激光光束通常為機(jī)械印制電路板加工提供低壓替代方法,如銑削或自動(dòng)電路板切割。但是紫外激光器具有其它激光器所不具備的好處,即能夠限制熱應(yīng)力。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)紫外激光系統(tǒng)在低功率狀態(tài)下運(yùn)行。通過(guò)使用有時(shí)被稱為“冷消融”的工藝,紫外激光器的光束會(huì)產(chǎn)生一個(gè)縮小的熱影響區(qū),可以將沖緣加工、碳化以及其它熱應(yīng)力的影響降至最低,而使用更高功率的激光器通常都會(huì)存在這些負(fù)面影響。 

紫外激光器的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更短,因此肉眼是不可見(jiàn)的。雖然你無(wú)法看到這些激光束,但就是這些短波讓紫外激光器能夠更精確地聚焦,從而在產(chǎn)生極其精細(xì)的電路特性的同時(shí),還能保持優(yōu)良的定位精度。 

除了波長(zhǎng)短,工件溫度較低外,紫外線中存在的高能光子讓紫外激光得以應(yīng)用于大型PCB電路板組合,從FR4等標(biāo)準(zhǔn)材料到高頻陶瓷復(fù)合材料以及包括聚酰亞胺在內(nèi)的柔性PCB材料等各種材料都適用。 

圖1中的圖表顯示了三種常見(jiàn)的PCB材料在六種不同激光器作用下的吸收率。這六種激光器中包括準(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)為248 nm),紅外激光器(波長(zhǎng)為1064 nm),和兩種CO2激光器(波長(zhǎng)分別為9.4μm和10.6μm)。紫外激光器(Nd:YAG,波長(zhǎng)為355nm)是一種罕見(jiàn)的在三種材料中吸收率一致的激光器。 

紫外激光器應(yīng)用于樹(shù)脂和銅時(shí)顯示了極高的吸收率,在加工玻璃時(shí)也有著適當(dāng)?shù)奈章省Ｖ挥袃r(jià)格昂貴的準(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)248nm)在加工這些主要材料時(shí)才會(huì)得到更好的全面吸收率。這一材料的差異性使得紫外激光器成為了很多工業(yè)領(lǐng)域中各種PCB材料應(yīng)用的最佳選擇,從生產(chǎn)最基本的電路板,電路布線,到生產(chǎn)袖珍型嵌入式芯片等高級(jí)工藝都通用。 

紫外激光系統(tǒng)直接從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)到加工電路板,意味著在電路板生產(chǎn)過(guò)程中不需要任何中間人。再加上紫外線的精確聚焦能力,使得紫外激光系統(tǒng)可以實(shí)施極具特性的方案,并重復(fù)定位。 

應(yīng)用1:表面蝕刻/電路生產(chǎn) 

紫外激光器在生產(chǎn)電路時(shí)工作迅速,數(shù)分鐘就能將表面圖樣蝕刻在電路板上。這使得紫外激光器成為生產(chǎn)PCB樣品的最快方法。研發(fā)部門(mén)注意到,越來(lái)越多的樣品實(shí)驗(yàn)室正在配備內(nèi)部紫外激光系統(tǒng)。 

依賴于光學(xué)儀器檢定,紫外激光光束的大小可以達(dá)到10-20μm, 從而生產(chǎn)柔性電路跡線。圖2中的應(yīng)用表明紫外線在生產(chǎn)電路跡線方面的最大優(yōu)勢(shì),電路跡線極其微小,需要在顯微鏡下才能看見(jiàn)。這一電路板尺寸為0.75英寸x0.5 英寸,由一塊燒結(jié)陶瓷基片和鎢/鎳/銅/表面組成。激光器能夠產(chǎn)生2mils的電路跡線,間距為1 mil,從而使得整個(gè)間距僅為3 mils。 

雖然使用激光光束生產(chǎn)電路是PCB 樣品最快的方法,但大規(guī)模進(jìn)行表面蝕刻應(yīng)用最好留給化學(xué)工藝。 

應(yīng)用2:PCB的拆卸 

紫外激光器切割對(duì)于大型或小型生產(chǎn)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)最佳的選擇,同時(shí)對(duì)于PCB的拆卸,尤其是需要應(yīng)用于柔性或剛?cè)峤Y(jié)合的電路板上時(shí)也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。拆卸就是將單個(gè)電路板從嵌板上移除,考慮到材料柔性的不斷增加,這種拆卸就會(huì)面臨很大的挑戰(zhàn)。V槽切割和自動(dòng)電路板切割等機(jī)械拆卸方法容易損傷靈敏而纖薄的基板,給電子專業(yè)制造服務(wù)(EMS)企業(yè)在拆卸柔性和剛?cè)峤Y(jié)合的電路板時(shí)帶來(lái)麻煩。紫外激光器切割不僅可以消除在沖緣加工、變形和損傷電路元件等拆卸過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力的影響,同時(shí)比應(yīng)用如CO2激光器切割等其它激光器拆卸時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力影響要少一些。 

