YAG激光系統(tǒng)在印制電路板工業(yè)中應用

當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、準分子激光器和銅蒸氣激光器。CO2 激光器典型地用于生產大約75μm的孔，但是由于光束會從銅面上反射回來，所以它僅僅適合于除去電介質。CO 2激光器非常穩(wěn)定、便宜，且不需維護。準分子激光器是生產高質量、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，然而在需要高生產率時仍具有優(yōu)勢。銅蒸氣激光器能除去電介質和銅，然而在生產過程中會帶來嚴重問題，會使得氣流只能在受限的環(huán)境中生產產品。

在印制電路板工業(yè)中應用最普遍的激光器是調QNd: YAG 激光器，其波長為355nm ，在紫外線范圍內。這個波長可以在印制電路板鉆孔時使大多數(shù)金屬(Gu , Ni , Au , Ag) 融化，其吸收率超過50% (Meier 和Schmidt ， 2002) ，有機材料也能被融化。紫外線激光的光子能量可高達3.5 -7.5eV ，在融化過程中能夠使化學鍵斷裂，部分通過紫外線激光的光化學作用，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)應用的首選。

YAG 激光系統(tǒng)有一個激光源，提供的能量密度(流量)超過4J/cm 2 ， 這個能量密度是鉆開微通孔表面銅循所必需的。有機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。

激光的波長為355nm 時，其典型的光點直徑大約為20μm 。在脈沖時間小于140ns 時，激光的頻率在10 - 50kHz 之間，這時的材料是不會產生熱量的。

圖給出了這種系統(tǒng)基本的原理圖。通過計算機控制掃描器/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生一個矢量模式，以補償材料和設計的偏差。掃描面積為55 x55mm 。這個系統(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)是德國人Mis LPKF 提出的，其機械設計的基座是將堅硬的花崗巖，其表面磨光精度不低于3μm 。工作臺支座放置在氣體軸承上，由線性發(fā)動機來控制。定位的準確性由玻璃標尺來控制，其可重復性確保在± 1μm 。工作臺本身安裝了光學傳感器，可以在不同的反射點對激光位置進行精確調整，補償光學變形和長期漂移的偏差。調整后，由軟件所產生的一系列修正數(shù)據(jù)，可覆蓋整個掃描區(qū)域。漂移刻度補償大約需要lmin 的時間進行操作。基板的任何變化，例如位置偏離基準，可以通過高分辨率的CCD 相機檢測到，通過軟件控制進行補償。

這種系統(tǒng)非常適用于原型的生產，因為它能夠鉆孔和構形，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、保護層、電介質等。Raman等人介紹了最先進的固態(tài)紫外線激光系統(tǒng)，以及其在高密度互連微通孔生產中的應用。

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、構形和切割中的各種應用。該系統(tǒng)可以鉆孔和微通孔，銅層孔徑減小到了30μm ，并且對于一定范圍內的基材能進行單步操作，這種系統(tǒng)也能生產最小寬度為20μm 的印制電路板外層導線，其生產能力大大超過了光化學。這種系統(tǒng)的生產速度可高達250 鉆的操作，并能夠允許所有標準輸入，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。機器工作臺的基座和它的導軌都是用天然的花崗巖制作的，精確度為±3μm 。工作臺由線性驅動器驅動，由空氣軸承支撐;位置由具有熱量補償?shù)牟Ａ顺呖刂?，其精度為土iμm 。操作臺上基板的安裝是通過真空設備完成的。