Типи лазерів для депанелювання

У статті порівнюються старі покоління лазерів, що використовуються для депанелізації друкованих плат, з останніми розробками на основі зеленого лазера.

До недавнього часу найпоширенішим інструментом для формування мікроотворів і лазерного депанелювання друкованих плат, що гарантував високу точність і якість процесу, був УФ-лазер з довжинами хвиль від 193 нм до 355 нм (табл. 1). Оскільки випромінювання з меншою довжиною хвилі, яке зазвичай супроводжується меншою тривалістю імпульсу, пропонує явні переваги, винахід УФ-ексимерних лазерів у середині 1970-х років, а в останні роки напівпровідникових лазерів із помноженою частотою, відкрили нові можливості для обробки матеріалів. Зокрема, здатність видаляти органічні матеріали, метали та скло з відомої глибини з меншим термічним пошкодженням зробила УФ-лазери дуже привабливими в електронній промисловості для мікромеханічної обробки загального призначення та для спеціальних потреб мікросвердління.

Таблиця 1. Порівняння параметрів УФ-лазерів, що використовуються при мікрообробці

УФ лазери

Серед типів УФ-лазерів, перелічених у таблиці 1, найбільш широко використовується в електронній промисловості напівпровідниковий лазер Nd:YAG. Його базова довжина хвилі в ближньому інфрачервоному діапазоні (1064 нм) дозволяє обробляти матеріали лише шляхом їх плавлення або спалювання, що робить його непридатним для більшості застосувань мікрообробки. Однак цю частоту можна розділити на три або чотири, додавши нелінійні кристали до стандартних конфігурацій резонатора, зрушивши частоту до ультрафіолетового спектру на 355 або 266 нм, відповідно, які набагато більше підходять для цих застосувань.

Довжина хвилі лазерного променя в УФ-діапазоні в поєднанні з відповідно підібраною енергією та тривалістю лазерного імпульсу дозволяють отримати умови холодної абляції, що обмежує процес карбонізації, спричинений підвищенням температури через кінцеву теплопровідність обробленого матеріалу. Основним обмеженням застосування сучасних лазерів в УФ-діапазоні є дуже обмежена глибина обробки, яка внаслідок сильного поглинання та ефективності технологічних процесів зазвичай не перевищує 200 мкм. Низька оптична глибина проникнення (277 нм для випромінювання з довжиною хвилі 355 нм) зменшує об’єм матеріалу, в якому поглинається енергія. Глибина теплового проникнення довжини хвилі також невелика (178 нм) завдяки використаним коротким лазерним імпульсам. На мал.1 зображено залежність поглинання полііміду від довжини хвилі електромагнітного випромінювання. Найкраще поглинання досягається для УФ-джерела, для зеленого лазера 532 нм і CO2 1064 нм.

Малюнок 1. Крива поглинання поліаміду.

Навіть використання високосфокусованого лазерного променя та відносно великої тривалості імпульсу, характерні для більшості УФ-джерел, що використовуються в мікрообробці, змушують отримати високі значення енергії в імпульсній роботі для різання більш товстих підкладок. З цієї причини УФ-лазери зазвичай використовуються для вирізання гнучких схем з полііміду, товщина якого зазвичай не перевищує 100 мкм, а також для свердління і глухих мікроотворів. Високоенергетичне УФ-лазерне випромінювання висуває високі вимоги до внутрішніх компонентів лазера та його оптики. З цієї причини використання джерела УФ-випромінювання не завжди є економічно вигідним для ламінатів товщиною понад 200 мкм і вимагає дорогого обслуговування та частої заміни джерела лазера. Середній термін служби такого джерела оцінюється в 10 000 годин роботи, а вартість заміни зазвичай перевищує 10 000 доларів США.

Зелений лазер DPSSL

В даний час на ринку є інші пристрої для депанелювання, оснащені імпульсними лазерними джерелами DPSSL (Diode-Pumped Solid-State Lasers, твердотільні лазери з діодною накачкою), що працюють в зеленому діапазоні. Нове покоління лазерів на основі кристала Nd:YVO4 (ітрій-ортій-ванданій, легований неодимом) з подвоєним перетворенням частоти SHG (Second-Harmonic Generation) замінив до недавнього часу популярні Nd:YAG (ітрій-алюмінієвий гранат, легований неодимом) лазери. Однією з найбільш привабливих особливостей Nd:YVO4 порівняно з Nd:YAG є в 5 разів більший коефіцієнт поглинання для довжини хвилі накачування 808 нм, що зараз є стандартом для високопотужних лазерних діодів. Це дозволяє використовувати менші кристали Nd:YVO4 і, таким чином, створювати більш компактні лазерні системи.

