เลเซอร์คือลำแสงอันทรงพลังที่จะตื่นเต้นเมื่อ "รังสี" ถูกกระตุ้นโดยสิ่งเร้าภายนอกที่จะเพิ่มพลังงาน แสงอินฟราเรดและแสงที่ตามองเห็นมีพลังงานความร้อน ในขณะที่แสงอัลตราไวโอเลตมีพลังงานแสง เมื่อแสงประเภทนี้ตกกระทบพื้นผิวชิ้นงาน จะเกิดปรากฏการณ์สามประการ: การสะท้อน การดูดกลืน และการทะลุผ่าน
หน้าที่หลักของการเจาะด้วยเลเซอร์คือสามารถดึงวัสดุพื้นผิวที่จะแปรรูปออกได้อย่างรวดเร็ว โดยหลักๆ แล้วโดยการระเหยด้วยความร้อนด้วยแสงและการระเหยด้วยแสงเคมีหรือที่เรียกว่าการตัดออก
- การระเหยด้วยความร้อนด้วยแสง: หลักการสร้างรูซึ่งวัสดุที่จะนำไปแปรรูปจะดูดซับแสงเลเซอร์พลังงานสูง ให้ความร้อนจนละลายในเวลาอันสั้น และถูกระเหยไป วิธีกระบวนการนี้ในวัสดุพื้นผิวต้องได้รับพลังงานสูง ในรูที่เกิดจากผนังของสารตกค้างที่เป็นคาร์บอนที่ดำคล้ำ จะต้องทำความสะอาดรูก่อน
- การระเหยด้วยแสงเคมี: หมายถึงบริเวณอัลตราไวโอเลตที่มีพลังงานโฟตอนสูง (มากกว่า 2 eV อิเล็กตรอนโวลต์) ความยาวคลื่นเลเซอร์มากกว่า 400 นาโนเมตรของโฟตอนพลังงานสูงมีบทบาทในผลลัพธ์ โฟตอนพลังงานสูงนี้สามารถทำลายสายโซ่โมเลกุลยาวของวัสดุอินทรีย์ กลายเป็นอนุภาคขนาดเล็ก และพลังงานของมันจะมากกว่าโมเลกุลดั้งเดิม ซึ่งเป็นแรงที่รุนแรงที่จะหลบหนี ในกรณีของการดูดแบบหยิกภายนอก เพื่อให้วัสดุพื้นผิว จะถูกกำจัดออกอย่างรวดเร็วและเกิด microporous กระบวนการประเภทนี้ไม่มีการเผาไหม้ด้วยความร้อนและไม่ก่อให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายมากที่จะทำความสะอาดก่อนแบ่งส่วน นี่คือหลักการพื้นฐานของการสร้างรูเลเซอร์ ในปัจจุบัน การเจาะด้วยเลเซอร์สองประเภทที่ใช้กันมากที่สุด: การเจาะแผงวงจรพิมพ์ด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่เป็นเลเซอร์ก๊าซ CO2 ที่ตื่นเต้นด้วย RF และเลเซอร์ Nd: YAG แบบโซลิดสเตต UV
- ในการดูดกลืนแสงของพื้นผิว: อัตราความสำเร็จของเลเซอร์มีความสัมพันธ์โดยตรงกับการดูดกลืนแสงของวัสดุพื้นผิว แผงวงจรพิมพ์ทำจากฟอยล์ทองแดงและผ้าแก้วและเรซินผสม การดูดกลืนแสงของวัสดุทั้งสามนี้ยังแตกต่างกันเนื่องจากความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน แต่ฟอยล์ทองแดงและผ้าแก้วในรังสีอัลตราไวโอเลต 0.3mμ ต่ำกว่าขอบเขตของ อัตราการดูดซับจะสูงกว่า แต่เข้าสู่แสงที่มองเห็นและ IR หลังจากลดลงอย่างมาก ในทางกลับกัน วัสดุเรซินอินทรีย์สามารถรักษาอัตราการดูดซับที่ค่อนข้างสูงในแถบสเปกตรัมทั้งสามแถบได้ นี่คือคุณลักษณะที่วัสดุเรซินมีและเป็นพื้นฐานสำหรับความนิยมของกระบวนการเจาะด้วยเลเซอร์
โรงงาน PCB มีการเจาะด้วยเลเซอร์ประเภทใดบ้าง
เลเซอร์เป็นลำแสงอันทรงพลังที่สร้างความตื่นเต้นเมื่อ "รังสี" ถูกกระตุ้นโดยสิ่งกระตุ้นภายนอกที่เพิ่มพลังงาน โดยแสงอินฟราเรดและแสงที่ตามองเห็นจะมีพลังงานความร้อน และแสงอัลตราไวโอเลตมีพลังงานแสง เมื่อแสงประเภทนี้ตกกระทบพื้นผิวชิ้นงาน จะเกิดปรากฏการณ์สามประการ: การสะท้อน การดูดกลืน และการทะลุผ่าน หน้าที่หลักของการเจาะด้วยเลเซอร์คือสามารถดึงวัสดุพื้นผิวที่จะแปรรูปออกได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการระเหยด้วยความร้อนด้วยแสงและการระเหยด้วยแสงเคมีหรือที่เรียกว่าการตัดออก
