Електронні компоненти і системи 
Використання лазерної мікрообробки в електроніці динамічно зростає завдяки новим інноваційним виробничим технологіям – одним із прикладів є використання лазерів у виробництві друкованих плат
Для жорстких і гнучких схем галузь передбачає введення критичних розмірів, яких буде дуже важко досягти за прийнятну вартість за допомогою технологій, які зараз використовуються . Промисловість постійно шукає інноваційні лазерні джерела, що використовуються в пристроях для виробництва передової електроніки, які будуть компактними, легкими та привабливими за ціною.
Основною рушійною силою використання лазерної технології є безперервний прогрес у мініатюризації — лазери пропонують високоточну, точну та безконтактну альтернативу звичайним процесам обробки . В даний час лазери використовуються в різних процесах виробництва друкованих плат, включаючи свердління мікроотворів, видалення панелей, профілювання (різання), процеси експонування паяльної маски – LDI (Laser Direct Imaging), ремонт, обрізку, маркування та механічну обробку .
Вибір типу лазера для обробки друкованих плат залежить, насамперед, від властивостей і товщини оброблюваного матеріалу, необхідної тривалості імпульсу, довжини хвилі, потужності, діаметра променю та ефективності процесу, що вплине на вартість реалізованої технології. Крім параметра товщини, деякі матеріали через свою структуру важко піддаються обробці з різних причин, до яких, безумовно, відносяться: занадто низька швидкість технологічного процесу або недостатня якість різання, що впливає на можливість подальшого використання лазерних технологій обробки .
Через структуру підкладок друкованих плат необхідно використовувати лазер, який дозволяє точно обробляти такі матеріали, як: скломат, просочений епоксидною смолою, полііміди або мідну фольгу товщиною від кількох десятків мікрометрів .
До недавнього часу найбільш часто використовуваним інструментом при обробці друкованих плат, що гарантує високу точність і якість процесу, був УФ-лазер з довжиною хвилі від 193 нм до 355 нм . Випромінювання з меншою довжиною хвилі, яке зазвичай супроводжується меншою шириною імпульсу та гіршою якістю пучка (M2), однак має очевидні переваги завдяки високофокусованій робочій точці та мінімізації зон теплового впливу . Завдяки винаходу УФ-ексимерних лазерів у середині 1970-х років, а в останні роки – напівпровідникових лазерів із помноженою частотою, з’явилися нові можливості для обробки матеріалів. Зокрема, здатність видаляти органічні матеріали, метали та скло на певну, добре контрольовану глибину з мен шим термічним впливом зробила УФ-лазери популярними в електронній промисловості для мікромеханічної обробки загального призначення та для спеціальних потреб, таких як мікросвердління . Основним обмеженням сучасних лазерів УФ-діапазону є мала глибина фокусування, що впливає на глибину обробки. Завдяки ефективності технологічних процесів вона зазвичай не перевищує 400-800 мкм. Досягнення більших глибин вимагає зміни фокусу променю, що значно знижує ефективність процесу. З цієї причини УФ-лазери зазвичай використовуються для різання гнучких плат з полііміду, тонких ламінатів типу FR4 і для свердління мікроотворів. Високоенергетичне УФ-лазерне випромінювання також висуває високі вимоги до внутрішніх компонентів і оптики лазера. З цієї причини використання джерела ультрафіолетового випромінювання не завжди є економічно вигідним для ламінатів товщиною понад 800 мкм, оскільки це вимагає дорогого графіку 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.