Для заданої вихідної потужності це також означає нижчий рівень енергії накачування, на якій працює лазерний діод, таким чином подовжуючи термін служби дорогого лазерного діода. Також цінною є широка смуга поглинання Nd:YVO4, яка в 2,4-6,3 рази більша за Nd:YAG. На додаток до більш ефективного накачування кристал Nd:YVO4 забезпечує ширший діапазон вибору специфікацій діодів. Це дає виробникам лазерних систем більш широкий вибір діодів при проектуванні лазерних систем відповідно до їхніх потреб. Вища потужність насоса також дозволяє використовувати діоди з більш жорсткими допусками, що призводить до меншої вартості.

Іншою важливою особливістю лазерів Nd:YVO4 є те, що вони підтримують потужне випромінювання однієї лінії, і оскільки кристал ванадату є одновісним, він створює лише поляризовану потужність лазера, таким чином уникаючи небажаних ефектів подвійного променезаломлення та перетворення частоти. Незважаючи на те, що термін служби Nd:YVO4 приблизно в 2,7 рази коротший, ніж у Nd:YAG, завдяки вищій квантовій ефективності накачки ефективність нахилу лазерного діода може підтримуватися постійно високою. Пристрій на основі кристала Nd:YVO4 генерує промінь з довжиною хвилі 532 нм і гарантує таку ж якість різання, як і УФ-джерела, з більшою швидкістю та ефективністю процесу.

Мікрофотографії (мал. 2-4) показують результати різання напівгнучких і жорстких тестових плат у лабораторії ASYS з використанням зеленого лазера потужністю 30 Вт і УФ-лазера потужністю 14 Вт. Для визначення найкращої якості та швидкості різання було протестовано різні параметри обох джерел. Зрештою, була отримана порівнянна якість різання, але тільки у випадку різання матеріалів товщиною 0,2 мм і 0,4 мм. Процес різання зеленим лазером виявився набагато швидшим. Виміряна середня швидкість різання для плат Semi-Flex становила ~80 мм/с у порівнянні з ~30 мм/с для УФ-лазера. Незважаючи на використання більшої кількості проходів УФ-променя та фокусну адаптацію, різання матеріалів товщиною понад 0,4 мм виявилося практично неможливим.

Малюнок 2. Мікроскопічні фотографії тестових SEMI-FLEX плат (товщина різання ~0,2 мм); ліворуч: зелений лазер, праворуч: УФ-лазер

Малюнок 3. Мікроскопічні фотографії тестових RIGID плат після V-подібного різання (товщина різу ~0,4 мм), ліворуч: зелений лазер, праворуч: УФ-лазер

Малюнок 4. Мікроскопічні фотографії тестових RIGID плат (товщина різання ~1,6 мм) після різання зеленим лазером, ліворуч: вигляд після розрізання просвердлених містків, праворуч: повноцінний матеріал

До недавнього часу лазери, що працювали в зеленому діапазоні, не забезпечували достатньої пікової потужності імпульсу для розрізання скляних волокон, як УФ-лазери. InnoLas Photonics була однією з перших, хто заповнив цю прогалину за допомогою системи лазерного різання BLIZZ 532–30-V. Система генерує середню потужність (Pa) 30 Вт з частотою імпульсу 40 кГц, тривалістю (Tp) <20 нс і енергією імпульсу (E) 750 мкДж, забезпечуючи рекордну пікову потужність (Pp) 37,5 кВт у цих програмах (мал. 5).

Малюнок 5. Ілюстрація пікової та середньої потужності імпульсу лазерного променя

Лазер містить активний Q-перемикач, який дозволяє накопичувати енергію в нелінійному кристалі без випромінювання протягом більшої частини періоду повторення імпульсу та швидко вивільняти накопичену енергію за дуже короткий імпульс. Досяжна частота повторення імпульсів: від одиночного імпульсу до 400 кГц. Технічні параметри, отримані в цій системі, дозволяють досягти значно більших співвідношень швидкості різання до загальної вартості процесу.

У найсучасніших рішеннях можна отримати пікові потужності 66 кВт з тривалістю імпульсу менше 15 нс, що дозволяє досягти швидкості різання 20 мм/с для плат FR4 товщиною менше 0,6 мм і Rigid-Flex товщиною 0,1-0,8 мм, 50 мм/с для плат FR4 товщиною менше 0,3 мм і до 100 мм/с для плат FLEX товщиною менше 0,2 мм.

Термін служби зеленого джерела втричі довший порівняно з УФ-джерелами і становить у середньому 30 000 годин роботи. Завдяки цьому вдається скоротити експлуатаційні витрати, включаючи технічне обслуговування та заміну дорогих лазерних джерел. Зараз вартість обслуговування та заміни джерела зеленого випромінювання становить приблизно 3000 доларів США, що зазвичай у 4 рази менше, ніж заміна джерела УФ-випромінювання.

