Laser on võimas valguskiir, mis erutub, kui "kiirt" stimuleerib väline stiimul, mis suurendab selle energiat. Infrapuna- ja nähtaval valgusel on soojusenergia, ultraviolettvalgusel aga optiline energia. Kui seda tüüpi valgus tabab tooriku pinda, toimub kolm nähtust: peegeldus, neeldumine ja läbitungimine.
Laserpuurimise põhiülesanne on peamiselt fototermilise ablatsiooni ja fotokeemilise ablatsiooni ehk nn ekstsisiooni teel võimalik kiiresti eemaldada töödeldav alusmaterjal.
- Fototermiline ablatsioon: aukude moodustamise põhimõte, mille käigus töödeldav materjal neelab suure energiaga laservalgust, kuumeneb väga lühikese aja jooksul sulamiseni ja aurustub. See protsessimeetod substraadi materjalis on allutatud suurele energiale, mustaks muutunud karboniseerunud jäägi seina poolt moodustatud augus tuleb auk enne puhastada.
- Fotokeemiline ablatsioon: viitab ultraviolettpiirkonnale, millel on kõrge footonite energia (üle 2 eV elektronvoldi), laseri lainepikkus on üle 400 nanomeetri kõrge energiaga footonid mängivad tulemustes rolli. Need suure energiaga footonid võivad hävitada orgaaniliste materjalide pika molekulaarse ahela, muutuda väiksemateks osakesteks ja selle energia on suurem kui algsetel molekulidel, äärmuslik jõud, millest väljuda, välise pigi imemise korral, nii et substraadi materjal eemaldatakse kiiresti ja moodustub mikropoorne. Seda tüüpi protsess ei sisalda termilist põletamist ega tekita karboniseerumist. Seetõttu on seda enne portsjonit väga lihtne puhastada. Need on laseriaukude moodustamise põhiprintsiibid. Praegu on kõige sagedamini kasutatav kahte tüüpi laserpuurimine: trükkplaatide puurimine laseritega on peamiselt RF-ergastusega CO2-gaaslaserid ja UV-pooljuht Nd:YAG laserid.
- Substraadi neeldumine: laseri edukuse määral on otsene seos substraadi materjali neeldumisega. Trükkplaadid on valmistatud vaskfooliumi ja klaasriide ning vaigu kombinatsioonist, nende kolme materjali neelduvus on samuti erinev erinevate lainepikkuste tõttu, kuid vaskfoolium ja klaasriie ultraviolettkiirguses 0,3 mμ allpool neeldumiskiirus on suurem, kuid nähtavale valgusele ja infrapunakiirgusele pärast olulist langust. Orgaanilised vaigumaterjalid seevastu suudavad säilitada üsna kõrge neeldumiskiiruse kõigis kolmes spektriribas. See on vaikmaterjalide omadus ja see on laserpuurimisprotsessi populaarsuse aluseks.
Milliseid laserpuurimisi on PCB tehastes saadaval?
Laser on võimas valguskiir, mis ergastub, kui "kiiri" stimuleerib väline stiimul, mis suurendab selle energiat, infrapuna- ja nähtav valgus omab soojusenergiat ja ultraviolettvalgus optilist energiat. Kui seda tüüpi valgus tabab tooriku pinda, toimub kolm nähtust: peegeldus, neeldumine ja läbitungimine. Laserpuurimise põhiülesanne on töödeldava substraadi materjali kiire eemaldamine, mis toimub peamiselt fototermilise ablatsiooni ja fotokeemilise ablatsiooni ehk nn ekstsisiooni teel.