В даний час на ринку представлені лазери, оснащені імпульсними лазерними джерелами DPSSL (Diode-Pumped Solid-State Lasers), що працюють в зеленому діапазоні хвилі – 532 нм. Нове покоління пристроїв базується на кристалі Nd:YVO4 (легований неодимом ітрій-ортій-ванданій) з подвоєним перетворенням частоти другої гармоніки (SHG – second-harmonic generation – генерація другої гармоніки) і замінює звичайні лазери Nd:YAG (легований неодимом ітрій-алюмінієвий гранат). Однією з найбільш привабливих особливостей кристала Nd:YVO4, порівняно з Nd:YAG, є в 5 разів більший коефіцієнт поглинання для довжини хвилі накачування 808 нм, що зараз є стандартом для потужних лазерних діодів. Це дозволяє мініатюризувати кристали Nd:YVO4 і, таким чином, створювати більш компактні лазерні системи. Для заданої передбачуваної вихідної потужності це також означає нижчий рівень енергії накачування, при якому збуджується лазерна дія, таким чином подовжуючи термін служби лазерного діода. Також цінною є широка смуга поглинання кристала Nd:YVO4, яка в 2.4-6.3 рази більша, ніж у Nd:YAG. На додаток до більш ефективної накачки, кристал Nd:YVO4 дозволяє вибирати з ширшого діапазону характеристик діода . Це створює нові можливості для виробників лазерних систем для вибору діода, який відповідає специфікаціям цільової системи. Більш широка смуга накачування також дозволяє використовувати діоди з меншими допусками, що призводить до зниження вартості . Іншою важливою особливістю лазерів Nd:YVO4 є постійне, сильне випромінювання однієї лінії, і оскільки кристал є одновісним, він створює лише поляризований промінь, таким чином уникаючи небажаних ефектів подвійного променезаломлення на перетворення частоти. Незважаючи на те, що час життя кристала Nd:YVO4 приблизно в 2.7 рази коротший, ніж у Nd:YAG, завдяки вищій квантовій ефективності накачки ефективність нахилу лазерного діода може підтримуватися на високому рівні . Пристрої на основі кристала Nd:YVO4 генерують промінь з довжиною хвилі 532 нм і гарантують таку ж якість різання, що й УФ-джерела, з більшою швидкістю та ефективністю процесу.
Існують певні проблеми при обробці підкладок друкованих плат, які включають утворення зон теплового впливу, карбонізацію, повторне осадження видаленого матеріалу та забруднення. Інша складність виникає через те, що армовані волокном підкладки друкованих плат неоднорідні, оскільки скловолокно має суттєво інші теплофізичні властивості, ніж епоксидна смола. В результаті для скловолокна та епоксидної смоли отримують різні порогові густини енергії абляції (видалення) .
Було досліджено вплив різних параметрів лазера на якість різу з точки зору виникнення ефектів зон теплового впливу та карбонізації різаного матеріалу. Робота була спрямована на отримання найвищої якості різання підкладок друкованих плат на основі ламінату FR4 та полііміду без розшарування та пошкодження поверхні, з найменшою можливою карбонізацією та мінімальним впливом зон теплового впливу.
На сьогоднішній день дослідження обробки друкованих плат за допомогою лазерів DPSSL з довжиною хвилі 532 нм були зосереджені виключно на гнучких платах, тонких жорстких платах (товщиною 300 мкм) і тонких листах мідної фольги (товщиною 100 мкм). Для матеріалу, що складається з полііміду, покритого з обох боків мідною фольгою, та гнучким верхнім шаром, метою було досягти ширини різу менше 40 мкм. Найкращі результати різання з точки зору збереження швидкості та якості, без нагрівання (прогорання) поверхні, були досягнуті при 80 Вт, 25 кГц (100 мм/с), 10 різів на лінію та 60 Вт, 40 кГц (400 мм/с), 10 розрізів на лінію відповідно . У роботі іншої групи лазер використовувався для демонстрації його ефективності в різних процесах виробництва друкованих плат, таких як свердління, різання/профілювання та видалення панелей. Виявилося, що для досягнення якісного різу з низьким рівнем карбонізації та мінімальною зоною теплового впливу оптимально використовувати частоту повторення імпульсів 150 кГц з енергією імпульсу 64 мкДж, що відповідає середній потужності лазера 10 Вт. Для підвищення ефективності процесу різання було проведено багаторазове сканування лінії розрізу. Була досягнута середня швидкість різання 50 мм/с. Інформації про точну кількість сканувань немає. Отримані результати підтвердили, що високоефективні лазери з довжиною хвилі 532 нм придатні для обробки матеріалів тонких гнучких друкованих плат (до 180 мкм), що складаються з міді та полііміду, а також тонких (до 300 мкм) жорстких друкованих плат із смоли .
