レーザーは、エネルギーを増大させる外部刺激によって「光線」が刺激されると励起される強力な光線です。 赤外線と可視光には熱エネルギーがあり、紫外線には光エネルギーがあります。 このタイプの光がワークの表面に当たると、反射、吸収、透過という 3 つの現象が発生します。
レーザードリリングの主な機能は、主に光熱アブレーションおよび光化学アブレーション、またはいわゆる切除によって、処理対象の基板材料を迅速に除去できることです。
- 光熱アブレーション: 加工対象の材料が高エネルギーのレーザー光を吸収し、非常に短時間で溶融まで加熱し、蒸発する穴形成の原理。 この処理方法では、基板材料に高エネルギーがかかるため、黒化した炭化残渣の壁によって形成された穴を事前に掃除する必要があります。
- 光化学アブレーション: 紫外領域の光子エネルギーが高く (2 eV 電子ボルト以上)、レーザー波長 400 ナノメートル以上の高エネルギー光子が結果に影響します。 この高エネルギー光子は、有機材料の長い分子鎖を破壊し、より小さな粒子になる可能性があり、そのエネルギーは元の分子よりも大きく、外部からのピンチ吸引の場合、そこから逃れるための極端な力となるため、基板材料はすぐに除去され、微小孔が形成されます。 このタイプのプロセスでは熱燃焼が含まれず、炭化も発生しません。 したがって、ポレーション前の清掃が非常に簡単です。 これらはレーザー穴形成の基本原理です。 現在、最も一般的に使用されている 2 種類のレーザー穴あけ加工: レーザーによるプリント基板の穴あけ加工は、主に RF 励起 CO2 ガス レーザーと UV 固体 Nd:YAG レーザーです。
- 基板の吸光度: レーザーの成功率は基板材料の吸光度と直接的な関係があります。 プリント基板は銅箔とガラスクロスと樹脂の組み合わせで作られており、これら3つの材料の吸光度は波長の違いによって異なりますが、銅箔とガラスクロスは紫外線0.3mμ以下の領域では異なります。吸収率は高くなりますが、可視光と赤外への吸収率は大幅に低下します。 一方、有機樹脂材料は、3 つのスペクトル帯域すべてでかなり高い吸収率を維持できます。 これが樹脂素材の持つ特性であり、レーザー穴あけ加工が普及する根幹となっています。
PCB工場ではどのような種類のレーザー穴あけ加工が利用できますか?
レーザーは、外部刺激によって「光線」が刺激されてエネルギーが増加するときに励起される強力な光線であり、赤外線と可視光には熱エネルギーがあり、紫外線には光エネルギーがあります。 このタイプの光がワークの表面に当たると、反射、吸収、透過という 3 つの現象が発生します。 レーザードリリングの主な機能は、主に光熱アブレーションおよび光化学アブレーション、またはいわゆる切除によって、処理対象の基板材料を迅速に除去できることです。
商用 PCB 製造におけるレーザー穴あけには、遠赤外線帯域の波長を持つ CO2 レーザーと、紫外線帯域の波長を持つ UV レーザーの 2 つのレーザー技術が使用されます。CO2 レーザーは、プリント基板の工業用マイクロパス穴の製造に広く使用されています。 、直径が 100 μm を超えることが必要です (Raman、2001)。 CO2 レーザーによる大きな開口の製造に必要なパンチング時間は非常に短いため、これらの大きな開口の穴の製造では、CO2 レーザーは生産性が高くなります。 UV レーザー技術は、微細加工された配線図を使用して、直径 100 μm 未満、さらには 50 μm 未満のマイクロビアの製造に広く使用されています。 UV レーザー技術は、直径 80 μm 未満の穴の生成において非常に生産性が高くなります。 したがって、マイクロビアの生産性に対する需要の高まりに応えるために、多くの PCB メーカーはデュアルヘッド レーザー ドリリング システムを導入し始めています。
現在市場で入手可能なデュアルヘッド レーザー ドリリング システムの主なタイプは次の 3 つです。
- デュアルヘッド UV レーザー穴あけシステム
- デュアルヘッド CO2 レーザー穴あけシステム。 そして
- スティックレーザー穴あけシステム (CO2 および UV)
これらすべてのタイプの掘削システムには、それぞれ長所と短所があります。 レーザー穴あけシステムは、デュアル ドリル単一波長システムとデュアル ドリル 二波長システムの 2 つのタイプに簡単に分けることができます。
タイプに関係なく、穴あけ能力に影響を与える 2 つの主なコンポーネントがあります。
- レーザーエネルギー/パルスエネルギー
- ビームポジショニングシステム
レーザーパルスのエネルギーとビーム送達の効率によって穴あけ時間が決まります。穴あけ時間はレーザードリルがマイクロパス穴をあけるのにかかる時間であり、ビーム位置決めシステムが2つの穴の間を移動できる速度を決定します。穴。 これらの要因によって、レーザー穴あけ機が特定の要件に必要なマイクロビアを製造できる速度が決まります。 デュアルヘッド UV レーザー システムは、高アスペクト比の集積回路に 90μm 未満の穴をあけるのに最適です。
