激光光束通常为机械印制电路板加工提供低压替代方法,如铣削或自动电路板切割。但是紫外激光器具有其它激光器所不具备的好处,即能够限制热应力。这是因为大多数紫外激光系统在低功率状态下运行。通过使用有时被称为“冷消融”的工艺,紫外激光器的光束会产生一个缩小的热影响区,可以将冲缘加工、碳化以及其它热应力的影响降至最低,而使用更高功率的激光器通常都会存在这些负面影响。
紫外激光器的波长比可见光波长更短,因此肉眼是不可见的。虽然你无法看到这些激光束,但就是这些短波让紫外激光器能够更精确地聚焦,从而在产生极其精细的电路特性的同时,还能保持优良的定位精度。
除了波长短,工件温度较低外,紫外线中存在的高能光子让紫外激光得以应用于大型PCB电路板组合,从FR4等标准材料到高频陶瓷复合材料以及包括聚酰亚胺在内的柔性PCB材料等各种材料都适用。
图1中的图表显示了三种常见的PCB材料在六种不同激光器作用下的吸收率。这六种激光器中包括准分子激光器(波长为248 nm),红外激光器(波长为1064 nm),和两种CO2激光器(波长分别为9.4μm和10.6μm)。紫外激光器(Nd:YAG,波长为355nm)是一种罕见的在三种材料中吸收率一致的激光器。
紫外激光器应用于树脂和铜时显示了极高的吸收率,在加工玻璃时也有着适当的吸收率。只有价格昂贵的准分子激光器(波长248nm)在加工这些主要材料时才会得到更好的全面吸收率。这一材料的差异性使得紫外激光器成为了很多工业领域中各种PCB材料应用的最佳选择,从生产最基本的电路板,电路布线,到生产袖珍型嵌入式芯片等高级工艺都通用。
紫外激光系统直接从计算机辅助设计数据到加工电路板,意味着在电路板生产过程中不需要任何中间人。再加上紫外线的精确聚焦能力,使得紫外激光系统可以实施极具特性的方案,并重复定位。
应用1:表面蚀刻/电路生产
紫外激光器在生产电路时工作迅速,数分钟就能将表面图样蚀刻在电路板上。这使得紫外激光器成为生产PCB样品的最快方法。研发部门注意到,越来越多的样品实验室正在配备内部紫外激光系统。
依赖于光学仪器检定,紫外激光光束的大小可以达到10-20μm, 从而生产柔性电路迹线。图2中的应用表明紫外线在生产电路迹线方面的最大优势,电路迹线极其微小,需要在显微镜下才能看见。这一电路板尺寸为0.75英寸x0.5 英寸,由一块烧结陶瓷基片和钨/镍/铜/表面组成。激光器能够产生2mils的电路迹线,间距为1 mil,从而使得整个间距仅为3 mils。
虽然使用激光光束生产电路是PCB 样品最快的方法,但大规模进行表面蚀刻应用最好留给化学工艺。
应用2:PCB的拆卸
紫外激光器切割对于大型或小型生产来说都是一个最佳的选择,同时对于PCB的拆卸,尤其是需要应用于柔性或刚柔结合的电路板上时也是一个不错的选择。拆卸就是将单个电路板从嵌板上移除,考虑到材料柔性的不断增加,这种拆卸就会面临很大的挑战。V槽切割和自动电路板切割等机械拆卸方法容易损伤灵敏而纤薄的基板,给电子专业制造服务(EMS)企业在拆卸柔性和刚柔结合的电路板时带来麻烦。紫外激光器切割不仅可以消除在冲缘加工、变形和损伤电路元件等拆卸过程中产生的机械应力的影响,同时比应用如CO2激光器切割等其它激光器拆卸时产生热应力影响要少一些。
图3展示了使用CO2激光器(图左) 和紫外激光器(图右)对同样的柔性基质(聚酰亚胺)进行切割。使用高温的CO2激光器比使用紫外激光器的炭化和冲缘加工效应大很多,如前所述,紫外激光器在冷消融工艺上占有优势。
“切割缓冲垫”的减少能够节省空间,这意味着元件能够放置在更靠近线路边缘的位置,每一块电路板上可以安装更多线路,将效率提升到最高,从而达到柔性线路应用的最大极限。
应用3:钻孔
另外一种利用紫外激光器小型光束尺寸和低应力属性的应用是钻孔,包括贯穿孔、微孔和盲埋孔。紫外激光器系统通过聚焦垂直波束径直切割穿透基板来钻孔。依据所使用的材料,可以钻出小至10μm的孔。
紫外激光器在进行多层钻孔时尤为有用。多层PCB使用复合材料经热压铸入在一起。这些所谓的“半固化”会发生分离,特别是在使用温度更高的激光器加工后。但是,紫外激光器相对来说无应力的属性就解决了这一问题,如图4所示。在图示横切面,一块14 mil的多层板上钻直径为4mil的孔。这一在柔性聚酰亚胺镀铜基板上的应用,显示了各层之间没有出现分离。关于紫外激光器低应力属性,还有重要一点:提高了成品率数据。成品率是从一块嵌板上移除的可用电路板的百分率。
在制造过程中,很多情况都会造成电路板的损坏,包括断裂的焊点、破裂的元件或分层。任一种因素都会导致电路板在生产线上被丢进废物箱而非进入运输箱。
应用4:深度雕刻
另外一种展示紫外激光器通用性的应用是深度雕刻,这包含多种形式。利用激光器系统的软件控制,激光光束设定进行受控消融,即能够按照所需深度在某一材料上进行切割,在转向另外一种深度和开始另外一个任务之前可以停止、继续和完成所需的加工。各种深度应用包括:嵌入芯片时用到的小型生产以及将有机材料从金属表面移除的表面研磨。
紫外激光器还可以在基板上进行多步骤操作。在聚乙烯材料上,第一步是用激光产生一个深度为2 mils的凹槽,第二步是在上一步的基础上产生8 mils的凹槽,第三步是10mils的凹槽。这说明紫外激光系统所提供的整体用户控制功能。
结论:一种万能的方法
紫外激光器最为引人瞩目的是能够用单一的步骤来完成上述所有应用。这对于制造电路板意味着什么?人们不再需要在不同的设备上使用同时产生影响的工艺和方法来完成某一应用,而只需一次加工就可以获得完整的零件。
这一流线型的生产方案有助于消除电路板在不同流程间转换时产生的质量控制问题。紫外线无碎屑消融特性也意味着不需要进行后加工清洗。
