לייזר הוא קרן אור עוצמתית הנרגשת כאשר "קרן" מעוררת על ידי גירוי חיצוני המגביר את האנרגיה שלה. לאור אינפרא אדום ולאור הנראה יש אנרגיה תרמית, בעוד לאור אולטרה סגול יש אנרגיה אופטית. כאשר סוג זה של אור פוגע במשטח של חומר עבודה, מתרחשות שלוש תופעות: השתקפות, בליעה וחדירה.
התפקיד העיקרי של קידוח הלייזר הוא להיות מסוגל להסיר במהירות את חומר המצע המיועד לעיבוד, בעיקר על ידי אבלציה פוטותרמית ואבלציה פוטוכימית או מה שנקרא כריתה.
- אבלציה פוטו-תרמית: עקרון יצירת החורים בו החומר המיועד לעיבוד סופג אור לייזר באנרגיה גבוהה, מתחמם עד להמסה תוך זמן קצר מאוד ומתאדה. שיטת תהליך זו בחומר התשתית נתונה לאנרגיה גבוהה, בחור שנוצר על ידי דופן השאריות המושחרות המושחרות, יש לנקות את החור לפני.
- אבלציה פוטוכימית: מתייחס לאזור האולטרה-סגול בעל אנרגיית פוטון גבוהה (יותר מ-2 eV אלקטרונים וולט), אורך גל לייזר של יותר מ-400 ננומטר של פוטונים עתירי אנרגיה משחקים תפקיד בתוצאות. פוטונים עתירי אנרגיה אלו יכולים להרוס את השרשרת המולקולרית הארוכה של חומרים אורגניים, להפוך לחלקיקים קטנים יותר, והאנרגיה שלו גדולה יותר מהמולקולות המקוריות, הכוח הקיצוני שממנו ניתן לברוח, במקרה של יניקה צביטה חיצונית, כך שחומר המצע. מוסר במהירות והיווצרות של microporous. תהליך מסוג זה אינו מכיל שריפה תרמית ואינו מייצר פחמיזה. לכן, קל מאוד לנקות לפני הפורציה. אלו הם העקרונות הבסיסיים של יצירת חורים בלייזר. כיום שני סוגי קידוח הלייזר הנפוצים ביותר: קידוח מעגלים מודפסים עם לייזרים הם בעיקר לייזרים גז CO2 מעוררי RF ולייזרי UV במצב מוצק Nd: YAG.
- על ספיגת המצע: לשיעור ההצלחה של הלייזר יש קשר ישיר עם הספיגה של חומר התשתית. לוחות מעגלים מודפסים עשויים מרדיד נחושת ושילוב בד זכוכית ושרף, הספיגה של שלושת החומרים הללו שונה גם בשל אורכי גל שונים, אך נייר הנחושת ובד הזכוכית באולטרה סגול 0.3mμ מתחת לאזור של קצב הספיגה גבוה יותר, אך לתוך האור הנראה ו-IR לאחר ירידה משמעותית. חומרי שרף אורגניים, לעומת זאת, יכולים לשמור על קצב ספיגה גבוה למדי בכל שלוש הרצועות הספקטרליות. זהו המאפיין שיש לחומרי שרף והוא הבסיס לפופולריות של תהליך קידוח הלייזר.
אילו סוגי קידוחי לייזר זמינים במפעלי PCB?
לייזר הוא קרן אור רבת עוצמה הנרגשת כאשר "קרניים" מעוררות על ידי גירוי חיצוני המגביר את האנרגיה שלו, כאשר לאור אינפרא אדום ונראה יש אנרגיה תרמית ולאור האולטרה סגול יש אנרגיה אופטית. כאשר סוג זה של אור פוגע במשטח של חומר עבודה, מתרחשות שלוש תופעות: השתקפות, בליעה וחדירה. התפקיד העיקרי של קידוח הלייזר הוא להיות מסוגל להסיר במהירות את חומר המצע המיועד לעיבוד, וזה בעיקר על ידי אבלציה פוטותרמית ואבלציה פוטוכימית או מה שנקרא כריתה.