デュアルヘッド CO2 レーザー システムは、Q 変調 RF 励起 CO2 レーザーを使用します。 このシステムの主な利点は、高い再現性 (最大 100 kHz)、短い穴あけ時間、およびわずか数回のパスで止まり穴を穴あけできる広い操作面です。ただし、穴あけの品質は高くありません。低い。
最も一般的なデュアルヘッド レーザー ドリリング システムは、UV レーザー ヘッドと CO2 レーザー ヘッドで構成されるハイブリッド レーザー ドリリング システムです。 この複合ハイブリッドレーザー穴あけ方法により、銅と誘電体の同時穴あけが可能になります。 銅は UV レーザーで穴あけされ、希望のサイズと形状の穴が作成され、その直後に CO2 レーザーを使用して露出した誘電体に穴あけが行われます。 穴あけプロセスは、フィールドと呼ばれる 2 インチ x 2 インチのブロックを穴あけすることによって行われます。
CO2 レーザーは、不均一なガラス強化誘電体であっても、誘電体を効果的に除去します。 しかし、単一の CO2 レーザーでは、5 μm 未満の前処理された薄い銅箔を除去できるという少数の例外を除いて、小さな穴 (75 μm 未満) を開けて銅を除去することはできません (lustino、2002)。 UV レーザーは非常に小さな穴を開け、一般的な銅ストリート (3 - 36 μm、1oz、メッキ銅箔も) をすべて除去することができます。 UV レーザーは誘電体材料のみを除去することもできますが、速度は遅くなります。 さらに、強化ガラス FR-4 などの不均一な材料の場合、通常は結果が悪くなります。 これは、エネルギー密度が一定レベルまで増加した場合にのみガラスを除去でき、内部パッドも破壊するためです。 スティック レーザー システムは UV レーザーと CO 2 レーザーで構成されているため、両方の領域に最適です。UV レーザーではすべての銅箔と小さな穴を加工でき、CO 2 レーザーでは誘電体に迅速に穴を開けることができます。 この図は、プログラム可能な穴あけ間隔を備えたデュアルヘッド レーザー穴あけシステムの構造を示しています。 2 つのドリル間の間隔は、コンポーネントのレイアウトに応じて自動的に調整できるため、レーザー穴あけ能力が最大限に確保されます。
現在、ステップアンドリピートビーム位置決め技術を備えたほとんどのデュアルヘッドレーザー穴あけシステムでは、2 つのドリル間の間隔が固定されています。 ステップアンドリピートレーザーリモートコントローラー自体の利点は、ドメインの調整範囲が広いことです (最大 (50 X 50) μm)。 欠点は、レーザー テレコンバーターが固定フィールド上を移動する必要があり、2 つのドリル間の間隔が固定されていることです。 一般的なデュアルヘッドレーザーリモートレギュレーターの 2 つのドリル間の距離は固定されています (約 150 μm)。 パネル サイズが異なる場合、固定距離ドリルは、プログラム可能な間隔ドリルと同様に、作業を完了するために最適に構成することができません。
現在のデュアルヘッド レーザー ドリリング システムは、小規模 PCB メーカーから大量 PCB メーカーまで、幅広いサイズと性能で利用できます。
セラミック酸化アルミニウムは、誘電率が高いため、プリント基板の製造に使用されます。 しかし、その脆弱性のため、機械的ストレスを最小限に抑える必要があるため、配線や組み立てに必要な穴あけプロセスは標準的なツールでは困難であり、これはレーザー穴あけにとっては良いことです。Rangel et al. (1997) は、アルミナ基板、および金とアンカーでコーティングされたアルミナ基板の場合、調整された QNd:YAG レーザーを使用して穴あけが可能であることを実証しました。 短パルス、低エネルギー、高ピーク出力のレーザーを使用することで、機械的ストレスによるサンプルの損傷を回避し、直径 100 μm 未満の高品質のスルーホールを生成できました。 この技術は、8 - 18 GHz の周波数範囲の低雑音マイクロ波増幅器に使用されて成功しています。
Nd:YAG レーザー技術は、幅広い材料のブラインド ホールとスルー ホールの両方の加工に使用されています。 その中には、最小穴直径 25 ミクロンのポリイミド銅張積層板へのパイロット穴の穴あけも含まれます。 製造コストを分析すると、使用される最も経済的な直径は 25-125 ミクロンです。 穴あけ速度は10,000穴/分です。 直接レーザーパンチングプロセスを使用でき、穴径は最大 50 ミクロンです。 成形穴の内面は清浄で炭化がなく、容易にメッキできます。 同じことが PTFE 銅張積層板のスルーホール穴あけにも当てはまります。最小の穴直径は 25 ミクロンで、最も経済的な直径は 25-125 ミクロンに使用されます。 穴あけ速度は4500穴/分です。 窓の事前エッチングは必要ありません。 結果として得られる穴はきれいであり、追加の特別な処理要件は必要ありません。
