Laser to potężna wiązka światła, która ulega wzbudzeniu, gdy „promień” zostanie pobudzony przez bodziec zewnętrzny zwiększający jego energię. Światło podczerwone i światło widzialne mają energię cieplną, natomiast światło ultrafioletowe ma energię optyczną. Kiedy tego typu światło pada na powierzchnię przedmiotu obrabianego, zachodzą trzy zjawiska: odbicie, absorpcja i penetracja.
Główną funkcją wiercenia laserowego jest możliwość szybkiego usunięcia materiału podłoża przeznaczonego do obróbki, głównie poprzez ablację fototermiczną i ablację fotochemiczną czyli tzw. wycięcie.
- Ablacja fototermiczna: Zasada tworzenia dziur, w której obrabiany materiał pochłania światło lasera o wysokiej energii, w bardzo krótkim czasie nagrzewa się do stopienia i odparowuje. Ta metoda przetwarzania w materiale podłoża poddawana jest działaniu dużej energii, w otworze utworzonym przez ścianę z poczerniałych zwęglonych pozostałości otwór należy wcześniej oczyścić.
- Ablacja fotochemiczna: odnosi się do obszaru ultrafioletu o wysokiej energii fotonów (ponad 2 eV elektronowoltów), w wynikach odgrywa rolę długość fali lasera o długości ponad 400 nanometrów i fotonów o wysokiej energii. Te wysokoenergetyczne fotony mogą zniszczyć długi łańcuch molekularny materiałów organicznych, stać się mniejszymi cząstkami, a ich energia jest większa niż pierwotnych cząsteczek, co stanowi ekstremalną siłę, z której należy uciec w przypadku zewnętrznego zasysania ściskającego, tak że materiał podłoża jest szybko usuwany i tworzy się mikroporowatość. Ten typ procesu nie obejmuje spalania termicznego i nie powoduje karbonizacji. Dlatego bardzo łatwo jest go oczyścić przed poracją. Są to podstawowe zasady tworzenia otworów laserowych. Obecnie najczęściej stosowane są dwa rodzaje wiercenia laserowego: wiercenie płytek drukowanych za pomocą laserów to głównie lasery gazowe CO2 wzbudzane RF oraz lasery UV na ciele stałym Nd:YAG.
- O absorbancji podłoża: skuteczność działania lasera ma bezpośredni związek z absorbancją materiału podłoża. Płytki drukowane są wykonane z folii miedzianej, tkaniny szklanej i żywicy, absorbancja tych trzech materiałów jest również różna ze względu na różne długości fal, ale folia miedziana i tkanina szklana w ultrafiolecie 0.3 mμ poniżej zakresu współczynnik absorpcji jest wyższy, ale w świetle widzialnym i podczerwieni po znacznym spadku. Z drugiej strony organiczne materiały żywiczne mogą utrzymywać dość wysoki współczynnik absorpcji we wszystkich trzech pasmach widmowych. Jest to cecha materiałów żywicznych, która stanowi podstawę popularności procesu wiercenia laserowego.
Jakie rodzaje wiercenia laserowego są dostępne w fabrykach PCB?
Laser to potężna wiązka światła, która jest wzbudzana, gdy „promienie” są stymulowane przez bodziec zewnętrzny zwiększający ich energię, przy czym światło podczerwone i widzialne ma energię cieplną, a światło ultrafioletowe ma energię optyczną. Kiedy tego typu światło pada na powierzchnię przedmiotu obrabianego, zachodzą trzy zjawiska: odbicie, absorpcja i penetracja. Główną funkcją wiercenia laserowego jest możliwość szybkiego usunięcia materiału podłoża przeznaczonego do obróbki, co odbywa się głównie poprzez ablację fototermiczną i ablację fotochemiczną czyli tzw. wycięcie.