Технологія зеленого лазерного різання особливо приваблива, оскільки вона дозволяє різати складні форми не тільки в гнучких схемах з полііміду, а й у жорстких ламінатах, використовуючи колімований лазерний промінь діаметром близько 20 мкм. Поліімід, який зазвичай використовується в конструкціях гнучких підкладок, є надзвичайно термічно та хімічно стійким. Поліімід не плавиться під час лазерного різання, а безпосередньо випаровується при взаємодії з лазерним променем. Завдяки відносно низькій температурі випаровування 750°C необхідна потужність лазера відносно низька для досягнення високих швидкостей різання.

Мала глибина оптичного проникнення зменшує об’єм матеріалу, в якому поглинається енергія. Глибина теплового проникнення також невелика за рахунок використання коротких лазерних імпульсів з правильно підібраною частотою повторення. Результатом є чітко визначена зона видалення матеріалу та чудова якість різу з мінімальною карбонізацією.

CO2-лазери

На додаток до лазерів, що працюють в зеленому та ультрафіолетовому діапазонах, CO2-лазери зазвичай використовуються для різання різних матеріалів. Основна відмінність CO2-лазерів від описаних вище лазерів, що працюють в зеленому та УФ-діапазонах, полягає в довжині хвилі лазерного випромінювання. CO2-лазери працюють у дальній інфрачервоній (FIR) області, тоді як випромінювання з довжиною хвилі 10,6 мкм сильно поглинається переважною більшістю діелектричних матеріалів.

Система лазерного різання на основі CO2-лазерів призводить до того, що поверхня матеріалу, яка оброблюється, сильно нагрівається і випаровується, що часто називають термообробкою. Ці лазери використовуються для різання всіх типів металів, багатьох органічних матеріалів і більшості пластиків. Однак певні пластмаси та спеціальні полімери, наприклад поліімід, неможливо точно обробити за допомогою інфрачервоного лазера. Термічна обробка викликає деформацію пластику, карбонізацію зрізаної кромки, що призводить до механічного ослаблення та створення додаткового провідного шляху. Для багатьох застосувань це неприйнятно, оскільки вуглецеві вироби можуть проводити та поглинати вологу, що може призвести до виходу з ладу всього пристрою. Крім того, сполуки вуглецю є сильно ароматичними, що є неприйнятним у програмах, де продукт знаходиться близько до обличчя користувача, наприклад, мобільних телефонах або гарнітурі Bluetooth. Карбонізація країв також помітна у випадку ламінату з епоксидного скла.

Поліпшення якості різу вимагає багатьох додаткових обробок, тому лазери, що працюють в інфрачервоному діапазоні, непридатні для обробки друкованих плат, як жорстких, так і гнучких. Крім того, енергія інфрачервоного лазерного променя не може добре поглинатися міддю навіть при високій щільності енергії, що ще більше обмежує використання CO2-лазера. Мідь характеризується високою теплопровідністю, а також у твердому стані сильно відбиває інфрачервоне випромінювання. Через це такі метали важко різати CO2-лазером. Коефіцієнт відбиття міді та інших металів зменшується тільки з підвищенням температури металу, і різко падає, коли матеріал досягає точки плавлення (наприклад, до <70% для розплавленої міді). Ці метали поглинають набагато більше лазерної енергії в розплавленому стані. Тому для ефективного різання потрібна значна кількість енергії, порядку 100 Вт і більше.

Висновки

Депанелювання – це процес, який широко використовуєжться у технології монтажу друкованих плат, особливо для середніх і великих виробничих партій. В останні роки техніка лазерної депанелізації знаходить все більше прихильників, порівняно з традиційною технікою фрезерування або механічного різання. Однак слід пам’ятати, що постійна взаємодія лазера з матеріалами друкованої плати, такими як смоли, скловолокно або полііміди, може призвести до небажаних процесів карбонізації. Ступінь карбонізації залежить насамперед від довжини хвилі та ширини імпульсу лазера, який використовується для мікрообробки.

Таблиця 2. Порівняння властивостей CO2-, УФ- та зеленого лазера

Використання ІЧ-, зеленого або УФ-лазерів залежить від вимог до якості змонтованої електроніки. ІЧ-(CO2) лазери мають вищу середню потужність і можуть працювати швидше (мал. 6). Однак така обробка призводить до термічного пошкодження і карбонізації країв. УФ-лазери мають відносно нижчу середню потужність і тому дозволяють зменшити швидкість і товщину різання. Однак вони забезпечують кращу якість різання, особливо у випадку поліімідних ламінатів, зі зниженою карбонізацією обробленої поверхні. Тому зелений лазер із довжиною хвилі 532 нм є хорошим компромісом з точки зору потужності та ефективності процесу депанелізації. Висока якість різання є привабливим варіантом для депанелювання гнучких і жорстких друкованих плат. Крім того, більша фокусна відстань і більша глибина різкості, які можна отримати, призводять до високої швидкості сканування і, отже, до швидшого процесу різання.

Малюнок 16. Порівняння продуктивності процесу механічного депанелювання та різних лазерних систем для плат FR4

За матеріалами сайту https://tek.info.pl