激光加工技術(shù)在高密度PCB制造的應(yīng)用，提高其微孔的打孔效率

導(dǎo)讀： 傳統(tǒng)機(jī)械鉆削難以滿足高密度PCB微細(xì)孔的加工要求。試驗表明，通過對激光波長模式、光斑直徑和脈沖寬度等參數(shù)的精確控制，及利用激光束對材料相互作用的效應(yīng)加工高密度PCB微孔，不僅能達(dá)到的較好加工質(zhì)量，同時還體現(xiàn)出激光打孔快速、精準(zhǔn)的優(yōu)勢。

作者：徐夢廓，丁黎光，李書平，陳佰江

便攜多功能電子產(chǎn)品對印刷電路板（PCB）的要求很高。為了能將眾多元器件緊密互聯(lián)在有限面積內(nèi)，并保持線路工作穩(wěn)定。其電路板密度越來越高，如：孔徑和線寬進(jìn)一步縮小，相互之間距離與精度不斷提高，徑深比不斷加大。電路層數(shù)可達(dá)十層以上。在同一層板上的微孔數(shù)達(dá)50000多個而間距卻小到0.05mm，孔徑要求小于150μm。這樣的印刷電路板若采用機(jī)械鉆削，存在鉆頭材質(zhì)、冷卻、排屑、加工定位等難以克服的困難，而應(yīng)用激光加工則可較好地滿足質(zhì)量要求。

1 激光束的應(yīng)用

高密度PCB板是多層結(jié)構(gòu)，它由絕緣樹脂摻以玻璃纖維材料相隔，其問插入銅箔導(dǎo)電層。再經(jīng)層壓黏合而成。圖1所示為4層板切面。激光加工的原理是利用激光柬聚焦在PCB表面，使材料瞬間燒熔、汽化形成小孔。由于銅和樹脂是兩種不同的材料，銅箔的熔化溫度達(dá)1084℃，而絕緣樹脂的熔化溫度只有200～300℃。因此應(yīng)用激光打孔時需對光束波長、模式、直徑和脈沖等參數(shù)進(jìn)行合理選取和精確控制。

1.1 光束波長與模式對加工的影響

圖1 4層PCB剖面圖

從圖1可知，打孔時激光首先是對銅箔加工，而銅對激光的吸收率隨波長增加而增加，如對波長為9.4～10.6μm的二氧化碳激光其吸收率只有0.15％，而對波長為351～355 m的YAG/UV的激光吸收率則高達(dá)70％。對普通印刷板打孔可采用YAG/UV激光，或使用保型掩模法。高密度PCB為了增加集成度，每層銅箔僅為18μm，而銅箔下的樹脂基材對二氧化碳激光的吸收率很高（約82％），這為應(yīng)用二氧化碳激光器打孔提供了條件。因為二氧化碳激光的光電轉(zhuǎn)換率和加工效率遠(yuǎn)高于YAG/UV激光，只要有足夠的光束能量、并對銅箔進(jìn)行處理以提高它對激光的吸收率，就可利用二氧化碳激光對PCB直接開孔。

激光束的橫模模式對激光發(fā)散角、能量輸出都有很大的影響，為獲得足夠的光束能量首先要有一個好的光束輸出模式。理想的狀態(tài)是形成如圖2所示的低階高斯模態(tài)輸出。這樣可獲得很高的能量密度，為光束在透鏡上良好地聚焦提供前提條件。

圖2 低價高斯模態(tài)能量分布

低階模可通過修改諧振腔參數(shù)或加裝光闌獲得，加裝光闌后雖減小了光束能量的輸出，但它可限制高階模激光參與打孔，并有助于小孔圓度的改善。

1.2 微細(xì)孔的獲得

在光束的波長和模式選定后，要在PCB上獲得理想的孔，必須對光斑直徑進(jìn)行控制，只有光斑的直徑足夠小，能量才能集中燒蝕板材。調(diào)整光斑直徑的方式有很多，主要是通過球面透鏡聚焦獲得，當(dāng)高斯模光束射入透鏡時，透鏡后焦平面上的光斑直徑可近似地用下面的公式計算：

