Ein Laser ist ein starker Lichtstrahl, der angeregt wird, wenn ein „Strahl“ durch einen externen Reiz stimuliert wird, der seine Energie erhöht. Infrarotes und sichtbares Licht haben thermische Energie, während ultraviolettes Licht optische Energie hat. Wenn diese Art von Licht auf die Oberfläche eines Werkstücks trifft, treten drei Phänomene auf: Reflexion, Absorption und Durchdringung.
Die Hauptfunktion des Laserbohrens besteht darin, das zu bearbeitende Substratmaterial schnell entfernen zu können, hauptsächlich durch photothermische Ablation und photochemische Ablation oder sogenannte Exzision.
- Photothermische Ablation: Das Prinzip der Lochbildung, bei dem das zu bearbeitende Material hochenergetisches Laserlicht absorbiert, sich in kürzester Zeit bis zum Schmelzen erhitzt und verdampft. Bei dieser Prozessmethode wird das Substratmaterial mit hoher Energie beaufschlagt. In dem Loch, das durch die Wand des geschwärzten karbonisierten Rückstands entsteht, muss das Loch vorher gereinigt werden.
- Photochemische Ablation: Bezieht sich auf den ultravioletten Bereich mit einer hohen Photonenenergie (mehr als 2 eV Elektronenvolt). Bei den Ergebnissen spielen hochenergetische Photonen mit einer Laserwellenlänge von mehr als 400 Nanometern eine Rolle. Diese hochenergetischen Photonen können die lange Molekülkette organischer Materialien zerstören, zu kleineren Partikeln werden, und ihre Energie ist größer als die der ursprünglichen Moleküle, deren extreme Kraft im Falle einer externen Quetschsaugung entweichen kann, so dass das Substratmaterial wird schnell entfernt und die Bildung von Mikroporen erfolgt. Dieser Prozesstyp beinhaltet keine thermische Verbrennung und erzeugt keine Karbonisierung. Daher ist die Reinigung vor der Poration sehr einfach. Dies sind die Grundprinzipien der Laserlochbildung. Derzeit werden zwei Arten des Laserbohrens am häufigsten verwendet: Beim Leiterplattenbohren mit Lasern handelt es sich hauptsächlich um HF-angeregte CO2-Gaslaser und UV-Festkörper-Nd:YAG-Laser.
- Zur Substratabsorption: Die Erfolgsrate des Lasers steht in direktem Zusammenhang mit der Absorption des Substratmaterials. Leiterplatten bestehen aus einer Kombination aus Kupferfolie, Glasgewebe und Harz. Die Absorption dieser drei Materialien ist aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen ebenfalls unterschiedlich, die Kupferfolie und das Glasgewebe liegen jedoch im ultravioletten Bereich von 0,3 mμ unterhalb von Die Absorptionsrate ist höher, nimmt jedoch im sichtbaren Licht und IR deutlich ab. Organische Harzmaterialien hingegen können in allen drei Spektralbändern eine relativ hohe Absorptionsrate aufrechterhalten. Dies ist die Eigenschaft von Harzmaterialien und die Grundlage für die Beliebtheit des Laserbohrverfahrens.
Welche Arten des Laserbohrens sind in Leiterplattenfabriken verfügbar?
Ein Laser ist ein starker Lichtstrahl, der angeregt wird, wenn „Strahlen“ durch einen externen Reiz angeregt werden, der seine Energie erhöht, wobei infrarotes und sichtbares Licht thermische Energie und ultraviolettes Licht optische Energie haben. Wenn diese Art von Licht auf die Oberfläche eines Werkstücks trifft, treten drei Phänomene auf: Reflexion, Absorption und Durchdringung. Die Hauptfunktion des Laserbohrens besteht darin, das zu bearbeitende Substratmaterial schnell entfernen zu können, was hauptsächlich durch photothermische Ablation und photochemische Ablation oder sogenannte Exzision geschieht.