שתי טכנולוגיות לייזר משמשות לקידוח לייזר בייצור PCB מסחרי: לייזר CO2 עם אורכי גל בפס האינפרא אדום הרחוק, ולייזרי UV עם אורכי גל בפס האולטרה סגול. לייזרים CO2 נמצאים בשימוש נרחב בייצור חורים תעשייתיים במיקרו-מעבר במעגלים מודפסים , אשר נדרשים להיות בעלי קטרים של יותר מ-100 מיקרומטר (Raman, 2001). לייצור של חורי צמצמים גדולים אלה, לייזרים CO2 הם פרודוקטיביים ביותר בשל זמן הניקוב הקצר מאוד הנדרש לייצור של צמצמים גדולים עם לייזר CO2. טכנולוגיית לייזר UV נמצאת בשימוש נרחב בייצור מיקרווויות בקטרים של פחות מ-100 מיקרומטר, ואפילו פחות מ-50 מיקרומטר עם שימוש בדיאגרמות חיווט מיוצרות במיקרו. טכנולוגיית לייזר UV פרודוקטיבית מאוד בייצור חורים בקוטר של פחות מ-80 מיקרומטר. לכן, כדי לענות על הדרישה הגוברת לפרודוקטיביות של microvia, יצרני PCB רבים החלו להציג מערכות קידוח לייזר כפול ראש.
להלן שלושת הסוגים העיקריים של מערכות קידוח לייזר כפולות הקיימות בשוק כיום:
- מערכות קידוח לייזר UV כפול ראש
- מערכות קידוח לייזר CO2 עם ראש כפול; ו
- מערכות קידוח לייזר סטיק (CO2 ו-UV)
לכל סוגי מערכות הקידוח הללו יש יתרונות וחסרונות משלהם. ניתן לחלק מערכות קידוח בלייזר לשני סוגים, מערכות קידוח באורך גל כפול ומערכות באורך גל כפול.
ללא קשר לסוג, ישנם שני מרכיבים עיקריים המשפיעים על היכולת לקדוח חורים:
- אנרגיית הלייזר/אנרגיית הדופק
- מערכת מיקום הקורה
אנרגיית דופק הלייזר ויעילות אספקת האלומה קובעות את זמן הקידוח, זמן הקידוח הוא הזמן שלוקח למקדח הלייזר לקדוח חור מיקרו-פאס, ומערכת מיקום הקרן קובעת את המהירות שבה היא יכולה לנוע בין שניים. חורים. יחד, גורמים אלה קובעים את המהירות שבה מכונת קידוח הלייזר יכולה לייצר את המיקרווויות הנדרשות לדרישה נתונה. מערכות לייזר UV כפולות ראש מתאימות ביותר לקידוח חורים קטנים מ-90 מיקרומטר במעגלים משולבים עם יחסי רוחב-גובה גבוהים.
מערכת לייזר CO2 דו-ראשית משתמשת בלייזר CO2 עם מודול Q-מודול RF. היתרונות העיקריים של מערכת זו הם יכולת החזרה הגבוהה (עד 100 קילו-הרץ), זמני קידוח קצרים ומשטח ההפעלה הרחב, המאפשר לקדוח חור עיוור במעברים בודדים בלבד, אך ניתן לבצע את איכות החורים הנקדח. נָמוּך.
מערכת קידוח הלייזר הדו-ראשית הנפוצה ביותר היא מערכת קידוח הלייזר ההיברידית, המורכבת מראש לייזר UV וראש לייזר CO2. שיטת קידוח לייזר היברידית משולבת זו מאפשרת קידוח סימולטני של נחושת ודיאלקטריים. את הנחושת קודחים עם לייזר UV כדי ליצור את גודל וצורת החור הרצויים, ולייזר CO2 משמש לקידוח הדיאלקטרי שלא מכוסה מיד לאחר מכן. תהליך הקידוח מתבצע על ידי קידוח בלוק של 2 אינץ' X 2 אינץ' הנקרא שדה.