Do wiercenia laserowego w komercyjnej produkcji płytek PCB stosowane są dwie technologie laserowe: lasery CO2 o długości fal w paśmie dalekiej podczerwieni oraz lasery UV o długości fal w paśmie ultrafioletu. Lasery CO2 są szeroko stosowane w produkcji przemysłowych otworów mikroprzepustowych w płytkach drukowanych , które muszą mieć średnicę większą niż 100 µm (Raman, 2001). Lasery CO2 są bardzo produktywne przy wytwarzaniu otworów o dużych aperturach ze względu na bardzo krótki czas wykrawania wymagany do wytwarzania dużych otworów za pomocą laserów CO2. Technologia lasera UV jest szeroko stosowana przy wytwarzaniu mikroprzelotek o średnicach mniejszych niż 100 µm, a nawet mniejszych niż 50 µm z wykorzystaniem schematów połączeń mikrofabrykowanych. Technologia lasera UV jest bardzo wydajna przy wytwarzaniu otworów o średnicy mniejszej niż 80 μm. Dlatego, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na produktywność mikroprzelotek, wielu producentów płytek PCB zaczęło wprowadzać systemy wiercenia laserowego z podwójną głowicą.
Poniżej przedstawiono trzy główne typy podwójnych systemów wiercenia laserowego dostępnych obecnie na rynku:
- Dwugłowicowe systemy wiercenia laserowego UV
- Dwugłowicowe systemy wiercenia laserowego CO2; I
- Systemy wiercenia laserowego typu Stick (CO2 i UV)
Wszystkie tego typu systemy wiertnicze mają swoje zalety i wady. Systemy wiercenia laserowego można po prostu podzielić na dwa typy: systemy z dwoma wiertłami o pojedynczej długości fali i systemy z dwoma wiertłami o podwójnej długości fali.
Niezależnie od rodzaju, na zdolność wiercenia otworów wpływają dwa główne elementy:
- Energia lasera/energia impulsu
- System pozycjonowania belek
Energia impulsu laserowego i wydajność dostarczania wiązki określa czas wiercenia, czas wiercenia to czas, w jakim wiertło laserowe wywierci otwór mikroprzepustowy, a system pozycjonowania wiązki określa prędkość, z jaką może ona przemieszczać się pomiędzy dwoma dziury. Razem te czynniki określają prędkość, z jaką wiertarka laserowa może wytworzyć mikroprzelotki wymagane dla danego wymagania. Dwugłowicowe systemy laserowe UV najlepiej nadają się do wiercenia otworów mniejszych niż 90 μm w układach scalonych o dużych proporcjach.
Dwugłowicowy system lasera CO2 wykorzystuje laser CO2 wzbudzany RF z modulacją Q. Głównymi zaletami tego systemu są wysoka powtarzalność (do 100 kHz), krótkie czasy wiercenia oraz szeroka powierzchnia robocza, która pozwala na wykonanie otworu nieprzelotowego w zaledwie kilku przejściach, ale jakość wywierconych otworów może być Niski.
Najpopularniejszym dwugłowicowym systemem wiercenia laserowego jest hybrydowy system wiercenia laserowego, który składa się z głowicy lasera UV i głowicy lasera CO2. Ta kombinowana hybrydowa metoda wiercenia laserowego pozwala na jednoczesne wiercenie miedzi i dielektryków. Miedź jest wiercona za pomocą lasera UV w celu uzyskania pożądanego rozmiaru i kształtu otworu, a bezpośrednio po tym do wiercenia odsłoniętego dielektryka wykorzystuje się laser CO2. Proces wiercenia odbywa się poprzez wiercenie bloku o wymiarach 2 cale x 2 cale zwanego polem.
