Laser on voimakas valonsäde, joka innostuu, kun "säde" stimuloituu ulkoisella ärsykkeellä, joka lisää sen energiaa. Infrapuna- ja näkyvällä valolla on lämpöenergiaa, kun taas ultraviolettivalolla on optista energiaa. Kun tämäntyyppinen valo osuu työkappaleen pintaan, tapahtuu kolme ilmiötä: heijastus, absorptio ja tunkeutuminen.
Laserporauksen päätehtävänä on pystyä nopeasti poistamaan käsiteltävä substraattimateriaali pääasiassa fototermisellä ablaatiolla ja fotokemiallisella ablaatiolla eli ns. excisiolla.
- Fototerminen ablaatio: Reikien muodostumisen periaate, jossa käsiteltävä materiaali absorboi korkean energian laservaloa, lämpenee sulamiseen hyvin lyhyessä ajassa ja haihtuu. Tämä prosessimenetelmä substraattimateriaalissa altistetaan suurelle energialle, mustuneen hiiltyneen jäännöksen seinämän muodostamassa reiässä reikä on puhdistettava ennen.
- Fotokemiallinen ablaatio: viittaa ultraviolettialueella on korkea fotonienergia (yli 2 eV elektroni voltti), laser aallonpituus yli 400 nanometriä korkean energian fotonit rooli tuloksissa. Tämä korkean energian fotonit voivat tuhota orgaanisten materiaalien pitkän molekyyliketjun, muuttua pienemmiksi hiukkasiksi, ja sen energia on suurempi kuin alkuperäiset molekyylit, äärimmäinen voima, josta paeta, jos kyseessä on ulkoinen puristusimu, niin että substraattimateriaali poistuu nopeasti ja muodostuu mikrohuokoisia. Tämäntyyppinen prosessi ei sisällä lämpöpolttoa eikä tuota hiiltymistä. Siksi se on erittäin helppo puhdistaa ennen annostelua. Nämä ovat laserreikien muodostuksen perusperiaatteet. Tällä hetkellä yleisimmin käytettyjä kahta laserporauksen tyyppiä: piirilevyporaukset lasereilla ovat pääasiassa RF-viritettyjä CO2-kaasulasereita ja UV-solidstate-Nd:YAG-lasereita.
- Substraatin absorbanssi: laserin onnistumisaste on suorassa suhteessa substraattimateriaalin absorbanssiin. Piirilevyt on valmistettu kuparifolion ja lasikankaan ja hartsin yhdistelmästä, näiden kolmen materiaalin absorbanssi on myös erilainen eri aallonpituuksien vuoksi, mutta kuparifolio ja lasikangas ultraviolettialueella 0.3mμ alapuolella absorptionopeus on suurempi, mutta näkyvään valoon ja IR:ään huomattavan laskun jälkeen. Orgaaniset hartsimateriaalit puolestaan voivat ylläpitää melko korkeaa absorptionopeutta kaikilla kolmella spektrikaistalla. Tämä on hartsimateriaalien ominaisuus, ja se on laserporausprosessin suosion perusta.
Millaisia laserporauksia on saatavilla piirilevytehtaissa?
Laser on voimakas valonsäde, joka innostuu, kun "säteitä" stimuloi ulkoinen ärsyke, joka lisää sen energiaa, infrapuna- ja näkyvällä valolla on lämpöenergiaa ja ultraviolettivalolla optista energiaa. Kun tämäntyyppinen valo osuu työkappaleen pintaan, tapahtuu kolme ilmiötä: heijastus, absorptio ja tunkeutuminen. Laserporauksen päätehtävänä on pystyä nopeasti poistamaan käsiteltävä substraattimateriaali, mikä tapahtuu pääasiassa fototermisellä ablaatiolla ja fotokemiallisella ablaatiolla eli ns. excisiolla.
