En laser er en kraftig lysstråle, der exciteres, når en "stråle" stimuleres af en ekstern stimulus, der øger dens energi. Infrarødt og synligt lys har termisk energi, mens ultraviolet lys har optisk energi. Når denne type lys rammer overfladen af et emne, opstår tre fænomener: reflektion, absorption og penetration.
Hovedfunktionen ved laserboring er hurtigt at kunne fjerne substratmaterialet, der skal bearbejdes, hovedsageligt ved fototermisk ablation og fotokemisk ablation eller såkaldt excision.
- Foto-termisk ablation: Princippet om huldannelse, hvor materialet, der skal behandles, absorberer højenergilaserlys, opvarmes til smeltning på meget kort tid og fordampes. Denne procesmetode i substratmaterialet udsættes for høj energi, i hullet dannet af væggen af den sorte carboniserede rest, skal hullet renses op før.
- Fotokemisk ablation: henviser til den ultraviolette region har en høj fotonenergi (mere end 2 eV elektronvolt), laserbølgelængde på mere end 400 nanometer højenergifotoner spiller en rolle i resultaterne. Disse højenergifotoner kan ødelægge den lange molekylære kæde af organiske materialer, blive mindre partikler, og dens energi er større end de oprindelige molekyler, den ekstreme kraft, hvorfra man kan undslippe, i tilfælde af ekstern klemsugning, så substratmaterialet er hurtigt fjernet og dannelsen af mikroporøs. Denne type proces indeholder ikke termisk forbrænding og producerer ikke karbonisering. Derfor er det meget nemt at rydde op inden porering. Disse er de grundlæggende principper for laserhuldannelse. I øjeblikket er de mest almindeligt anvendte to typer laserboring: printkortboring med lasere er hovedsageligt RF-exciterede CO2-gaslasere og UV solid-state Nd: YAG-lasere.
- På substratabsorbansen: laserens succesrate har et direkte forhold til substratmaterialets absorbans. Printplader er lavet af kobberfolie og glasvæv og harpiks kombination, absorbansen af disse tre materialer er også forskellig på grund af forskellige bølgelængder, men kobberfolien og glasvævet i den ultraviolette 0.3mμ under området af absorptionshastigheden er højere, men ind i det synlige lys og IR efter et væsentligt fald. Organiske harpiksmaterialer kan på den anden side opretholde en ret høj absorptionshastighed i alle tre spektralbånd. Dette er den egenskab, som harpiksmaterialer har og er grundlaget for laserboringsprocessens popularitet.
Hvilke typer laserboring er tilgængelige på PCB-fabrikker?
En laser er en kraftig lysstråle, der exciteres, når "stråler" stimuleres af en ekstern stimulus, der øger dens energi, hvor infrarødt og synligt lys har termisk energi og ultraviolet lys har optisk energi. Når denne type lys rammer overfladen af et emne, opstår tre fænomener: reflektion, absorption og penetration. Laserboringens hovedfunktion er hurtigt at kunne fjerne substratmaterialet, der skal bearbejdes, hvilket hovedsageligt er ved fototermisk ablation og fotokemisk ablation eller såkaldt excision.
To laserteknologier bruges til laserboring i kommerciel PCB-produktion: CO2-lasere med bølgelængder i det fjerninfrarøde bånd og UV-lasere med bølgelængder i det ultraviolette bånd. CO2-lasere er meget udbredt i produktionen af industrielle mikropashuller i printplader , som skal have diametre på mere end 100 μm (Raman, 2001). Til fremstilling af disse store åbningshuller er CO2-lasere yderst produktive på grund af den meget korte stansetid, der kræves til fremstilling af store åbninger med CO2-lasere. UV-laserteknologi er meget udbredt til fremstilling af mikroviaer med diametre på mindre end 100 μm, og endda mindre end 50 μm med brug af mikrofabrikerede ledningsdiagrammer. UV-laserteknologi er meget produktiv til fremstilling af huller med en diameter på mindre end 80 μm. For at imødekomme den stigende efterspørgsel efter mikrovia-produktivitet er mange PCB-producenter derfor begyndt at introducere laserboresystemer med to hoveder.
Følgende er de tre hovedtyper af laserboresystemer med to hoveder, der er tilgængelige på markedet i dag:
- Dual-head UV laser boresystemer
- Dual head CO2 laser boresystemer; og
- Stick laserboresystemer (CO2 og UV)
Alle disse typer boresystemer har deres egne fordele og ulemper. Laserboresystemer kan simpelthen opdeles i to typer, dobbeltboresystemer med enkelt bølgelængde og dobbelte boresystemer med dobbelt bølgelængde.
Uanset typen er der to hovedkomponenter, der påvirker evnen til at bore huller:
- Laserenergien/pulsenergien
- Strålepositioneringssystemet
Laserimpulsens energi og effektiviteten af stråleleveringen bestemmer boretiden, boretiden er den tid, det tager laserboret at bore et mikropashul, og strålepositioneringssystemet bestemmer den hastighed, hvormed den kan bevæge sig mellem to. huller. Tilsammen bestemmer disse faktorer den hastighed, hvormed laserboremaskinen kan producere de mikroviaer, der kræves til et givet krav. Dual-head UV-lasersystemer er bedst egnede til at bore huller mindre end 90μm i integrerede kredsløb med høje billedformater.