Kommertsiaalses PCB-tootmises kasutatakse laserpuurimiseks kahte lasertehnoloogiat: CO2-lasereid, mille lainepikkus on infrapunaribas, ja UV-lasereid, mille lainepikkus on ultraviolettribas. CO2-lasereid kasutatakse laialdaselt trükkplaatide tööstuslike mikropääsuavade tootmisel. , mille läbimõõt peab olema suurem kui 100 μm (Raman, 2001). Nende suurte avade valmistamiseks on CO2 laserid väga tootlikud, kuna suurte avade valmistamiseks CO2 laseritega on vaja väga lühikest mulgustamisaega. UV-lasertehnoloogiat kasutatakse laialdaselt alla 100 μm läbimõõduga mikroavade valmistamisel ja isegi alla 50 μm, kasutades mikrovalmistatud juhtmestiku skeeme. UV-lasertehnoloogia on väga produktiivne alla 80 μm läbimõõduga aukude valmistamisel. Seetõttu on paljud PCB-de tootjad hakanud kasutusele võtma kahe peaga laserpuurimissüsteeme, et rahuldada kasvavat nõudlust microvia tootlikkuse järele.
Järgmised on kolm peamist tüüpi kahepealised laserpuurimissüsteemid, mis tänapäeval turul saadaval on:
- Kahe peaga UV laserpuurimissüsteemid
- Kahe peaga CO2 laserpuurimissüsteemid; ja
- Pulga laserpuurimissüsteemid (CO2 ja UV)
Kõigil seda tüüpi puurimissüsteemidel on oma eelised ja puudused. Laserpuurimissüsteemid võib lihtsalt jagada kahte tüüpi: kahe puuriga ühe lainepikkusega süsteemid ja kahe puuriga kahe lainepikkusega süsteemid.
Sõltumata tüübist on kaks peamist komponenti, mis mõjutavad aukude puurimist:
- Laseri energia / impulsi energia
- Tala positsioneerimissüsteem
Laseriimpulsi energia ja kiire edastamise efektiivsus määravad puurimisaja, puurimisaeg on aeg, mis kulub laserpuuril mikropääsava puurimiseks ning kiire positsioneerimissüsteem määrab kiiruse, millega see saab kahe vahel liikuda. augud. Need tegurid koos määravad kiiruse, millega laserpuurimismasin suudab toota antud nõude jaoks vajalikke mikrovaate. Kahepealised UV-lasersüsteemid sobivad kõige paremini alla 90 μm aukude puurimiseks suure kuvasuhtega integraallülitustesse.
Kahe peaga CO2 lasersüsteem kasutab Q-moduleeritud RF-ergastusega CO2 laserit. Selle süsteemi peamisteks eelisteks on kõrge korratavus (kuni 100 kHz), lühikesed puurimisajad ja lai tööpind, mis võimaldab pimeda augu puurida vaid mõne käiguga, kuid puuritud aukude kvaliteeti saab madal.
Levinuim kahepealine laserpuurimissüsteem on hübriidlaserpuurimissüsteem, mis koosneb UV laserpeast ja CO2 laserpeast. See kombineeritud hübriidlaserpuurimismeetod võimaldab samaaegselt puurida vaske ja dielektrikuid. Vask puuritakse UV-laseriga, et luua soovitud suurus ja kuju ning CO2 laseriga puuritakse katmata dielektrik kohe pärast seda. Puurimisprotsess saavutatakse 2-tollise X 2-tollise ploki, mida nimetatakse põlluks, puurimisega.
CO2 laser eemaldab tõhusalt dielektrikud, isegi ebaühtlased klaasiga tugevdatud dielektrikud. Siiski ei saa üks CO2 laser teha väikseid auke (alla 75 μm) ja eemaldada vaske, välja arvatud mõned erandid, et see suudab eemaldada eelnevalt töödeldud õhukesed vaskfooliumid, mille paksus on alla 5 μm (lustino, 2002). UV-laser suudab teha väga väikseid auke ja eemaldada kõik levinud vasest tänavad (3 - 36 μm, 1 unts, isegi kaetud vaskfooliumid). UV-laser võib eemaldada ka dielektrilisi materjale üksi, kuid aeglasemalt. Lisaks on ebaühtlaste materjalide, nt tugevdatud klaasi FR{10}} puhul tulemused tavaliselt kehvad. Seda seetõttu, et klaasi saab eemaldada ainult siis, kui energiatihedust teatud tasemeni tõsta, mis hävitab ka sisemised padjad. Kuna pulklaseri süsteem koosneb UV laserist ja CO 2 laserist, siis on see optimaalne mõlemas piirkonnas, UV laseriga saab kõik vaskfooliumid ja väikesed augud tehtud ning CO 2 laseriga saab dielektrikud kiiresti puurida. Joonisel on illustreeritud programmeeritava puurimiskaugusega kahepealise laserpuurimissüsteemi struktuur. Kahe puuri vahekaugust saab vastavalt komponentide paigutusele ise reguleerida, mis tagab maksimaalse laserpuurimise võime.