Kaupallisessa piirilevytuotannossa käytetään kahta laserporausta: CO2-lasereita, joiden aallonpituudet ovat kauko-infrapunakaistalla, ja UV-lasereita, joiden aallonpituudet ovat ultraviolettikaistalla. CO2-lasereita käytetään laajalti painettujen piirilevyjen teollisuuden mikropäästöreikien valmistuksessa. , joiden halkaisijan on oltava yli 100 μm (Raman, 2001). Näiden suurten aukkojen valmistuksessa CO2-laserit ovat erittäin tuottavia, koska suurien aukkojen valmistukseen CO2-lasereilla tarvitaan erittäin lyhyt lävistysaika. UV-laserteknologiaa käytetään laajalti halkaisijaltaan alle 100 μm:n mikroläpivientien valmistuksessa ja jopa alle 50 μm mikrovalmisteisia kytkentäkaavioita käytettäessä. UV-lasertekniikka on erittäin tuottavaa halkaisijaltaan alle 80 μm:n reikien valmistuksessa. Siksi monet piirilevyjen valmistajat ovat alkaneet ottaa käyttöön kaksipäisiä laserporausjärjestelmiä vastatakseen kasvavaan mikrovian tuottavuuden kysyntään.
Seuraavat ovat kolme päätyyppiä kaksipäisiä laserporausjärjestelmiä, jotka ovat saatavilla markkinoilla tänään:
- Kaksipäiset UV-laserporausjärjestelmät
- Kahden pään CO2-laserporausjärjestelmät; ja
- Puikkolaserporausjärjestelmät (CO2 ja UV)
Kaikilla tämän tyyppisillä porausjärjestelmillä on omat etunsa ja haittansa. Laserporausjärjestelmät voidaan yksinkertaisesti jakaa kahteen tyyppiin, kaksiporaisiin yhden aallonpituuden järjestelmiin ja kaksoisporaisiin kaksoisaallonpituusjärjestelmiin.
Tyypistä riippumatta on olemassa kaksi pääkomponenttia, jotka vaikuttavat reikien poraamiseen:
- Laserenergia/pulssienergia
- Säteen paikannusjärjestelmä
Laserpulssin energia ja säteen toimituksen tehokkuus määräävät porausajan, porausaika on aika, joka laserporalla kestää mikropäästöreiän poraamiseen, ja säteen paikannusjärjestelmä määrittää nopeuden, jolla se voi liikkua kahden poran välillä. reikiä. Yhdessä nämä tekijät määrittävät nopeuden, jolla laserporakone pystyy tuottamaan tiettyä vaatimusta varten tarvittavat mikroläpiviennit. Kaksipäiset UV-laserjärjestelmät sopivat parhaiten alle 90 μm:n reikien poraamiseen integroiduissa piireissä, joissa on korkea kuvasuhde.
Kaksipäinen CO2-laserjärjestelmä käyttää Q-moduloitua RF-viritettyä CO2-laseria. Tämän järjestelmän tärkeimmät edut ovat hyvä toistettavuus (jopa 100 kHz), lyhyet porausajat ja leveä käyttöpinta, joka mahdollistaa sokean reiän poraamisen vain muutamalla läpikäynnillä, mutta porattujen reikien laatu voidaan parantaa. matala.
Yleisin kaksipäinen laserporausjärjestelmä on hybridilaserporausjärjestelmä, joka koostuu UV-laserpäästä ja CO2-laserpäästä. Tämä yhdistetty hybridilaserporausmenetelmä mahdollistaa kuparin ja eristeiden samanaikaisen porauksen. Kupari porataan UV-laserilla halutun reiän kokoa ja muotoa varten, ja CO2-laserilla porataan peittämätön eriste välittömästi sen jälkeen. Porausprosessi suoritetaan poraamalla 2in X 2in lohko, jota kutsutaan pelloksi.