เทคโนโลยีเลเซอร์สองชนิดถูกนำมาใช้สำหรับการเจาะด้วยเลเซอร์ในการผลิต PCB เชิงพาณิชย์: เลเซอร์ CO2 ที่มีความยาวคลื่นในแถบอินฟราเรดไกล และเลเซอร์ UV ที่มีความยาวคลื่นในแถบอัลตราไวโอเลต เลเซอร์ CO2 ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตรูไมโครพาสทางอุตสาหกรรมในแผงวงจรพิมพ์ ซึ่งจำเป็นต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 100 μm (Raman, 2001) สำหรับการสร้างรูที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่เหล่านี้ เลเซอร์ CO2 ให้ผลผลิตสูงเนื่องจากใช้เวลาเจาะสั้นมากซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างรูรับแสงขนาดใหญ่ด้วยเลเซอร์ CO2 เทคโนโลยีเลเซอร์ UV ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตไมโครเวียที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 100 μm และแม้แต่น้อยกว่า 50 μm ด้วยการใช้แผนภาพการเดินสายไฟแบบไมโคร เทคโนโลยีเลเซอร์ UV มีประสิทธิภาพในการผลิตรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 80 μm ดังนั้น เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการผลิตไมโครเวีย ผู้ผลิต PCB หลายรายจึงเริ่มแนะนำระบบการเจาะด้วยเลเซอร์แบบหัวคู่
ต่อไปนี้คือระบบการเจาะด้วยเลเซอร์สองหัวหลักสามประเภทที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบัน:
- ระบบเจาะด้วยเลเซอร์ UV สองหัว
- ระบบเจาะเลเซอร์ CO2 หัวคู่ และ
- ระบบเจาะด้วยเลเซอร์แบบแท่ง (CO2 และ UV)
ระบบการขุดเจาะทุกประเภทเหล่านี้มีข้อดีและข้อเสียในตัวเอง ระบบการเจาะด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งออกง่ายๆ ได้เป็นสองประเภท ได้แก่ ระบบความยาวคลื่นเดี่ยวแบบสว่านคู่ และระบบความยาวคลื่นคู่แบบสว่านคู่
ไม่ว่าจะประเภทใดก็ตาม มีองค์ประกอบหลักสองประการที่ส่งผลต่อความสามารถในการเจาะรู:
- พลังงานเลเซอร์/พลังงานพัลส์
- ระบบกำหนดตำแหน่งลำแสง
พลังงานของพัลส์เลเซอร์และประสิทธิภาพของการส่งลำแสงจะกำหนดเวลาในการเจาะ เวลาในการเจาะคือเวลาที่สว่านเลเซอร์ใช้ในการเจาะรูไมโครพาส และระบบกำหนดตำแหน่งลำแสงจะกำหนดความเร็วที่สามารถเคลื่อนที่ได้ระหว่างสองช่อง หลุม ปัจจัยเหล่านี้จะร่วมกันกำหนดความเร็วที่เครื่องเจาะด้วยเลเซอร์สามารถผลิตไมโครเวียที่จำเป็นสำหรับข้อกำหนดที่กำหนด ระบบเลเซอร์ UV แบบหัวคู่เหมาะที่สุดสำหรับการเจาะรูที่มีขนาดเล็กกว่า 90μm ในวงจรรวมที่มีอัตราส่วนกว้างยาวสูง
ระบบเลเซอร์ CO2 แบบสองหัวใช้เลเซอร์ CO2 ที่กระตุ้นด้วย RF แบบ Q-modulated ข้อได้เปรียบหลักของระบบนี้คือความสามารถในการทำซ้ำได้สูง (สูงถึง 100 kHz) ระยะเวลาการเจาะสั้น และพื้นผิวการทำงานที่กว้าง ซึ่งช่วยให้สามารถเจาะรูตันได้โดยใช้เพียงไม่กี่รอบ แต่คุณภาพของรูที่เจาะได้นั้น ต่ำ.
