Το λέιζερ είναι μια ισχυρή δέσμη φωτός που διεγείρεται όταν μια «ακτίνα» διεγείρεται από ένα εξωτερικό ερέθισμα που αυξάνει την ενέργειά της. Το υπέρυθρο και το ορατό φως έχουν θερμική ενέργεια, ενώ το υπεριώδες φως έχει οπτική ενέργεια. Όταν αυτό το είδος φωτός χτυπά την επιφάνεια ενός τεμαχίου εργασίας, συμβαίνουν τρία φαινόμενα: ανάκλαση, απορρόφηση και διείσδυση.
Η κύρια λειτουργία της γεώτρησης με λέιζερ είναι να μπορεί να αφαιρέσει γρήγορα το προς επεξεργασία υλικό υποστρώματος, κυρίως με φωτοθερμική αφαίρεση και φωτοχημική αφαίρεση ή τη λεγόμενη εκτομή.
- Φωτοθερμική αφαίρεση: Η αρχή του σχηματισμού οπών κατά την οποία το προς επεξεργασία υλικό απορροφά το φως λέιζερ υψηλής ενέργειας, θερμαίνεται μέχρι την τήξη σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα και εξατμίζεται. Αυτή η μέθοδος επεξεργασίας στο υλικό του υποστρώματος υπόκειται σε υψηλή ενέργεια, στην οπή που σχηματίζεται από το τοίχωμα του μαυρισμένου ανθρακούχου υπολείμματος, η τρύπα πρέπει να καθαριστεί πριν.
- Φωτοχημική αφαίρεση: αναφέρεται στην υπεριώδη περιοχή που έχει υψηλή ενέργεια φωτονίων (πάνω από 2 eV ηλεκτρονιοβολτ), το μήκος κύματος λέιζερ άνω των 400 νανόμετρων φωτονίων υψηλής ενέργειας παίζουν ρόλο στα αποτελέσματα. Αυτά τα φωτόνια υψηλής ενέργειας μπορούν να καταστρέψουν τη μακριά μοριακή αλυσίδα των οργανικών υλικών, να γίνουν μικρότερα σωματίδια και η ενέργειά του είναι μεγαλύτερη από τα αρχικά μόρια, η ακραία δύναμη από την οποία μπορεί να διαφύγει, στην περίπτωση της εξωτερικής αναρρόφησης, έτσι ώστε το υλικό του υποστρώματος απομακρύνεται γρήγορα και ο σχηματισμός μικροπορώδους. Αυτός ο τύπος διαδικασίας δεν περιέχει θερμική καύση και δεν παράγει ενανθράκωση. Ως εκ τούτου, είναι πολύ εύκολο να καθαριστεί πριν από τη διάτρηση. Αυτές είναι οι βασικές αρχές του σχηματισμού οπών με λέιζερ. Επί του παρόντος, οι δύο τύποι διάτρησης λέιζερ που χρησιμοποιούνται πιο συχνά: η διάτρηση πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος με λέιζερ είναι κυρίως λέιζερ αερίου CO2 που διεγείρονται με ραδιοσυχνότητες και λέιζερ στερεάς κατάστασης UV Nd: YAG.
- Στην απορρόφηση του υποστρώματος: το ποσοστό επιτυχίας του λέιζερ έχει άμεση σχέση με την απορρόφηση του υλικού του υποστρώματος. Οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων είναι κατασκευασμένες από φύλλο χαλκού και γυάλινο ύφασμα και συνδυασμό ρητίνης, η απορρόφηση αυτών των τριών υλικών είναι επίσης διαφορετική λόγω διαφορετικών μηκών κύματος, αλλά το φύλλο χαλκού και το γυάλινο ύφασμα στην υπεριώδη ακτινοβολία 0.3 mμ κάτω από την περιοχή ο ρυθμός απορρόφησης είναι υψηλότερος, αλλά στο ορατό φως και το IR μετά από μια σημαντική μείωση. Τα υλικά οργανικής ρητίνης, από την άλλη πλευρά, μπορούν να διατηρήσουν έναν αρκετά υψηλό ρυθμό απορρόφησης και στις τρεις φασματικές ζώνες. Αυτό είναι το χαρακτηριστικό που έχουν τα υλικά ρητίνης και αποτελεί τη βάση για τη δημοτικότητα της διαδικασίας διάτρησης με λέιζερ.
