня, що дозволяє просвердлити глухий отвір лише за кілька проходів, але якість просвердлених отворів може бути низький.
Найбільш поширеною системою лазерного свердління з подвійною головкою є гібридна лазерна система свердління, яка складається з УФ-лазерної головки та CO2-лазерної головки. Цей комбінований гібридний метод лазерного свердління дозволяє одночасно свердлити мідь і діелектрики. Мідь просвердлюється УФ-лазером для створення потрібного розміру та форми отвору, а СО2-лазер використовується для просвердлювання непокритого діелектрика одразу після цього. Процес буріння здійснюється бурінням блоку розміром 2 дюйми X 2 дюйми, який називається полем.
СО2-лазер ефективно видаляє діелектрики, навіть неоднорідні склоармовані діелектрики. Однак один СО2-лазер не може зробити маленькі отвори (менше 75 мкм) і видалити мідь, за кількома винятками, що він може видалити попередньо оброблену тонку мідну фольгу менше 5 мкм (lustino, 2002). УФ-лазер здатний робити дуже маленькі отвори та видаляти всі звичайні мідні смуги (3 - 36 мкм, 1 унція, навіть покрита мідна фольга). УФ-лазер також може видаляти діелектричні матеріали окремо, але повільніше. Крім того, для неоднорідних матеріалів, наприклад, армованого скла FR-4, результати зазвичай погані. Це пояснюється тим, що скло можна видалити, лише якщо щільність енергії збільшиться до певного рівня, що також руйнує внутрішні накладки. Оскільки стрижнева лазерна система складається з УФ-лазера та СО2-лазера, вона оптимальна в обох областях, за допомогою УФ-лазера можна зробити всю мідну фольгу та маленькі отвори, а за допомогою СО2-лазера можна швидко просвердлити діелектрики. На малюнку показано структуру системи лазерного свердління з подвійною головкою з програмованим відстанню між свердліннями. Відстань між двома свердлами можна регулювати самостійно відповідно до розташування компонентів, що забезпечує максимальну ефективність лазерного свердління.
Сьогодні відстань між двома свердлами є фіксованою в більшості лазерних систем свердління з подвійною головкою з технологією позиціонування променя з кроком і повторенням. Перевагою лазерного пульта дистанційного керування з покроковим повторенням є великий діапазон регулювання домену (до (50 X 50) мкм). Недоліком є те, що лазерний телеконвертер повинен переступати через фіксоване поле, а відстань між двома сівалками є фіксованою. Відстань між двома свердлами типового лазерного дистанційного регулятора з двома головками є фіксованою (приблизно 150 мкм). Для різних розмірів панелей свердла з фіксованою відстанню не можуть бути оптимально налаштовані для виконання операції так само, як і свердла з програмованим інтервалом.
Сучасні лазерні свердлильні системи з подвійною головкою доступні в широкому діапазоні розмірів і продуктивності як для невеликих виробників друкованих плат, так і для великих виробників друкованих плат.
Керамічний оксид алюмінію використовується у виробництві друкованих плат через його високу діелектричну проникність. Однак через його крихкість процес свердління, необхідний для проводки та складання, є складним за допомогою стандартних інструментів, оскільки механічне навантаження має бути мінімізоване, що добре для лазерного свердління. Rangel та ін. (1997) продемонстрували, що для підкладок з оксиду алюмінію, а також для підкладок з оксиду алюмінію, покритих золотом і анкерами, можна свердлити за допомогою налаштованого лазера QNd:YAG. Використання короткоімпульсного лазера з низькою енергією та високою піковою потужністю допомогло уникнути пошкодження зразка механічним впливом і створило високоякісні наскрізні отвори з діаметром менше 100 мкм. Ця технологія успішно використовується в малошумних мікрохвильових підсилювачах в діапазоні частот 8 - 18 ГГц.
Лазерна технологія Nd:YAG використовується для обробки як глухих, так і наскрізних отворів у широкому діапазоні матеріалів. Серед них – свердління пілотних отворів у поліімідних ламінатах з мінімальним діаметром отвору 25 мікрон. Аналізуючи собівартість виробництва, найбільш економічний використаний діаметр становить 25-125 мкм. Швидкість свердління 10,000 отворів/хв. Можна використовувати процес прямого лазерного пробивання, діаметр отвору до 50 мікрон. Внутрішня поверхня формованих отворів чиста, без карбонізації, і її можна легко покрити. Те ж саме може бути в обмідненому PTFE ламінаті, що просвердлює наскрізні отвори, найменший діаметр отвору 25 мікрон, найбільш економічний діаметр використовується для 25-125 мікрон. Швидкість свердління 4500 отворів/хв. Попереднє травлення вікон не потрібно. Отримані отвори чисті і не вимагають додаткових вимог до спеціальної обробки.