Laser CO2 skutecznie usuwa dielektryki, nawet niejednorodne dielektryki wzmocnione włóknem szklanym. Jednakże pojedynczy laser CO2 nie jest w stanie wykonać małych otworów (mniejszych niż 75 μm) i usunąć miedzi, z kilkoma wyjątkami, w których można usunąć wstępnie obrobione cienkie folie miedziane o średnicy mniejszej niż 5 μm (lustino, 2002). Laser UV jest w stanie wykonać bardzo małe otwory i usunąć wszystkie powszechnie stosowane miedziane uliczki (3 - 36 μm, 1 uncja, nawet platerowane folie miedziane). Laser UV może również usuwać same materiały dielektryczne, ale w wolniejszym tempie. Co więcej, w przypadku materiałów niejednorodnych, np. szkła zbrojonego FR-4, wyniki są zwykle słabe. Dzieje się tak, ponieważ szkło można usunąć tylko wtedy, gdy gęstość energii zostanie zwiększona do pewnego poziomu, co powoduje również zniszczenie wewnętrznych podkładek. Ponieważ system lasera sztyftowego składa się z lasera UV i lasera CO 2, jest optymalny w obu obszarach, za pomocą lasera UV można wykonać wszystkie folie miedziane i małe otwory, a za pomocą lasera CO 2 można szybko wiercić dielektryki. Rysunek ilustruje budowę dwugłowicowego systemu wiercenia laserowego z programowalnym rozstawem wierceń. Odstęp pomiędzy dwoma wiertłami można regulować samodzielnie w zależności od rozmieszczenia elementów, co zapewnia maksymalną wydajność wiercenia laserowego.
Obecnie odstęp między dwoma wiertłami jest stały w większości dwugłowicowych systemów wierceń laserowych z technologią pozycjonowania wiązki krokowo-powtarzanej. Zaletą samego pilota laserowego Step-and-Repeat jest duży zakres regulacji domeny (do (50 x 50) μm). Wadą jest to, że telekonwerter laserowy musi zostać ustawiony nad stałym polem, a odstęp między dwoma wiertłami jest stały. Odległość pomiędzy dwoma wiertłami typowego dwugłowicowego zdalnego regulatora laserowego jest stała (około 150 µm). W przypadku różnych rozmiarów paneli nie można optymalnie skonfigurować wierteł o stałych odstępach w celu dokończenia operacji, podobnie jak programowalnych wierteł dystansowych.
Dzisiejsze dwugłowicowe systemy wiercenia laserowego są dostępne w szerokiej gamie rozmiarów i wydajności zarówno dla małych producentów płytek PCB, jak i dla producentów płytek drukowanych na dużą skalę.
Ceramiczny tlenek glinu jest stosowany do produkcji płytek drukowanych ze względu na jego wysoką stałą dielektryczną. Jednak ze względu na kruchość proces wiercenia wymagany do okablowania i montażu jest trudny przy użyciu standardowych narzędzi, ponieważ należy zminimalizować naprężenia mechaniczne, co jest zaletą w przypadku wiercenia laserowego.Rangel i in. (1997) wykazali, że w przypadku podłoży z tlenku glinu, a także podłoży z tlenku glinu pokrytych złotem i kotwami, możliwe jest wiercenie przy użyciu dostrojonego lasera QNd:YAG. Zastosowanie krótkoimpulsowego, niskoenergetycznego lasera o dużej mocy szczytowej pomogło uniknąć uszkodzenia próbki na skutek naprężeń mechanicznych i umożliwiło uzyskanie wysokiej jakości otworów przelotowych o średnicy mniejszej niż 100 μm. Technologia ta jest z powodzeniem stosowana we wzmacniaczach mikrofalowych o niskim poziomie szumów w zakresie częstotliwości 8 - 18 GHz.
Technologia lasera Nd:YAG jest wykorzystywana do obróbki otworów nieprzelotowych i przelotowych w szerokiej gamie materiałów. Należą do nich wiercenie otworów pilotujących w laminatach poliimidowych pokrytych miedzią o minimalnej średnicy otworu wynoszącej 25 mikronów. Analizując koszty produkcji, najbardziej ekonomiczną zastosowaną średnicą jest 25-125 mikronów. Prędkość wiercenia wynosi 10,000 otworów/min. Możliwość bezpośredniego wykrawania laserowego, średnica otworu do 50 mikronów. Wewnętrzna powierzchnia uformowanych otworów jest czysta i wolna od karbonizacji i można ją łatwo powlekać. To samo może dotyczyć wiercenia otworów przelotowych w laminacie PTFE pokrytym miedzią, najmniejsza średnica otworu 25 mikronów, najbardziej ekonomiczna średnica stosowana dla 25-125 mikronów. Prędkość wiercenia wynosi 4500 otworów/min. Nie jest wymagane wstępne trawienie okien. Powstałe otwory są czyste i nie wymagają dodatkowych specjalnych wymagań dotyczących obróbki.