Tänapäeval on kahe puuri vaheline kaugus fikseeritud enamikus kahepealistes laserpuurimissüsteemides astmelise ja korduva kiire positsioneerimise tehnoloogiaga. Samm- ja korduslaserpuldi enda eeliseks on domeeni suur reguleerimisvahemik (kuni (50 X 50) μm). Puuduseks on see, et lasertelekonverter tuleb astuda üle fikseeritud välja ja kahe puuri vaheline kaugus on fikseeritud. Tüüpilise kahepealise laserkaugregulaatori kahe puuri vaheline kaugus on fikseeritud (umbes 150 μm). Erinevate paneelide suuruste puhul ei saa fikseeritud vahemaaga puure optimaalselt konfigureerida nii, et see toimiks, samuti programmeeritavad vahepuurid.
Tänapäevased kahepealised laserpuurimissüsteemid on saadaval laias valikus suurustes ja jõudlustes nii väikesemahulistele trükkplaatide tootjatele kui ka suuremahulistele trükkplaatide tootjatele.
Keraamilist alumiiniumoksiidi kasutatakse trükkplaatide valmistamisel selle kõrge dielektrilise konstandi tõttu. Kuid selle hapruse tõttu on juhtmestiku paigaldamiseks ja kokkupanekuks vajalik puurimisprotsess standardsete tööriistadega keeruline, kuna mehaaniline pinge peab olema minimaalne, mis on laserpuurimisel hea.Rangel et al. (1997) näitasid, et alumiiniumoksiidi substraatide, aga ka kulla ja ankrutega kaetud alumiiniumoksiidi substraatide puhul on võimalik puurida häälestatud QNd:YAG laseriga. Lühiimpulssiga madala energiatarbega suure tippvõimsusega laseri kasutamine aitas vältida proovi kahjustamist mehaanilise pinge tõttu ja tekitas kvaliteetseid läbivaid auke läbimõõduga alla 100 μm. Seda tehnoloogiat kasutatakse edukalt madala müratasemega mikrolainevõimendites sagedusvahemikus 8 - 18 GHz.
Nd:YAG lasertehnoloogiat on kasutatud nii ruloode kui ka läbivate aukude töötlemiseks paljudes materjalides. Nende hulgas on katseaukude puurimine polüimiid-vaskkattega laminaatidesse minimaalse augu läbimõõduga 25 mikronit. Tootmiskulusid analüüsides on kõige ökonoomsem kasutatav läbimõõt 25-125 mikronit. Puurimiskiirus on 10,000 auku/min. Kasutada saab otsest laser-stantsimisprotsessi, augu läbimõõt kuni 50 mikronit. Vormitud aukude sisepind on puhas ja karboniseerumisvaba ning kergesti plaaditav. Sama võib olla ka PTFE-vasega kaetud laminaadis läbi aukude puurimisel, väikseima augu läbimõõt on 25 mikronit, kõige ökonoomsem läbimõõt, mida kasutatakse 25-125 mikronit. Puurimiskiirus on 4500 auku/min. Akende eelsöövitamist pole vaja. Saadud augud on puhtad ega vaja täiendavaid erilisi töötlemise nõudeid.