Τι είδους διάτρηση με λέιζερ είναι διαθέσιμα στα εργοστάσια PCB;
Το λέιζερ είναι μια ισχυρή δέσμη φωτός που διεγείρεται όταν οι «ακτίνες» διεγείρονται από ένα εξωτερικό ερέθισμα που αυξάνει την ενέργειά του, με το υπέρυθρο και το ορατό φως να έχει θερμική ενέργεια και το υπεριώδες φως να έχει οπτική ενέργεια. Όταν αυτό το είδος φωτός χτυπά την επιφάνεια ενός τεμαχίου εργασίας, συμβαίνουν τρία φαινόμενα: ανάκλαση, απορρόφηση και διείσδυση. Η κύρια λειτουργία της διάτρησης με λέιζερ είναι να μπορεί να αφαιρέσει γρήγορα το υλικό του υποστρώματος που πρόκειται να επεξεργαστεί, το οποίο είναι κυρίως με φωτοθερμική αφαίρεση και φωτοχημική αφαίρεση ή τη λεγόμενη εκτομή.
Δύο τεχνολογίες λέιζερ χρησιμοποιούνται για τη διάτρηση με λέιζερ στην εμπορική παραγωγή PCB: λέιζερ CO2 με μήκη κύματος στη ζώνη υπερύθρων και λέιζερ UV με μήκη κύματος στη ζώνη υπεριώδους. Τα λέιζερ CO2 χρησιμοποιούνται ευρέως στην παραγωγή βιομηχανικών οπών micropass σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων , οι οποίες απαιτείται να έχουν διαμέτρους μεγαλύτερες από 100 μm (Raman, 2001). Για την κατασκευή αυτών των μεγάλων οπών, τα λέιζερ CO2 είναι εξαιρετικά παραγωγικά λόγω του πολύ μικρού χρόνου διάτρησης που απαιτείται για την κατασκευή μεγάλων ανοιγμάτων με λέιζερ CO2. Η τεχνολογία λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή μικροβίων με διαμέτρους μικρότερες από 100 μm και ακόμη μικρότερες από 50 μm με τη χρήση μικροκατασκευασμένων διαγραμμάτων καλωδίωσης. Η τεχνολογία λέιζερ UV είναι πολύ παραγωγική στην παραγωγή οπών με διάμετρο μικρότερη από 80 μm. Επομένως, για να καλύψουν την αυξανόμενη ζήτηση για παραγωγικότητα μικροβίων, πολλοί κατασκευαστές PCB έχουν αρχίσει να εισάγουν συστήματα διάτρησης λέιζερ διπλής κεφαλής.
Οι παρακάτω είναι οι τρεις κύριοι τύποι συστημάτων διάτρησης λέιζερ διπλής κεφαλής που διατίθενται στην αγορά σήμερα:
- Συστήματα διάτρησης λέιζερ διπλής κεφαλής UV
- Συστήματα διάτρησης με λέιζερ CO2 διπλής κεφαλής. και
- Συστήματα διάτρησης λέιζερ Stick (CO2 και UV)
Όλοι αυτοί οι τύποι συστημάτων διάτρησης έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Τα συστήματα διάτρησης με λέιζερ μπορούν απλά να χωριστούν σε δύο τύπους, συστήματα διπλού τρυπανιού μονού μήκους κύματος και συστήματα διπλού τρυπανιού διπλού μήκους κύματος.
Ανεξάρτητα από τον τύπο, υπάρχουν δύο κύρια στοιχεία που επηρεάζουν την ικανότητα διάνοιξης οπών:
- Η ενέργεια λέιζερ/ενέργεια παλμού
- Το σύστημα τοποθέτησης δέσμης
Η ενέργεια του παλμού λέιζερ και η αποτελεσματικότητα της παροχής δέσμης καθορίζουν το χρόνο διάτρησης, ο χρόνος διάτρησης είναι ο χρόνος που χρειάζεται το τρυπάνι λέιζερ για να ανοίξει μια τρύπα micropass και το σύστημα τοποθέτησης δέσμης καθορίζει την ταχύτητα με την οποία μπορεί να κινηθεί μεταξύ δύο τρύπες. Μαζί, αυτοί οι παράγοντες καθορίζουν την ταχύτητα με την οποία η μηχανή διάτρησης λέιζερ μπορεί να παράγει τις μικροβιώσεις που απαιτούνται για μια δεδομένη απαίτηση. Τα συστήματα λέιζερ UV διπλής κεφαλής είναι τα καλύτερα κατάλληλα για διάνοιξη οπών μικρότερων από 90μm σε ολοκληρωμένα κυκλώματα με υψηλούς λόγους διαστάσεων.
