Un laser è un potente fascio di luce che si eccita quando un “raggio” viene stimolato da uno stimolo esterno che ne aumenta l'energia. La luce infrarossa e visibile hanno energia termica, mentre la luce ultravioletta ha energia ottica. Quando questo tipo di luce colpisce la superficie di un pezzo in lavorazione si verificano tre fenomeni: riflessione, assorbimento e penetrazione.
La funzione principale della perforazione laser è quella di poter rimuovere rapidamente il materiale di substrato da lavorare, principalmente mediante ablazione fototermica e ablazione fotochimica o la cosiddetta escissione.
- Ablazione fototermica: Principio della formazione di buchi in cui il materiale da lavorare assorbe luce laser ad alta energia, si riscalda fino a sciogliersi in brevissimo tempo e viene evaporato. Questo metodo di processo nel materiale del substrato è soggetto ad alta energia, nel foro formato dalla parete del residuo carbonizzato annerito, il foro deve essere pulito prima.
- Ablazione fotochimica: si riferisce alla regione ultravioletta con un'elevata energia dei fotoni (più di 2 eV elettronvolt), la lunghezza d'onda del laser di oltre 400 nanometri di fotoni ad alta energia gioca un ruolo nei risultati. Questi fotoni ad alta energia possono distruggere la lunga catena molecolare dei materiali organici, diventare particelle più piccole e la loro energia è maggiore di quella delle molecole originali, la forza estrema da cui sfuggire, nel caso di aspirazione esterna, in modo che il materiale del substrato viene rapidamente rimosso e si verifica la formazione di microporosi. Questo tipo di processo non contiene combustione termica e non produce carbonizzazione. Pertanto, è molto facile da pulire prima della porazione. Questi sono i principi di base della formazione dei fori laser. Attualmente i due tipi di perforazione laser più comunemente utilizzati: la perforazione di circuiti stampati con i laser sono principalmente laser a gas CO2 eccitati da RF e laser Nd: YAG a stato solido UV.
- Sull'assorbanza del substrato: la percentuale di successo del laser è in rapporto diretto con l'assorbanza del materiale del substrato. I circuiti stampati sono costituiti da una combinazione di lamina di rame, tessuto di vetro e resina, anche l'assorbanza di questi tre materiali è diversa a causa delle diverse lunghezze d'onda, ma la lamina di rame e il tessuto di vetro nell'ultravioletto 0,3 mμ sotto la regione di il tasso di assorbimento è più elevato, ma nella luce visibile e nell'IR subisce un sostanziale calo. I materiali in resina organica, invece, possono mantenere un tasso di assorbimento abbastanza elevato in tutte e tre le bande spettrali. Questa è la caratteristica che hanno i materiali in resina ed è alla base della popolarità del processo di foratura laser.
Quali tipi di foratura laser sono disponibili nelle fabbriche di PCB?
Un laser è un potente fascio di luce che si eccita quando i "raggi" vengono stimolati da uno stimolo esterno che ne aumenta l'energia, dove la luce infrarossa e visibile ha energia termica e la luce ultravioletta ha energia ottica. Quando questo tipo di luce colpisce la superficie di un pezzo in lavorazione si verificano tre fenomeni: riflessione, assorbimento e penetrazione. La funzione principale della perforazione laser è quella di poter rimuovere rapidamente il materiale del substrato da lavorare, che avviene principalmente mediante ablazione fototermica e ablazione fotochimica o la cosiddetta escissione.
Due tecnologie laser vengono utilizzate per la perforazione laser nella produzione commerciale di PCB: laser CO2 con lunghezze d'onda nella banda del lontano infrarosso e laser UV con lunghezze d'onda nella banda ultravioletta. I laser CO2 sono ampiamente utilizzati nella produzione di fori micropass industriali nei circuiti stampati. , che devono avere diametri superiori a 100 μm (Raman, 2001). Per la fabbricazione di questi fori di grande apertura, i laser CO2 sono altamente produttivi grazie al tempo di punzonatura molto breve richiesto per la fabbricazione di grandi aperture con laser CO2. La tecnologia laser UV è ampiamente utilizzata nella fabbricazione di microvie con diametri inferiori a 100 μm e anche inferiori a 50 μm con l'uso di schemi elettrici microfabbricati. La tecnologia laser UV è molto produttiva nella produzione di fori con diametro inferiore a 80 μm. Pertanto, per soddisfare la crescente domanda di produttività della microvia, molti produttori di PCB hanno iniziato a introdurre sistemi di perforazione laser a doppia testa.
Di seguito sono riportati i tre principali tipi di sistemi di perforazione laser a doppia testa disponibili oggi sul mercato:
- Sistemi di foratura laser UV a doppia testa
- Sistemi di perforazione laser CO2 a doppia testa; E
- Sistemi di foratura laser stick (CO2 e UV)
Tutti questi tipi di sistemi di perforazione presentano vantaggi e svantaggi. I sistemi di perforazione laser possono essere semplicemente suddivisi in due tipi: sistemi a doppia lunghezza d'onda a doppia punta e sistemi a doppia punta a doppia lunghezza d'onda.
Indipendentemente dal tipo, ci sono due componenti principali che influenzano la capacità di praticare fori:
- L'energia del laser/energia dell'impulso
- Il sistema di posizionamento del raggio
L'energia dell'impulso laser e l'efficienza dell'erogazione del raggio determinano il tempo di perforazione, il tempo di perforazione è il tempo impiegato dal trapano laser per praticare un foro micropass e il sistema di posizionamento del raggio determina la velocità con cui può spostarsi tra due buchi. Insieme, questi fattori determinano la velocità con cui la perforatrice laser può produrre le microvie necessarie per un determinato requisito. I sistemi laser UV a doppia testa sono più adatti per praticare fori inferiori a 90μm in circuiti integrati con rapporti di aspetto elevati.