Für das Laserbohren in der kommerziellen Leiterplattenproduktion werden zwei Lasertechnologien verwendet: CO2-Laser mit Wellenlängen im fernen Infrarotband und UV-Laser mit Wellenlängen im ultravioletten Band. CO2-Laser werden häufig bei der Herstellung industrieller Mikropasslöcher in Leiterplatten eingesetzt , die Durchmesser von mehr als 100 μm haben müssen (Raman, 2001). Für die Herstellung dieser Löcher mit großer Apertur sind CO2-Laser aufgrund der sehr kurzen Stanzzeit, die für die Herstellung großer Aperturen mit CO2-Lasern erforderlich ist, äußerst produktiv. Die UV-Lasertechnologie wird häufig bei der Herstellung von Mikrovias mit Durchmessern von weniger als 100 μm und sogar weniger als 50 μm unter Verwendung mikrogefertigter Schaltpläne eingesetzt. Die UV-Lasertechnologie ist bei der Herstellung von Löchern mit einem Durchmesser von weniger als 80 μm sehr produktiv. Um der steigenden Nachfrage nach Mikrovia-Produktivität gerecht zu werden, haben viele Leiterplattenhersteller daher damit begonnen, Doppelkopf-Laserbohrsysteme einzuführen.
Im Folgenden sind die drei Haupttypen von Doppelkopf-Laserbohrsystemen aufgeführt, die heute auf dem Markt erhältlich sind:
- Doppelkopf-UV-Laserbohrsysteme
- Doppelkopf-CO2-Laserbohrsysteme; Und
- Stablaser-Bohrsysteme (CO2 und UV)
Alle diese Arten von Bohrsystemen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Laserbohrsysteme können einfach in zwei Typen unterteilt werden: Systeme mit Doppelbohrer und einer Wellenlänge und Systeme mit Doppelbohrer und Doppelwellenlänge.
Unabhängig vom Typ gibt es zwei Hauptkomponenten, die die Fähigkeit zum Bohren von Löchern beeinflussen:
- Die Laserenergie/Pulsenergie
- Das Strahlpositionierungssystem
Die Energie des Laserimpulses und die Effizienz der Strahlabgabe bestimmen die Bohrzeit. Die Bohrzeit ist die Zeit, die der Laserbohrer benötigt, um ein Mikropassloch zu bohren, und das Strahlpositionierungssystem bestimmt die Geschwindigkeit, mit der er sich zwischen zwei Löchern bewegen kann Löcher. Zusammengenommen bestimmen diese Faktoren die Geschwindigkeit, mit der die Laserbohrmaschine die für eine bestimmte Anforderung erforderlichen Mikrovias herstellen kann. Doppelkopf-UV-Lasersysteme eignen sich am besten zum Bohren von Löchern kleiner als 90 μm in integrierten Schaltkreisen mit hohen Seitenverhältnissen.
Das Doppelkopf-CO2-Lasersystem verwendet einen gütemodulierten, HF-angeregten CO2-Laser. Die Hauptvorteile dieses Systems sind die hohe Wiederholgenauigkeit (bis zu 100 kHz), kurze Bohrzeiten und die große Arbeitsfläche, die es ermöglicht, ein Sackloch mit nur wenigen Durchgängen zu bohren, die Qualität der gebohrten Löcher ist jedoch durchaus akzeptabel niedrig.
Das gebräuchlichste Doppelkopf-Laserbohrsystem ist das Hybrid-Laserbohrsystem, das aus einem UV-Laserkopf und einem CO2-Laserkopf besteht. Dieses kombinierte Hybrid-Laserbohrverfahren ermöglicht das gleichzeitige Bohren von Kupfer und Dielektrika. Das Kupfer wird mit dem UV-Laser gebohrt, um die gewünschte Lochgröße und -form zu erzeugen, und der CO2-Laser wird unmittelbar danach zum Bohren des freigelegten Dielektrikums verwendet. Der Bohrvorgang erfolgt durch Bohren eines 2 x 2 Zoll großen Blocks, der als Feld bezeichnet wird.