D≈λF/（πd）

式中：F為焦距；d為人射在透鏡表面上高斯光束的光斑半徑；λ為激光波長。

從式中可看出入射直徑越大，聚焦后的光斑越小。在其他條件都確定的情況下，縮短焦距有利于縮小光束直徑。但F縮短后透鏡與工件間的距離也縮小了，打孔時熔渣可能會飛濺在透鏡表面，影響打孔效果及透鏡的壽命，針對這種情況可在透鏡邊加裝輔助裝置，用氣體進(jìn)行吹掃。

1.3 光束脈沖的影響

打孔采用多脈沖激光，同時脈沖激光功率密度至少要達(dá)到銅箔的蒸發(fā)溫度。因為單脈沖激光在燒穿銅箔后能量已減弱，無法對下面的基材進(jìn)行有效的燒蝕，會形成如圖3a所示的情況，這樣無法形成導(dǎo)通孔。但是打孔時光束的能量也不宜過高，能量過高。在打穿銅箔后會對基材的燒蝕過大，產(chǎn)生如圖3b所示的情況，不利于電路板的后期處理。微孔形成如圖3c所示的那種略帶錐度的孔型最為理想，這種孔型可為后續(xù)的敷銅處理提供便利。

圖3 不同能量激光加工出的孔型

為實現(xiàn)圖3c所示孔型，可采取前置高峰的脈沖激光波形（圖4），前端較高的脈沖能量可燒蝕銅箔，后端較低能量的多重脈沖可燒蝕絕緣基材并使孔不斷加深直至下層銅箔。

圖4 脈沖激光波形

2 激光束效應(yīng)

由于銅箔和基材的材料特性有很大的不同，使激光束和電路板材料相互作用而產(chǎn)生多種效應(yīng)現(xiàn)象，這對微細(xì)孔的孔徑、孔深、孔型等都有重要的影響。

2.1 激光的反射與吸收

激光與PCB相互作用首先是從入射激光被表面銅箔反射和吸收開始的，由于銅箔對紅外波長二氧化碳激光吸收率極低，使加工困難、效率極低。被吸收的那部分光能會使銅箔材料的自由電子動能增加，其中大部分再通過電子與晶格或離子的相互作用轉(zhuǎn)化為銅箔的熱能。這表明在提高光束質(zhì)量的同時必須要對銅箔表面進(jìn)行前期處理。可在銅箔表面涂敷增加吸收光的材料，提高它對激光的吸率。

2.2 光束效應(yīng)的作用

激光加工時，光束輻射銅箔材料，銅箔被加熱至汽化，蒸汽溫度高，易于擊穿電離，即由光激勵而產(chǎn)生光致等離子體。光致等離子體一般為材料蒸汽的等離子體，如果等離子體傳至工件的能量大于等離子體吸收所造成的工件接收光能的損失。則等離子體反而增強(qiáng)了工件對激光能量的吸收。否則就是等離子體阻隔了激光，減弱了工件對激光的吸收。對于二氧化碳激光，光致等離子體可提高銅箔對它的吸收率。但過多的等離子體會使光束在穿過時發(fā)生折射，影響打孔的定位精度。一般激光功率密度在控制107 W/cm2以下某個恰當(dāng)?shù)闹担奢^好地控制等離子體。

小孔效應(yīng)對加強(qiáng)激光打孔過程中光能的吸收具有極其重要的作用，激光在燒穿銅箔后繼續(xù)向基材燒蝕，基材可大量吸收光能，劇烈汽化膨脹，產(chǎn)生的壓力可將熔融材料拋出，形成小孔。小孔內(nèi)同樣充滿了光致等離子體，進(jìn)入小孔的激光能量經(jīng)孔壁的多次反射和等離子體作用，幾乎可以完全被吸收（圖5）。由于等離子體吸收，會使穿過小孔到達(dá)小孔底部的激光功率密度下降，而小孔底部的激光功率密度對產(chǎn)生一定的汽化壓強(qiáng)以維持一定深度的小孔是至關(guān)重要的，它決定了加工過程的穿透深度。

圖5 激光在孔內(nèi)折射

3 結(jié)論

應(yīng)用激光加工技術(shù)可極大地提高高密度PCB微孔的打孔效率，實驗表明：①結(jié)合數(shù)控技術(shù)可在印制板上每分鐘加工30 000多個微孔，孔徑在75～100呻之間；②應(yīng)用UV激光可進(jìn)一步使孔徑小于50μm或更小，這為進(jìn)一步擴(kuò)大PCB板的使用空間創(chuàng)造了條件。