PCB 工業(yè)激光成孔原理

　　激光是當(dāng)“射線”受到外來的刺激而增加能量下所激發(fā)的一種強(qiáng)力光束，其中紅外光和可見光具有熱能，紫外光另具有光學(xué)能。此種類型的光射到工件的表面時(shí)會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象即反射、吸收和穿透。

　　激光鉆孔的主要作用就是能夠很快地除去所要加工的基板材料，它主要靠光熱燒蝕和光化學(xué)燒蝕或稱之謂切除。

　　（1）光熱燒蝕：指被加工的材料吸收高能量的激光，在極短的時(shí)間加熱到熔化并被蒸發(fā)掉的成孔原理。此種工藝方法在基板材料受到高能量的作用下，在所形成的孔壁上有燒黑的炭化殘?jiān)谆氨仨氝M(jìn)行清理。

　　（2）光化學(xué)燒蝕：是指紫外線區(qū)所具有的高光子能量（超過2eV電子伏特）、激光波長(zhǎng)超過400納米的高能量光子起作用的結(jié)果。而這種高能量的光子能破壞有機(jī)材料的長(zhǎng)分子鏈，成為更小的微粒，而其能量大于原分子，極力從中逸出，在外力的掐吸情況之下，使基板材料被快速除去而形成微孔。因此種類型的工藝方法，不含有熱燒，也就不會(huì)產(chǎn)生炭化現(xiàn)象。所以，孔化前清理就非常簡(jiǎn)單。

　　以上就是激光成孔的基本原理。目前最常用的有兩種激光鉆孔方式：印制電路板鉆孔用的激光器主要有RF激發(fā)的CO2氣體激光器和UV固態(tài)Nd：YAG激光器。

　　（3）關(guān)于基板吸光度：激光成功率的高低與基板材料的吸光率有著直接的關(guān)系。印制電路板是由銅箔與玻璃布和樹脂組合而成，此三種材料的吸光度也因波長(zhǎng)不同有所不同但其中銅箔與玻璃布在紫外光0．3mμ以下區(qū)域的吸收率較高，但進(jìn)入可見光與IR后卻大幅度滑落。有機(jī)樹脂材料則在三段光譜中，都能維持相當(dāng)高的吸收率。這就是樹脂材料所具有的特性，是激光鉆孔工藝流行的基礎(chǔ)。

　　PCB板廠有哪幾種激光鉆孔

　　激光是當(dāng)“射線”受到外來的刺激而增加能量下所激發(fā)的一種強(qiáng)力光束，其中紅外光和可見光具有熱能，紫外光另具有光學(xué)能。此種類型的光射到工件的表面時(shí)會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象即反射、吸收和穿透。激光鉆孔的主要作用就是能夠很快地除去所要加工的基板材料，它主要靠光熱燒蝕和光化學(xué)燒蝕或稱之謂切除。

　　商業(yè)PCB生產(chǎn)中，有兩種激光技術(shù)可用于激光鉆孔。CO2激光波長(zhǎng)在遠(yuǎn)紅外線波段內(nèi)，紫外線激光波長(zhǎng)在紫外線波段內(nèi)。CO2激光廣泛應(yīng)用在印制電路板的工業(yè)微通孔制作中，要求微通孔直徑大于100μm （Raman ， 2001） 。對(duì)于這些大孔徑孔的制作， CO2激光具有很高的生產(chǎn)力，這是因?yàn)镃O2激光制作大孔所需的沖孔時(shí)間非常短。紫外線激光技術(shù)廣泛應(yīng)用在直徑小于100μm 的微孔制作中，隨著微縮線路圖的使用，孔徑甚至可小于50μm 。紫外線激光技術(shù)在制作直徑小于80μm 的孔時(shí)產(chǎn)量非常高。因此，為了滿足日益增加的微孔生產(chǎn)力的需求，許多PCB制造商已經(jīng)開始引入雙頭激光鉆孔系統(tǒng)。

　　以下就是當(dāng)今市場(chǎng)用雙頭激光鉆孔系統(tǒng)的三種主要類型：

　　1） 雙頭紫外線鉆孔系統(tǒng);

　　2） 雙頭CO2激光鉆孔系統(tǒng);

　　3） 棍合激光鉆孔系統(tǒng)（ CO2和紫外線）。

　　所有這些類型的鉆孔系統(tǒng)都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。激光鉆孔系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地分成兩種類型，雙鉆頭單一波長(zhǎng)系統(tǒng)和雙鉆頭雙波長(zhǎng)系統(tǒng)。

　　不論是哪種類型，都有兩個(gè)主要部分影響鉆孔的能力：

　　1 ）激光能量/脈沖能量;

　　2） 光束定位系統(tǒng)。

　　激光脈沖的能量和光束的傳遞效率決定了鉆孔時(shí)間，鉆孔時(shí)間是指激光鉆孔機(jī)鉆一個(gè)微通孔的時(shí)間，光束定位系統(tǒng)決定了在兩個(gè)孔之間移動(dòng)的速度。這些因素共同決定了激光鉆孔機(jī)制作給定要求的微通孔的速度。雙頭紫外線激光系統(tǒng)最適于用在集成電路中小于90μm 的鉆孔，同時(shí)其縱橫比也很高。