Der CO2-Laser entfernt effektiv Dielektrika, sogar ungleichmäßige glasfaserverstärkte Dielektrika. Ein einzelner CO2-Laser kann jedoch keine kleinen Löcher (weniger als 75 μm) bohren und Kupfer entfernen, mit den wenigen Ausnahmen, dass er vorbehandelte dünne Kupferfolien von weniger als 5 μm entfernen kann (Lustino, 2002). Der UV-Laser ist in der Lage, sehr kleine Löcher zu bohren und alle gängigen Kupferstraßen zu entfernen (3 - 36 μm, 1 Unze, sogar plattierte Kupferfolien). Der UV-Laser kann dielektrische Materialien auch allein entfernen, allerdings mit einer langsameren Geschwindigkeit. Darüber hinaus sind die Ergebnisse bei ungleichmäßigen Materialien, z. B. verstärktem Glas FR-4, normalerweise schlecht. Denn nur wenn die Energiedichte auf ein bestimmtes Maß erhöht wird, lässt sich das Glas entfernen, wodurch auch die Innenpolster zerstört werden. Da das Stablasersystem aus einem UV-Laser und einem CO2-Laser besteht, ist es in beiden Bereichen optimal, mit dem UV-Laser lassen sich sämtliche Kupferfolien und kleine Löcher bearbeiten, mit dem CO2-Laser lassen sich die Dielektrika schnell bohren. Die Abbildung zeigt den Aufbau eines Doppelkopf-Laserbohrsystems mit programmierbarem Bohrabstand. Der Abstand zwischen den beiden Bohrern kann je nach Anordnung der Bauteile selbst eingestellt werden, was eine maximale Laserbohrfähigkeit gewährleistet.
Heutzutage ist der Abstand zwischen den beiden Bohrern in den meisten Doppelkopf-Laserbohrsystemen mit Step-and-Repeat-Strahlpositionierungstechnologie festgelegt. Der Vorteil der Step-and-Repeat-Laserfernsteuerung selbst ist der große Einstellbereich der Domäne (bis zu (50 x 50) μm). Der Nachteil besteht darin, dass der Laser-Telekonverter über ein festes Feld bewegt werden muss und der Abstand zwischen den beiden Bohrern fest ist. Der Abstand zwischen den beiden Bohrern eines typischen Doppelkopf-Laserfernreglers ist fest (ca. 150 μm). Für unterschiedliche Plattengrößen können Bohrer mit festem Abstand nicht optimal konfiguriert werden, um den Vorgang so gut wie Bohrer mit programmierbarem Abstand durchzuführen.
Heutige Doppelkopf-Laserbohrsysteme sind in einer Vielzahl von Größen und Leistungen sowohl für kleine Leiterplattenhersteller als auch für Großserien-Leiterplattenhersteller erhältlich.
Keramisches Aluminiumoxid wird aufgrund seiner hohen Dielektrizitätskonstante bei der Herstellung von Leiterplatten verwendet. Aufgrund seiner Zerbrechlichkeit ist der für die Verkabelung und Montage erforderliche Bohrvorgang mit Standardwerkzeugen jedoch schwierig, da die mechanische Belastung minimiert werden muss, was für das Laserbohren von Vorteil ist.Rangel et al. (1997) zeigten, dass es bei Aluminiumoxidsubstraten sowie bei mit Gold und Ankern beschichteten Aluminiumoxidsubstraten möglich ist, mit einem abgestimmten QNd:YAG-Laser zu bohren. Der Einsatz eines Kurzpulslasers mit niedriger Energie und hoher Spitzenleistung trug dazu bei, Schäden an der Probe durch mechanische Beanspruchung zu vermeiden und qualitativ hochwertige Durchgangslöcher mit Durchmessern von weniger als 100 μm zu erzeugen. Diese Technologie wird erfolgreich in rauscharmen Mikrowellenverstärkern im Frequenzbereich von 8 - 18 GHz eingesetzt.
Die Nd:YAG-Lasertechnologie wird zur Bearbeitung von Sack- und Durchgangslöchern in einer Vielzahl von Materialien eingesetzt. Dazu gehört das Bohren von Pilotlöchern in polyimid-kupferkaschierten Laminaten mit einem Mindestlochdurchmesser von 25 Mikrometern. Bei einer Analyse der Produktionskosten beträgt der wirtschaftlichste Durchmesser 25-125 Mikrometer. Die Bohrgeschwindigkeit beträgt 10,000 Löcher/Minute. Direktes Laserstanzverfahren möglich, Lochdurchmesser bis zu 50 Mikrometer. Die Innenfläche der geformten Löcher ist sauber und frei von Karbonisierung und kann leicht plattiert werden. Das Gleiche gilt auch für das Bohren von Durchgangslöchern in PTFE-kupferkaschierten Laminaten. Der kleinste Lochdurchmesser beträgt 25 Mikrometer, der wirtschaftlichste Durchmesser beträgt 25-125 Mikrometer. Die Bohrgeschwindigkeit beträgt 4500 Löcher/Min. Es ist kein Vorätzen der Fenster erforderlich. Die resultierenden Löcher sind sauber und erfordern keine zusätzlichen besonderen Bearbeitungsanforderungen.