לייזר CO2 מסיר ביעילות דיאלקטריות, אפילו דיאלקטריות מחוזקות זכוכית לא אחידות. עם זאת, לייזר CO2 יחיד אינו יכול ליצור חורים קטנים (פחות מ-75 מיקרומטר) ולהסיר נחושת, למעט היוצאים מן הכלל שהוא יכול להסיר רדיד נחושת דק שטופל מראש של פחות מ-5 מיקרומטר (lustino, 2002). לייזר UV מסוגל ליצור חורים קטנים מאוד ולהסיר את כל רחובות הנחושת הנפוצים (3 - 36 מיקרומטר, 1oz, אפילו רדיד נחושת מצופה). לייזר UV יכול גם להסיר חומרים דיאלקטריים לבד, אך בקצב איטי יותר. יתרה מכך, עבור חומרים לא אחידים, למשל זכוכית מחוזקת FR-4, התוצאות בדרך כלל גרועות. הסיבה לכך היא שניתן להסיר את הזכוכית רק אם מגדילים את צפיפות האנרגיה לרמה מסוימת, מה שהורס גם את הרפידות הפנימיות. היות ומערכת לייזר סטיק מורכבת מלייזר UV ולייזר CO 2, היא אופטימלית בשני האזורים, עם לייזר UV ניתן לבצע את כל יריעות הנחושת והחורים הקטנים, ועם הלייזר CO 2 ניתן לקדוח את הדיאלקטריים במהירות. האיור נותן המחשה של המבנה של מערכת קידוח לייזר דו-ראשית עם מרווחי קידוח הניתנים לתכנות. את המרווח בין שני המקדחים ניתן לכוונן בעצמו לפי פריסת הרכיבים, מה שמבטיח יכולת קידוח לייזר מקסימלית.
כיום, המרווח בין שני המקדחים קבוע ברוב מערכות קידוח הלייזר כפול ראש עם טכנולוגיית מיקום קרן צעד וחזרה. היתרון של שלט הלייזר צעד וחזרה עצמו הוא טווח ההתאמה הגדול של התחום (עד (50 X 50) מיקרומטר). החיסרון הוא שיש לדרוך את ממיר הלייזר על שדה קבוע והמרווח בין שני המקדחים קבוע. המרחק בין שני התרגילים של וסת לייזר מרחוק כפול ראשי הוא קבוע (כ-150 מיקרומטר). עבור גדלי פאנלים שונים, לא ניתן להגדיר בצורה אופטימלית תרגילים למרחק קבוע להשלמת הפעולה, כמו גם תרגילי מרווח הניתנים לתכנות.
מערכות קידוח הלייזר הכפולות של היום זמינות במגוון רחב של גדלים וביצועים הן עבור יצרני PCB בקנה מידה קטן וכן עבור יצרני PCB בנפח גבוה.
תחמוצת אלומיניום קרמית משמשת לייצור מעגלים מודפסים בגלל הקבוע הדיאלקטרי הגבוה שלה. עם זאת, בשל שבריריותו, תהליך הקידוח הנדרש לחיווט והרכבה קשה בכלים סטנדרטיים, שכן יש למזער את הלחץ המכני, וזה דבר טוב עבור קידוחי לייזר.Rangel et al. (1997) הדגימו כי עבור מצעי אלומינה, כמו גם עבור מצעי אלומינה המצופים בזהב ובעוגנים, ניתן לקדוח באמצעות לייזר QNd:YAG מכוון. השימוש בלייזר קצר דופק, בעל אנרגיה נמוכה, בעל הספק גבוה, סייע למנוע נזק לדגימה על ידי לחץ מכני ויצר חורים חודרים באיכות גבוהה בקטרים של פחות מ-100 מיקרומטר. טכנולוגיה זו משמשת בהצלחה במגברי מיקרוגל בעלי רעש נמוך בטווח התדרים של 8 - 18 GHz.
טכנולוגיית הלייזר Nd:YAG שימשה לעיבוד חורים עיוורים ודרך חורים במגוון רחב של חומרים. בין אלה קידוח חורי פיילוט בלמינטים מצופים נחושת פוליאמיד בקוטר חור מינימלי של 25 מיקרון. בניתוח עלות הייצור, הקוטר החסכוני ביותר בשימוש הוא 25-125 מיקרון. מהירות הקידוח היא 10,000 חורים לדקה. ניתן להשתמש בתהליך ניקוב בלייזר ישיר, קוטר חור של עד 50 מיקרון. המשטח הפנימי של החורים המעוצבים נקי וללא פחממות וניתן לציפוי בקלות. אותו הדבר יכול להיות גם בקידוח למינציה מצופה נחושת PTFE דרך חורים, קוטר החור הקטן ביותר של 25 מיקרון, הקוטר החסכוני ביותר המשמש עבור 25-125 מיקרון. מהירות הקידוח היא 4500 חורים/דקה. אין צורך בתחריט מראש של חלונות. החורים המתקבלים נקיים ואינם דורשים דרישות עיבוד מיוחדות נוספות.