Det dobbelthovede CO2-lasersystem bruger en Q-moduleret RF-exciteret CO2-laser. De vigtigste fordele ved dette system er den høje repeterbarhed (op til 100 kHz), korte boretider og den brede betjeningsflade, som gør det muligt at bore et blindt hul med kun få gange, men kvaliteten af de borede huller kan lav.
Det mest almindelige dobbelthovede laserboresystem er det hybride laserboresystem, som består af et UV-laserhoved og et CO2-laserhoved. Denne kombinerede hybride laserboremetode giver mulighed for samtidig boring af kobber og dielektrikum. Kobberet bores med UV-laseren for at skabe den ønskede hulstørrelse og form, og CO2-laseren bruges til at bore det afdækkede dielektrikum umiddelbart efter. Boreprocessen udføres ved at bore en 2in X 2in blok kaldet en mark.
CO2-laseren fjerner effektivt dielektrika, selv uensartede glasforstærkede dielektrika. En enkelt CO2-laser kan dog ikke lave små huller (mindre end 75 μm) og fjerne kobber, med de få undtagelser, at den kan fjerne forbehandlede tynde kobberfolier på mindre end 5 μm (lustino, 2002). UV-laseren er i stand til at lave meget små huller og fjerne alle almindelige kobbergader (3 - 36 μm, 1oz, selv belagte kobberfolier). UV-laseren kan også fjerne dielektriske materialer alene, men med en langsommere hastighed. For ikke-ensartede materialer, f.eks. armeret glas FR-4, er resultaterne desuden normalt dårlige. Dette skyldes, at glasset kun kan fjernes, hvis energitætheden øges til et vist niveau, hvilket også ødelægger de indvendige puder. Da stiklasersystemet består af en UV-laser og en CO 2-laser, er det optimalt i begge områder, med UV-laseren kan alle kobberfolier og små huller laves, og med CO 2-laseren kan dielektrikkerne hurtigt bores. Figuren giver en illustration af strukturen af et dobbelthoved laserboresystem med programmerbar boreafstand. Afstanden mellem de to bor kan justeres af sig selv i henhold til komponenternes layout, hvilket sikrer maksimal laserboreevne.
I dag er afstanden mellem de to bor fast i de fleste dobbelthovede laserboresystemer med step-and-repeat strålepositioneringsteknologi. Fordelen ved selve trin-og-gentag laserfjernbetjeningen er domænets store justeringsområde (op til (50 X 50) μm). Ulempen er, at laser-telekonverteren skal trædes over et fast felt, og afstanden mellem de to bor er fast. Afstanden mellem de to bor i en typisk dobbelthoved laser fjernregulator er fast (ca. 150 μm). For forskellige panelstørrelser kan bor med fast afstand ikke konfigureres optimalt til at fuldføre operationen såvel som programmerbare afstandsøvelser.
Nutidens dobbelthovede laserboresystemer er tilgængelige i en lang række størrelser og ydeevner for både små PCB-producenter såvel som for højvolumen-PCB-producenter.
Keramisk aluminiumoxid bruges til fremstilling af printplader på grund af dets høje dielektriske konstant. På grund af dens skrøbelighed er den boreproces, der kræves til ledninger og montering, vanskelig med standardværktøjer, da mekanisk belastning skal minimeres, hvilket er en god ting ved laserboring.Rangel et al. (1997) viste, at for aluminiumoxidsubstrater såvel som for aluminiumoxidsubstrater belagt med guld og ankre er det muligt at bore ved hjælp af en tunet QNd:YAG-laser. Brugen af en kortpulset lavenergilaser med høj spidseffekt hjalp med at undgå beskadigelse af prøven ved mekanisk belastning og producerede gennemgående huller af høj kvalitet med diametre på mindre end 100 μm. Denne teknologi er med succes brugt i mikrobølgeforstærkere med lav støj i frekvensområdet 8 - 18 GHz.
Nd:YAG laserteknologi er blevet brugt til at behandle både blinde og gennemgående huller i en lang række materialer. Blandt disse er boring af pilothuller i polyimid kobberbeklædte laminater med en minimumshuldiameter på 25 mikron. Ved at analysere produktionsomkostningerne er den mest økonomiske anvendte diameter 25-125 mikron. Borehastigheden er 10,000 huller/min. Direkte laserstanseproces kan anvendes, huldiameter på op til 50 mikron. Den indvendige overflade af de støbte huller er ren og fri for forkulning og kan let belægges. Det samme kan også være i det PTFE kobberbeklædte laminat, der borer gennem huller, den mindste huldiameter på 25 mikron, den mest økonomiske diameter, der bruges til 25-125 mikron. Borehastighed er 4500 huller/min. Der kræves ingen for-ætsning af vinduer. De resulterende huller er rene og kræver ikke yderligere særlige forarbejdningskrav.