Το σύστημα λέιζερ CO2 διπλής κεφαλής χρησιμοποιεί λέιζερ CO2 διεγερμένου με ραδιοσυχνότητες με διαμόρφωση Q. Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτού του συστήματος είναι η υψηλή επαναληψιμότητα (έως 100 kHz), οι σύντομοι χρόνοι διάτρησης και η ευρεία επιφάνεια λειτουργίας, η οποία επιτρέπει τη διάνοιξη μιας τυφλής οπής με λίγα μόνο περάσματα, αλλά η ποιότητα των τρυπών μπορεί να είναι χαμηλός.
Το πιο κοινό σύστημα διάτρησης λέιζερ διπλής κεφαλής είναι το υβριδικό σύστημα διάτρησης λέιζερ, το οποίο αποτελείται από μια κεφαλή λέιζερ UV και μια κεφαλή λέιζερ CO2. Αυτή η συνδυασμένη υβριδική μέθοδος διάτρησης με λέιζερ επιτρέπει την ταυτόχρονη διάτρηση χαλκού και διηλεκτρικών. Ο χαλκός τρυπιέται με το λέιζερ UV για να δημιουργηθεί το επιθυμητό μέγεθος και σχήμα οπής και το λέιζερ CO2 χρησιμοποιείται για να τρυπήσει το ακάλυπτο διηλεκτρικό αμέσως μετά. Η διαδικασία γεώτρησης ολοκληρώνεται με τη διάτρηση ενός μπλοκ 2 ιντσών Χ 2 ιντσών που ονομάζεται πεδίο.
Το λέιζερ CO2 αφαιρεί αποτελεσματικά τα διηλεκτρικά, ακόμη και τα ανομοιόμορφα διηλεκτρικά ενισχυμένα με γυαλί. Ωστόσο, ένα μεμονωμένο λέιζερ CO2 δεν μπορεί να κάνει μικρές τρύπες (λιγότερο από 75 μm) και να αφαιρέσει χαλκό, με τις λίγες εξαιρέσεις ότι μπορεί να αφαιρέσει προεπεξεργασμένα λεπτά φύλλα χαλκού κάτω των 5 μm (lustino, 2002). Το λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας είναι ικανό να κάνει πολύ μικρές τρύπες και να αφαιρεί όλους τους κοινούς χάλκινους δρόμους (3 - 36 μm, 1 oz, ακόμη και επιμεταλλωμένα φύλλα χαλκού). Το λέιζερ UV μπορεί επίσης να αφαιρέσει διηλεκτρικά υλικά μόνο του, αλλά με πιο αργό ρυθμό. Επιπλέον, για μη ομοιόμορφα υλικά, π.χ. ενισχυμένο γυαλί FR-4, τα αποτελέσματα είναι συνήθως φτωχά. Αυτό συμβαίνει επειδή το γυαλί μπορεί να αφαιρεθεί μόνο εάν η ενεργειακή πυκνότητα αυξηθεί σε ένα ορισμένο επίπεδο, το οποίο επίσης καταστρέφει τα εσωτερικά μαξιλαράκια. Δεδομένου ότι το σύστημα λέιζερ stick αποτελείται από ένα λέιζερ UV και ένα λέιζερ CO 2, είναι βέλτιστο και στις δύο περιοχές, με το λέιζερ UV μπορούν να γίνουν όλα τα φύλλα χαλκού και οι μικρές τρύπες και με το λέιζερ CO 2 τα διηλεκτρικά μπορούν να τρυπηθούν γρήγορα. Το σχήμα δίνει μια απεικόνιση της δομής ενός συστήματος διάτρησης λέιζερ διπλής κεφαλής με προγραμματιζόμενη απόσταση διάτρησης. Η απόσταση μεταξύ των δύο τρυπανιών μπορεί να ρυθμιστεί από μόνη της σύμφωνα με τη διάταξη των εξαρτημάτων, γεγονός που εξασφαλίζει τη μέγιστη ικανότητα διάτρησης με λέιζερ.