　　雙頭CO2激光系統(tǒng)使用的是調(diào)Q射頻激勵(lì)CO2激光器。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)率高（達(dá)到了100kHz） 、鉆孔時(shí)間短、操作面寬，只需要射很少幾下就可以鉆一個(gè)盲孔，但是其鉆孔質(zhì)量會(huì)比較低。

　　使用最普遍的雙頭激光鉆孔系統(tǒng)是混合激光鉆孔系統(tǒng)，它由一個(gè)紫外線激光頭和一個(gè)CO2 激光頭組成。這種綜合運(yùn)用的混合激光鉆孔方法可以便銅和電介質(zhì)的鉆孔同時(shí)進(jìn)行。即用紫外線鉆銅，生成所需要孔的尺寸和形狀，緊接著用CO 2 激光鉆無遮蓋的電介質(zhì)。鉆孔過程是通過鉆2in X 2in 的塊完成的，此塊叫做域。

　　CO2 激光有效地除去電介質(zhì)，甚至是非均勻玻璃增強(qiáng)電介質(zhì)。然而，單一的CO2 激光不能制作小孔（小于75μm） 和除去銅，也有少數(shù)例外，那就是它可以除去經(jīng)過預(yù)先處理的5μm 以下的薄銅箔（lustino ， 2002） 。紫外線激光能夠制作非常小的孔，且可以除去所有普通的銅街（3 - 36μm ， 1oz ，甚至電鍍銅箔）。紫外線激光也可以單獨(dú)除去電介質(zhì)材料，只是速度較慢。而且，對(duì)于非均勻材料，例如增強(qiáng)玻璃FR -4，效果通常不好。這是因?yàn)橹挥心芰棵芏忍岣叩揭欢ǔ潭龋趴梢猿ゲＡВ@樣也會(huì)破壞內(nèi)層的焊盤。由于棍合激光系統(tǒng)包括紫外線激光和CO 2 激光，因此其在兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都能達(dá)到最佳，用紫外線激光可以完成所有的銅箔和小孔，用CO 2 激光可以快速地對(duì)電介質(zhì)進(jìn)行鉆孔。圖給出了可編程鉆距的雙頭激光鉆孔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，兩個(gè)鉆頭之間的間距可根據(jù)元器件的布局自行調(diào)整，這保證了最大的激光鉆孔能力。

　　現(xiàn)在，大多數(shù)雙頭激光鉆孔系統(tǒng)中兩個(gè)鉆頭之間的間距都是固定的，同時(shí)具有步進(jìn)-重復(fù)光束定位技術(shù)。步進(jìn)，重復(fù)激光遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)器本身的優(yōu)點(diǎn)是域的調(diào)節(jié)范圍大（達(dá)到了（50 X 50）μm） 。缺點(diǎn)是激光遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)器必須在固定的域內(nèi)步進(jìn)移動(dòng)，而且兩個(gè)鉆頭之間的間距是固定的。典型的雙頭激光遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)器兩個(gè)鉆頭之間的距離是固定的（大約為150μm） 。對(duì)于不同的面板尺寸，固定距離的鉆頭不能像可編程間距的鉆頭那樣以最佳配置完成操作。

　　如今，雙頭激光鉆孔系統(tǒng)有著各種不同規(guī)格的性能，既能夠適用于小型印制電路板制造廠商，同時(shí)也適用于大批量生產(chǎn)的印制電路板制造廠商。

　　由于陶瓷氧化鋁有很高的介質(zhì)常數(shù)，因此用于制造印制電路板。然而，由于其易碎、布線和裝配時(shí)所需的鉆孔過程用標(biāo)準(zhǔn)工具就很難完成，因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)械壓力必須減小到最小，這對(duì)激光鉆孔卻是一件好事。Rangel 等人（ 1997） 證明對(duì)于氧化鋁基板以及覆有金和錨的氧化鋁基板，可使用調(diào)QNd： YAG 激光器進(jìn)行鉆孔。使用短脈沖、低能量、高峰值功率的激光器有助于避免機(jī)械壓力對(duì)樣本的破壞，能夠制造出孔徑小于100μm 的優(yōu)質(zhì)通孔。這種技術(shù)成功地應(yīng)用在低噪聲微波放大器中，其頻率范圍為8 - 18GHz。

　　Nd：YAG激光技術(shù)在很多種材料上進(jìn)行徽盲孔與通孔的加工。其中在聚酰亞胺覆銅箔層壓板上鉆導(dǎo)通孔，最小孔徑是25微米。從制作成本分析，最經(jīng)濟(jì)的所采用的直徑是25—125微米。鉆孔速度為10000孔/分。可采用直接激光沖孔工藝方法，孔徑最大50微米。其成型的孔內(nèi)表干凈無碳化，很容易進(jìn)行電鍍。同樣也可在聚四氟乙烯覆銅箔層壓板鉆導(dǎo)通孔，最小孔徑為25微米，最經(jīng)濟(jì)的所采用的直徑為25—125微米。鉆孔速度為4500孔／分。不需預(yù)蝕刻出窗口。所成孔很干凈，不需要附加特別的處理工藝要求。