CO2-laser poistaa tehokkaasti eristeet, jopa epätasaiset lasivahvisteiset eristeet. Yksittäinen CO2-laser ei kuitenkaan pysty tekemään pieniä reikiä (alle 75 μm) ja poistamaan kuparia sillä harvoilla poikkeuksilla, että se voi poistaa esikäsitellyt ohuet alle 5 μm:n kuparikalvot (lustino, 2002). UV-laser pystyy tekemään hyvin pieniä reikiä ja poistamaan kaikki yleiset kuparikadut (3 - 36 μm, 1 unssi, jopa pinnoitetut kuparikalvot). UV-laser voi myös poistaa dielektrisiä materiaaleja yksinään, mutta hitaammin. Lisäksi epätasaisten materiaalien, esim. lujitelasi FR-4, tulokset ovat yleensä huonoja. Tämä johtuu siitä, että lasi voidaan poistaa vain, jos energiatiheys nostetaan tietylle tasolle, mikä myös tuhoaa sisätyynyt. Koska sauvalaserjärjestelmä koostuu UV-laseista ja CO 2 -laserista, se on optimaalinen molemmilla alueilla, UV-laserin avulla voidaan tehdä kaikki kuparikalvot ja pienet reiät, ja CO 2 -lasereilla dielektriset elementit porataan nopeasti. Kuvassa on havainnollistettu kaksipäisen laserporausjärjestelmän rakennetta ohjelmoitavalla porausvälillä. Poran välistä etäisyyttä voidaan säätää itsestään komponenttien sijoittelun mukaan, mikä varmistaa maksimaalisen laserporauksen.
Nykyään kahden poran välinen etäisyys on kiinteä useimmissa kaksipäisissä laserporausjärjestelmissä, joissa on askel- ja toistosäteen paikannustekniikka. Itse askel- ja toistolaserkaukosäätimen etuna on alueen laaja säätöalue (jopa (50 X 50) μm). Haittapuolena on, että lasertelemuunnin on asettava kiinteän kentän yli ja kahden porauksen välinen etäisyys on kiinteä. Tyypillisen kaksipäisen laserkaukosäätimen kahden poran välinen etäisyys on kiinteä (noin 150 μm). Eri paneelikokoille kiinteän etäisyyden poraa ei voida konfiguroida optimaalisesti suorittamaan toimintoa samoin kuin ohjelmoitavia väliporeja.
Nykypäivän kaksipäisiä laserporausjärjestelmiä on saatavana laajassa valikoimassa kokoja ja suorituskykyjä sekä pienimuotoisille piirilevyvalmistajille että suurivolyymiisille piirilevyvalmistajille.
Keraamista alumiinioksidia käytetään painettujen piirilevyjen valmistuksessa sen suuren dielektrisyysvakion vuoksi. Kuitenkin haurauden vuoksi johdotuksen ja asennuksen vaatima porausprosessi on standardityökaluilla vaikeaa, koska mekaaninen rasitus tulee minimoida, mikä on hyvä asia laserporauksessa.Rangel et al. (1997) osoittivat, että alumiinioksidisubstraateille, samoin kuin kullalla ja ankkureilla päällystetyille alumiinioksidisubstraateille, on mahdollista porata viritetyllä QNd:YAG-laserilla. Lyhyen pulssin, matalan energian ja suuritehoisen laserin käyttö auttoi välttämään näytteen vaurioitumista mekaanisen rasituksen vuoksi ja tuotti korkealaatuisia läpimeneviä reikiä, joiden halkaisija oli alle 100 μm. Tätä tekniikkaa käytetään menestyksekkäästi matalakohinaisissa mikroaaltovahvistimissa taajuusalueella 8 - 18 GHz.
Nd:YAG-lasertekniikkaa on käytetty sekä sokea- että läpimenevien reikien käsittelyyn monenlaisissa materiaaleissa. Näihin kuuluu pilottireikien poraus polyimidi-kuparipäällysteisiin laminaatteihin, joiden halkaisija on vähintään 25 mikronia. Tuotantokustannuksia analysoimalla edullisin käytetty halkaisija on 25-125 mikronia. Porausnopeus on 10,000 reikää/min. Suora laserlävistysprosessi voidaan käyttää, reiän halkaisija jopa 50 mikronia. Muotoiltujen reikien sisäpinta on puhdas ja hiiltymätön ja helposti pinnoitettavissa. Sama voi olla myös PTFE-kuparilla päällystettyyn laminaattiin porattaessa reikiä, pienin reiän halkaisija 25 mikronia, edullisin halkaisija käytetty 25-125 mikronia. Porausnopeus on 4500 reikää/min. Ikkunoiden esisyövytystä ei tarvita. Tuloksena olevat reiät ovat puhtaita eivätkä vaadi erityisiä käsittelyvaatimuksia.