Σήμερα, η απόσταση μεταξύ των δύο τρυπανιών είναι σταθερή στα περισσότερα συστήματα διάτρησης λέιζερ διπλής κεφαλής με τεχνολογία εντοπισμού δέσμης βήμα-και επανάληψης. Το πλεονέκτημα του ίδιου του τηλεχειριστηρίου λέιζερ step-and-repeat είναι το μεγάλο εύρος προσαρμογής του τομέα (έως (50 X 50) μm). Το μειονέκτημα είναι ότι ο τηλεμετατροπέας λέιζερ πρέπει να περάσει πάνω από ένα σταθερό πεδίο και η απόσταση μεταξύ των δύο τρυπανιών είναι σταθερή. Η απόσταση μεταξύ των δύο τρυπανιών ενός τυπικού απομακρυσμένου ρυθμιστή λέιζερ διπλής κεφαλής είναι σταθερή (περίπου 150 μm). Για διαφορετικά μεγέθη πάνελ, τα τρυπάνια σταθερής απόστασης δεν μπορούν να διαμορφωθούν βέλτιστα για την ολοκλήρωση της λειτουργίας, καθώς και τα προγραμματιζόμενα τρυπάνια απόστασης.
Τα σημερινά συστήματα διάτρησης λέιζερ διπλής κεφαλής είναι διαθέσιμα σε μεγάλη γκάμα μεγεθών και επιδόσεων τόσο για κατασκευαστές PCB μικρής κλίμακας όσο και για κατασκευαστές PCB μεγάλου όγκου.
Το κεραμικό οξείδιο του αλουμινίου χρησιμοποιείται στην κατασκευή πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων λόγω της υψηλής διηλεκτρικής του σταθεράς. Ωστόσο, λόγω της ευθραυστότητάς του, η διαδικασία διάτρησης που απαιτείται για την καλωδίωση και τη συναρμολόγηση είναι δύσκολη με τα τυπικά εργαλεία, καθώς η μηχανική καταπόνηση πρέπει να ελαχιστοποιηθεί, κάτι που είναι καλό για τη διάτρηση με λέιζερ. Rangel et al. (1997) απέδειξε ότι για υποστρώματα αλουμίνας, καθώς και για υποστρώματα αλουμίνας επικαλυμμένα με χρυσό και άγκυρες, είναι δυνατό να τρυπηθούν χρησιμοποιώντας ένα συντονισμένο λέιζερ QNd:YAG. Η χρήση ενός λέιζερ μικρού παλμού, χαμηλής ενέργειας και υψηλής ισχύος αιχμής βοήθησε στην αποφυγή βλάβης στο δείγμα από μηχανική καταπόνηση και δημιούργησε διαμπερείς οπές υψηλής ποιότητας με διαμέτρους μικρότερες από 100 μm. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται με επιτυχία σε ενισχυτές μικροκυμάτων χαμηλού θορύβου στην περιοχή συχνοτήτων των 8 - 18 GHz.
Η τεχνολογία λέιζερ Nd:YAG έχει χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία τόσο τυφλών όσο και διαμπερών οπών σε ένα ευρύ φάσμα υλικών. Μεταξύ αυτών είναι η διάνοιξη πιλοτικών οπών σε ελάσματα επικαλυμμένα με χαλκό πολυιμιδίου με ελάχιστη διάμετρο οπής 25 μικρά. Αναλύοντας το κόστος παραγωγής, η πιο οικονομική διάμετρος που χρησιμοποιείται είναι 25-125 μικρά. Η ταχύτητα διάτρησης είναι 10,000 οπές/λεπτό. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας διαδικασία διάτρησης με λέιζερ, με διάμετρο οπής έως 50 μικρά. Η εσωτερική επιφάνεια των διαμορφωμένων οπών είναι καθαρή και χωρίς ενανθράκωση και μπορεί εύκολα να επιμεταλλωθεί. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και στη διάνοιξη οπών με επένδυση από PTFE με επένδυση από χαλκό, με τη μικρότερη διάμετρο οπής 25 microns, την πιο οικονομική διάμετρο που χρησιμοποιείται για 25-125 μικρά. Η ταχύτητα διάτρησης είναι 4500 τρύπες/λεπτό. Δεν απαιτείται προεγχάραξη των παραθύρων. Οι οπές που προκύπτουν είναι καθαρές και δεν απαιτούν πρόσθετες ειδικές απαιτήσεις επεξεργασίας.
