紫外線激光器在印制電路板鉆孔中的應(yīng)用
當(dāng)前用于制作印制電路板微通孔的激光器有四種類型:CO 2 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(huì)從銅面上反射回來，所以它僅僅適合于除去電介質(zhì)。CO 2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(shí)仍具有優(yōu)勢(shì)。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(huì)帶來嚴(yán)重問題，會(huì)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(zhǎng)為355nm ，在紫外線范圍內(nèi)。這個(gè)波長(zhǎng)可以在印制電路板鉆孔時(shí)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(gè)激光源，提供的能量密度(流量)超過4J/cm 2 ， 這個(gè)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/cm 2 ， 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(zhǎng)為355nm 時(shí)，其典型的光點(diǎn)直徑大約為20μm 。在脈沖時(shí)間小于140ns 時(shí)，激光的頻率在10 - 50kHz 之間，這時(shí)的材料是不會(huì)產(chǎn)生熱量的。
圖10-13 給出了這種系統(tǒng)基本的原理圖。通過計(jì)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(gè)矢量模式，以補(bǔ)償材料和設(shè)計(jì)的偏差。掃描面積為55 x55mm 。這個(gè)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(guó)人Mis LPKF 提出的，其機(jī)械設(shè)計(jì)的基座是將堅(jiān)硬的花崗巖，其表面磨光精度不低于3μm 。工作臺(tái)支座放置在氣體軸承上，由線性發(fā)動(dòng)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(tái)本身安裝了光學(xué)傳感器，可以在不同的反射點(diǎn)對(duì)激光位置進(jìn)行精確調(diào)整，補(bǔ)償光學(xué)變形和長(zhǎng)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(gè)掃描區(qū)域。漂移刻度補(bǔ)償大約需要lmin 的時(shí)間進(jìn)行操作?；宓娜魏巫兓?，例如位置偏離基準(zhǔn)，可以通過高分辨率的CCD 相機(jī)檢測(cè)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?yàn)樗軌蜚@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(duì)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(tái)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(tái)由線性驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，由空氣軸承支撐;位置由具有熱量補(bǔ)償?shù)牟Ａ?biāo)尺控制，其精度為土iμm 。操作臺(tái)上基板的安裝是通過真空設(shè)備完成的。