Розрізання гнучкої друкованої плати товщиною 50 мкм було досліджено емпірично за допомогою лазера з довжиною хвилі 532 нм в іншій роботі . Порівнювалися різні довжини хвилі, включаючи 532 нм і основну довжину хвилі 1064 нм. Лазер 532 нм мав доступний діапазон повторення імпульсів від 10 до 20 кГц з тривалістю імпульсу 50-70 нс і середньою потужністю понад 25 Вт. Швидкість різання >120 мм/с була зареєстрована без ознак розшарування, без вимірного ефекту переплавлення або зон теплового впливу і без утворення видимих відходів на поверхні або на основному матеріалі.
Досі роботи не були зосереджені на оцінці корисності досліджуваних лазерів при обробці традиційних матеріалів підкладки з більшою товщиною. Робота буда зосереджена на промисловому середовищі, де інструменти повинні бути більш гнучкими, хоча необхідно індивідуально підбирати та оптимізувати вікна процесу, щоб зменшити експлуатаційні витрати пристрою. Дослідження стосувалися різання ламінатів FR4 з широким діапазоном товщин, що в даному випадку виявилося таким же складним завданням, як і розробка технологічного рішення для різання тонких гнучких ламінатів.
Джерела:
Meier, D.J., Schmidt, S.H., PCB Laser Technology for Rigid and Flex HDI: Via Formation, Structuring, Routing. in Proceedings of IPC Printed Circuits Expo, 22-26 (2002).
Hsu H.C. et Al, Cutting PCB with a 532nm DPSS green laser. in 9th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT) (2014).
Hüske M., Burr and Stress-Free Cutting of Flexible Printed Circuits, OnBoard Technology 6, 18-21 (2006)
Tamhankar A. and Patel R., Investigating PCB Processing Using Q-Switched DPSS Nanosecond Green Laser. in 31st International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics (ICALEO 2012) (2012). https://doi.org/10.2351/1.5062386
Lawrence J., Advances in Laser Materials Processing. (Elsevier Ltd., 2018). https://doi.org/10.1016/C2015-0-05718-5
Hahn Ch. et Al., Green Beats UV: New Solutions for Depaneling & Pcb Cutting, The Laser User 82, 22-23 (2016)
Oosterhof A. and Gonzalez J., Investigation of Cutting Quality and Mitigation Methods for Laser Depaneling of Printed Circuit Boards, (2019)
Patel R., Bovatsek J. and Tamhankar A., Pulse Control in High-Power UV Laser Enables New Micromachining Options, Laser Focus World 49, 49-53 (2013)
Illyefalvi-Vitéz Z., Ruszinkó M. & Pinkola J., Laser Drilling and Pattern Processing for MCM-L Prototyping, The International Journal Of Microcircuits And Electronic Packaging 21, 349-354 (1998).
Bluebean Optical Tech Ltd.: Nd:YVO4 Crystal Properties and Applications, Avalible at: http://www.bbotech.com/product.php?cid=93. (Accessed: 04th June 2020).
ITI Electro-Optics Corp.: High Purity Nd: YVO4 Laser Crystals. Available at: https://www.photonicsonline.com/doc/high-purity-ndyvo4-laser-crystals-0001. (Accessed: 04th June 2020).
Precision Micro-Optics Inc. Neodymium Doped Yttrium Orthvanadate (Nd:YVO4) (2016). http://www.pmoptics.com/neodymium_doped_yvo4.html. (Accessed: 04th June 2020).
Wang X.C. and Zheng H.Y. High quality laser cutting of electronic printed circuit board substrates, Circuit World 35, 46-55 (2009). https://doi.org/10.1108/03056120911002415
Henry M., Harrison P., Wendland J. and Parsons- Karavassilis D., Cutting flexible printed circuit board with a 532 nm Q-switched diode pumped solid state laser. in Proceedings of ICALEO, (2005)
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