Il sistema laser CO2 a doppia testa utilizza un laser CO2 eccitato RF con modulazione Q. I principali vantaggi di questo sistema sono l'elevata ripetibilità (fino a 100 kHz), i brevi tempi di foratura e l'ampia superficie operativa, che consente di eseguire un foro cieco con poche passate, ma la qualità dei fori eseguiti può essere migliorata Basso.
Il sistema di perforazione laser a doppia testa più comune è il sistema di perforazione laser ibrido, costituito da una testa laser UV e una testa laser CO2. Questo metodo combinato di perforazione laser ibrida consente la perforazione simultanea di rame e dielettrici. Il rame viene forato con il laser UV per creare la dimensione e la forma del foro desiderate, mentre il laser CO2 viene utilizzato per forare il dielettrico scoperto immediatamente dopo. Il processo di perforazione viene eseguito perforando un blocco da 2 pollici X 2 pollici chiamato campo.
Il laser CO2 rimuove efficacemente i dielettrici, anche quelli rinforzati con vetro non uniformi. Tuttavia, un singolo laser a CO2 non può creare piccoli fori (meno di 75 μm) e rimuovere il rame, con le poche eccezioni in cui può rimuovere sottili lamine di rame pretrattate di dimensioni inferiori a 5 μm (lustino, 2002). Il laser UV è in grado di realizzare fori molto piccoli e di rimuovere tutte le comuni strisce di rame (3 - 36 μm, 1 oncia, anche lamine di rame placcate). Il laser UV può anche rimuovere da solo i materiali dielettrici, ma a una velocità inferiore. Inoltre, per materiali non uniformi, ad esempio vetro rinforzato FR-4, i risultati sono generalmente scarsi. Questo perché il vetro può essere rimosso solo se la densità di energia viene aumentata fino a un certo livello, il che distrugge anche i cuscinetti interni. Poiché il sistema laser stick è composto da un laser UV e un laser CO 2, è ottimale in entrambi i settori, con il laser UV si possono realizzare tutte le lamine di rame e piccoli fori, mentre con il laser CO 2 si possono forare rapidamente i dielettrici. La figura illustra la struttura di un sistema di foratura laser a doppia testa con spaziatura di foratura programmabile. La spaziatura tra le due punte può essere regolata autonomamente in base alla disposizione dei componenti, garantendo la massima capacità di foratura laser.
Al giorno d'oggi, la spaziatura tra le due frese è fissa nella maggior parte dei sistemi di perforazione laser a doppia testa con tecnologia di posizionamento del raggio step-and-repeat. Il vantaggio del telecomando laser step-and-repeat stesso è l'ampio intervallo di regolazione del dominio (fino a (50 X 50) μm). Lo svantaggio è che il moltiplicatore di focale laser deve essere posizionato su un campo fisso e la distanza tra le due punte è fissa. La distanza tra le due frese di un tipico regolatore remoto laser a doppia testa è fissa (circa 150 μm). Per le diverse dimensioni dei pannelli, le punte a distanza fissa non possono essere configurate in modo ottimale per completare l'operazione così come le punte a distanza programmabile.
Gli odierni sistemi di perforazione laser a doppia testa sono disponibili in un'ampia gamma di dimensioni e prestazioni sia per i produttori di PCB su piccola scala che per i produttori di PCB ad alto volume.
L'ossido di alluminio ceramico viene utilizzato nella produzione di circuiti stampati a causa della sua elevata costante dielettrica. Tuttavia, a causa della sua fragilità, il processo di foratura richiesto per il cablaggio e l'assemblaggio è difficile con gli strumenti standard, poiché lo stress meccanico deve essere ridotto al minimo, il che è positivo per la foratura laser. Rangel et al. (1997) hanno dimostrato che per i substrati di allumina, così come per i substrati di allumina rivestiti con oro e ancoraggi, è possibile forare utilizzando un laser QNd:YAG sintonizzato. L'uso di un laser a impulsi brevi, a bassa energia e ad alta potenza di picco ha contribuito a evitare danni al campione dovuti a stress meccanico e ha prodotto fori passanti di alta qualità con diametri inferiori a 100 μm. Questa tecnologia viene utilizzata con successo negli amplificatori a microonde a basso rumore nella gamma di frequenza di 8 - 18 GHz.
La tecnologia laser Nd:YAG è stata utilizzata per elaborare fori sia ciechi che passanti in un'ampia gamma di materiali. Tra questi c'è la realizzazione di fori pilota in laminati di poliimmide rivestiti in rame con un diametro minimo del foro di 25 micron. Analizzando il costo di produzione, il diametro più economico utilizzato è 25-125 micron. La velocità di perforazione è di 10,000 fori/min. È possibile utilizzare il processo di punzonatura laser diretto, diametro del foro fino a 50 micron. La superficie interna dei fori stampati è pulita e priva di carbonizzazione e può essere facilmente placcata. Lo stesso può verificarsi anche nel laminato rivestito in rame PTFE che esegue fori passanti, il diametro del foro più piccolo è di 25 micron, il diametro più economico utilizzato per 25-125 micron. La velocità di foratura è di 4500 fori/min. Non è richiesta la preincisione delle finestre. I fori risultanti sono puliti e non richiedono ulteriori requisiti di lavorazione speciali.