ระบบการเจาะด้วยเลเซอร์แบบสองหัวที่ใช้กันมากที่สุดคือระบบการเจาะด้วยเลเซอร์ไฮบริด ซึ่งประกอบด้วยหัวเลเซอร์ UV และหัวเลเซอร์ CO2 วิธีการเจาะด้วยเลเซอร์แบบผสมผสานนี้ช่วยให้สามารถเจาะทองแดงและไดอิเล็กทริกได้พร้อมกัน ทองแดงถูกเจาะด้วยเลเซอร์ UV เพื่อสร้างรูขนาดและรูปร่างที่ต้องการ และใช้เลเซอร์ CO2 เพื่อเจาะอิเล็กทริกที่ไม่มีการเคลือบทันทีหลังจากนั้น กระบวนการเจาะทำได้โดยการเจาะบล็อกขนาด 2 นิ้ว X 2 นิ้วที่เรียกว่าสนาม
เลเซอร์ CO2 กำจัดไดอิเล็กทริกได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้แต่ไดอิเล็กทริกเสริมด้วยแก้วที่มีรูปแบบไม่สม่ำเสมอก็ตาม อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ CO2 ตัวเดียวไม่สามารถสร้างรูเล็กๆ (น้อยกว่า 75 μm) และกำจัดทองแดงได้ โดยมีข้อยกเว้นบางประการที่สามารถกำจัดฟอยล์ทองแดงบางๆ ที่ผ่านการเตรียมผิวแล้วซึ่งมีขนาดน้อยกว่า 5 μm ได้ (lustino, 2002) เลเซอร์ยูวีสามารถสร้างรูขนาดเล็กมากและกำจัดถนนทองแดงทั่วไปทั้งหมดได้ (3 - 36 μm, 1 ออนซ์ แม้แต่ฟอยล์ทองแดงที่ชุบแล้ว) เลเซอร์ยูวียังสามารถกำจัดวัสดุอิเล็กทริกเพียงอย่างเดียวได้ แต่ในอัตราที่ช้ากว่า นอกจากนี้ สำหรับวัสดุที่มีรูปทรงไม่สม่ำเสมอ เช่น กระจกเสริมแรง FR-4 มักจะได้ผลลัพธ์ที่ได้ไม่ดี เนื่องจากสามารถถอดกระจกออกได้ก็ต่อเมื่อความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นถึงระดับหนึ่งเท่านั้น ซึ่งจะทำลายแผ่นอิเล็กโทรดด้านในด้วย เนื่องจากระบบเลเซอร์แบบแท่งประกอบด้วยเลเซอร์ UV และเลเซอร์ CO 2 จึงเหมาะสมที่สุดในทั้งสองพื้นที่ โดยเลเซอร์ UV สามารถทำฟอยล์ทองแดงและรูเล็กๆ ทั้งหมดได้ และด้วยเลเซอร์ CO 2 จึงสามารถเจาะไดอิเล็กทริกได้อย่างรวดเร็ว ภาพนี้แสดงให้เห็นโครงสร้างของระบบการเจาะด้วยเลเซอร์แบบสองหัวพร้อมระยะการเจาะที่ตั้งโปรแกรมได้ ระยะห่างระหว่างดอกสว่านทั้งสองสามารถปรับได้ด้วยตัวเองตามโครงร่างของส่วนประกอบ ซึ่งช่วยให้มั่นใจในความสามารถในการเจาะด้วยเลเซอร์สูงสุด
ปัจจุบันนี้ ระยะห่างระหว่างสว่านทั้งสองได้รับการแก้ไขแล้วในระบบการเจาะด้วยเลเซอร์แบบสองหัวส่วนใหญ่พร้อมเทคโนโลยีการกำหนดตำแหน่งลำแสงแบบขั้นและซ้ำ ข้อดีของรีโมตคอนโทรลเลเซอร์แบบขั้นตอนและซ้ำคือช่วงการปรับขนาดใหญ่ของโดเมน (สูงสุด (50 X 50) μm) ข้อเสียคือเลเซอร์เทเลคอนเวอร์เตอร์จะต้องก้าวข้ามสนามที่ตายตัว และระยะห่างระหว่างสว่านทั้งสองนั้นคงที่ ระยะห่างระหว่างดอกสว่านทั้งสองของตัวควบคุมระยะไกลด้วยเลเซอร์แบบสองหัวทั่วไปได้รับการแก้ไขแล้ว (ประมาณ 150 μm) สำหรับขนาดแผงที่แตกต่างกัน ไม่สามารถกำหนดค่าดอกสว่านระยะคงที่ได้อย่างเหมาะสมที่สุดเพื่อให้การทำงานเสร็จสมบูรณ์เช่นเดียวกับดอกสว่านระยะห่างที่ตั้งโปรแกรมได้