圖3展示了使用CO2激光器(圖左) 和紫外激光器(圖右)對(duì)同樣的柔性基質(zhì)(聚酰亞胺)進(jìn)行切割。使用高溫的CO2激光器比使用紫外激光器的炭化和沖緣加工效應(yīng)大很多,如前所述,紫外激光器在冷消融工藝上占有優(yōu)勢(shì)。 

“切割緩沖墊”的減少能夠節(jié)省空間,這意味著元件能夠放置在更靠近線路邊緣的位置,每一塊電路板上可以安裝更多線路,將效率提升到最高,從而達(dá)到柔性線路應(yīng)用的最大極限。 

應(yīng)用3:鉆孔 

另外一種利用紫外激光器小型光束尺寸和低應(yīng)力屬性的應(yīng)用是鉆孔,包括貫穿孔、微孔和盲埋孔。紫外激光器系統(tǒng)通過(guò)聚焦垂直波束徑直切割穿透基板來(lái)鉆孔。依據(jù)所使用的材料,可以鉆出小至10μm的孔。 

紫外激光器在進(jìn)行多層鉆孔時(shí)尤為有用。多層PCB使用復(fù)合材料經(jīng)熱壓鑄入在一起。這些所謂的“半固化”會(huì)發(fā)生分離,特別是在使用溫度更高的激光器加工后。但是,紫外激光器相對(duì)來(lái)說(shuō)無(wú)應(yīng)力的屬性就解決了這一問(wèn)題,如圖4所示。在圖示橫切面,一塊14 mil的多層板上鉆直徑為4mil的孔。這一在柔性聚酰亞胺鍍銅基板上的應(yīng)用,顯示了各層之間沒(méi)有出現(xiàn)分離。關(guān)于紫外激光器低應(yīng)力屬性,還有重要一點(diǎn):提高了成品率數(shù)據(jù)。成品率是從一塊嵌板上移除的可用電路板的百分率。 

在制造過(guò)程中,很多情況都會(huì)造成電路板的損壞,包括斷裂的焊點(diǎn)、破裂的元件或分層。任一種因素都會(huì)導(dǎo)致電路板在生產(chǎn)線上被丟進(jìn)廢物箱而非進(jìn)入運(yùn)輸箱。 

應(yīng)用4:深度雕刻 

另外一種展示紫外激光器通用性的應(yīng)用是深度雕刻,這包含多種形式。利用激光器系統(tǒng)的軟件控制,激光光束設(shè)定進(jìn)行受控消融,即能夠按照所需深度在某一材料上進(jìn)行切割,在轉(zhuǎn)向另外一種深度和開(kāi)始另外一個(gè)任務(wù)之前可以停止、繼續(xù)和完成所需的加工。各種深度應(yīng)用包括:嵌入芯片時(shí)用到的小型生產(chǎn)以及將有機(jī)材料從金屬表面移除的表面研磨。 

紫外激光器還可以在基板上進(jìn)行多步驟操作。在聚乙烯材料上,第一步是用激光產(chǎn)生一個(gè)深度為2 mils的凹槽,第二步是在上一步的基礎(chǔ)上產(chǎn)生8 mils的凹槽,第三步是10mils的凹槽。這說(shuō)明紫外激光系統(tǒng)所提供的整體用戶控制功能。 

結(jié)論:一種萬(wàn)能的方法 

紫外激光器最為引人矚目的是能夠用單一的步驟來(lái)完成上述所有應(yīng)用。這對(duì)于制造電路板意味著什么?人們不再需要在不同的設(shè)備上使用同時(shí)產(chǎn)生影響的工藝和方法來(lái)完成某一應(yīng)用,而只需一次加工就可以獲得完整的零件。 

這一流線型的生產(chǎn)方案有助于消除電路板在不同流程間轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)量控制問(wèn)題。紫外線無(wú)碎屑消融特性也意味著不需要進(jìn)行后加工清洗。