ระบบการเจาะด้วยเลเซอร์แบบสองหัวในปัจจุบันมีจำหน่ายในขนาดและประสิทธิภาพที่หลากหลายสำหรับทั้งผู้ผลิต PCB ขนาดเล็กและผู้ผลิต PCB ปริมาณมาก
เซรามิกอลูมิเนียมออกไซด์ใช้ในการผลิตแผงวงจรพิมพ์เนื่องจากมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีความเปราะบาง กระบวนการเจาะที่จำเป็นสำหรับการเดินสายไฟและการประกอบจึงทำได้ยากด้วยเครื่องมือมาตรฐาน เนื่องจากต้องลดความเครียดทางกลให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งเป็นสิ่งที่ดีสำหรับการเจาะด้วยเลเซอร์ Rangel และคณะ (1997) แสดงให้เห็นว่าสำหรับพื้นผิวอลูมินา เช่นเดียวกับพื้นผิวอลูมินาที่เคลือบด้วยทองและพุก สามารถเจาะโดยใช้เลเซอร์ QNd:YAG ที่ปรับแต่งแล้วได้ การใช้เลเซอร์กำลังสูงสุดที่มีพัลส์สั้น พลังงานต่ำ ช่วยป้องกันความเสียหายต่อตัวอย่างจากความเค้นเชิงกล และทำให้เกิดรูทะลุคุณภาพสูงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 100 μm เทคโนโลยีนี้ใช้ในเครื่องขยายสัญญาณไมโครเวฟสัญญาณรบกวนต่ำในช่วงความถี่ 8 - 18 GHz ได้สำเร็จ
เทคโนโลยีเลเซอร์ Nd:YAG ถูกนำมาใช้ในการประมวลผลทั้งรูตันและรูทะลุในวัสดุหลากหลายประเภท หนึ่งในนั้นคือการเจาะรูนำร่องในลามิเนตหุ้มทองแดงโพลีอิไมด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางรูขั้นต่ำ 25 ไมครอน เมื่อวิเคราะห์ต้นทุนการผลิต เส้นผ่านศูนย์กลางที่ประหยัดที่สุดที่ใช้คือ 25-125 ไมครอน ความเร็วในการเจาะคือ 10,{4}} หลุม/นาที สามารถใช้กระบวนการเจาะด้วยเลเซอร์โดยตรง เส้นผ่านศูนย์กลางรูสูงถึง 50 ไมครอน พื้นผิวด้านในของรูที่ขึ้นรูปสะอาดและปราศจากคาร์บอนและสามารถชุบได้ง่าย เช่นเดียวกับการเจาะรูผ่านลามิเนตเคลือบทองแดง PTFE ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูเล็กที่สุด 25 ไมครอน ซึ่งเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางที่ประหยัดที่สุดที่ใช้สำหรับ 25-125 ไมครอน ความเร็วในการเจาะ 4,500 รู/นาที ไม่จำเป็นต้องแกะสลักหน้าต่างล่วงหน้า รูที่ได้นั้นสะอาดและไม่ต้องการข้อกำหนดพิเศษในการประมวลผลเพิ่มเติม
