Un láser es un potente haz de luz que se excita cuando un "rayo" es estimulado por un estímulo externo que aumenta su energía. La luz infrarroja y visible tienen energía térmica, mientras que la luz ultravioleta tiene energía óptica. Cuando este tipo de luz incide sobre la superficie de una pieza se producen tres fenómenos: reflexión, absorción y penetración.
La función principal de la perforación láser es poder eliminar rápidamente el material del sustrato a procesar, principalmente mediante ablación fototérmica y ablación fotoquímica o la llamada escisión.
- Ablación fototérmica: principio de formación de agujeros según el cual el material a procesar absorbe luz láser de alta energía, se calienta hasta fundirse en muy poco tiempo y se evapora. Este método de proceso en el material del sustrato se somete a alta energía, en el agujero formado por la pared del residuo carbonizado ennegrecido, el agujero debe limpiarse antes.
- Ablación fotoquímica: se refiere a la región ultravioleta que tiene una alta energía de fotones (más de 2 eV electrón-voltio), la longitud de onda del láser de más de 400 nanómetros de fotones de alta energía juega un papel en los resultados. Estos fotones de alta energía pueden destruir la larga cadena molecular de los materiales orgánicos, convertirse en partículas más pequeñas y su energía es mayor que la de las moléculas originales, fuerza extrema de la que escapar, en el caso de succión externa, de modo que el material del sustrato. Se elimina rápidamente y se forma microporoso. Este tipo de proceso no contiene combustión térmica y no produce carbonización. Por lo tanto, es muy fácil de limpiar antes de la porificación. Estos son los principios básicos de la formación de agujeros láser. Actualmente, los dos tipos de perforación láser más utilizados: la perforación de placas de circuito impreso con láseres son principalmente láseres de gas CO2 excitados por RF y láseres UV de estado sólido Nd:YAG.
- Sobre la absorbancia del sustrato: la tasa de éxito del láser tiene una relación directa con la absorbancia del material del sustrato. Las placas de circuito impreso están hechas de una combinación de lámina de cobre y tela de vidrio y resina; la absorbancia de estos tres materiales también es diferente debido a las diferentes longitudes de onda, pero la lámina de cobre y la tela de vidrio en el ultravioleta 0.3mμ por debajo de la región de la tasa de absorción es mayor, pero en la luz visible y en el IR después de una disminución sustancial. Los materiales de resina orgánica, por otro lado, pueden mantener una tasa de absorción bastante alta en las tres bandas espectrales. Esta es la característica que tienen los materiales de resina y es la base de la popularidad del proceso de perforación láser.
¿Qué tipos de perforación láser están disponibles en las fábricas de PCB?
Un láser es un potente haz de luz que se excita cuando los "rayos" son estimulados por un estímulo externo que aumenta su energía, teniendo la luz infrarroja y visible energía térmica y la luz ultravioleta energía óptica. Cuando este tipo de luz incide sobre la superficie de una pieza se producen tres fenómenos: reflexión, absorción y penetración. La función principal de la perforación láser es poder eliminar rápidamente el material del sustrato a procesar, lo que se realiza principalmente mediante ablación fototérmica y ablación fotoquímica o la llamada escisión.
Se utilizan dos tecnologías láser para la perforación láser en la producción comercial de PCB: láseres de CO2 con longitudes de onda en la banda del infrarrojo lejano y láseres UV con longitudes de onda en la banda ultravioleta. Los láseres de CO2 se utilizan ampliamente en la producción de orificios de micropaso industriales en placas de circuito impreso. , que deben tener diámetros superiores a 100 μm (Raman, 2001). Para la fabricación de estos orificios de gran apertura, los láseres de CO2 son muy productivos debido al muy corto tiempo de perforación requerido para la fabricación de grandes aperturas con láseres de CO2. La tecnología láser UV se utiliza ampliamente en la fabricación de microvías con diámetros inferiores a 100 μm, e incluso inferiores a 50 μm con el uso de diagramas de cableado microfabricados. La tecnología láser UV es muy productiva en la producción de agujeros con un diámetro inferior a 80 μm. Por lo tanto, para satisfacer la creciente demanda de productividad de microvías, muchos fabricantes de PCB han comenzado a introducir sistemas de perforación láser de doble cabezal.
Los siguientes son los tres tipos principales de sistemas de perforación láser de doble cabezal disponibles en el mercado actual:
- Sistemas de perforación por láser UV de doble cabezal
- Sistemas de perforación láser de CO2 de doble cabezal; y
- Sistemas de perforación por láser Stick (CO2 y UV)
Todos estos tipos de sistemas de perforación tienen sus propias ventajas y desventajas. Los sistemas de perforación láser se pueden dividir simplemente en dos tipos: sistemas de perforación dual de longitud de onda única y sistemas de perforación dual de longitud de onda dual.
Independientemente del tipo, hay dos componentes principales que afectan la capacidad de perforar agujeros:
- La energía del láser/energía del pulso.
- El sistema de posicionamiento del haz.
La energía del pulso láser y la eficiencia del envío del haz determinan el tiempo de perforación, el tiempo de perforación es el tiempo que le toma al taladro láser perforar un orificio de micropaso y el sistema de posicionamiento del haz determina la velocidad a la que puede moverse entre dos agujeros. Juntos, estos factores determinan la velocidad a la que la máquina perforadora láser puede producir las microvías necesarias para un requisito determinado. Los sistemas láser UV de doble cabezal son los más adecuados para perforar orificios de menos de 90 μm en circuitos integrados con relaciones de aspecto altas.
El sistema láser de CO2 de doble cabezal utiliza un láser de CO2 excitado por RF con modulación Q. Las principales ventajas de este sistema son la alta repetibilidad (hasta 100 kHz), tiempos de perforación cortos y la amplia superficie de operación, que permite perforar un agujero ciego con sólo unas pocas pasadas, pero la calidad de los agujeros perforados puede ser bajo.
El sistema de perforación láser de doble cabezal más común es el sistema de perforación láser híbrido, que consta de un cabezal láser UV y un cabezal láser de CO2. Este método combinado de perforación láser híbrida permite la perforación simultánea de cobre y dieléctricos. El cobre se perfora con el láser UV para crear el tamaño y la forma del orificio deseado, y el láser de CO2 se utiliza para perforar el dieléctrico descubierto inmediatamente después. El proceso de perforación se logra perforando un bloque de 2 x 2 pulgadas llamado campo.
El láser de CO2 elimina eficazmente los dieléctricos, incluso los dieléctricos reforzados con vidrio no uniformes. Sin embargo, un solo láser de CO2 no puede realizar agujeros pequeños (menos de 75 μm) y eliminar cobre, con las pocas excepciones de que puede eliminar finas láminas de cobre pretratadas de menos de 5 μm (lustino, 2002). El láser UV es capaz de hacer agujeros muy pequeños y eliminar todas las calles de cobre comunes (3 - 36 μm, 1 oz, incluso láminas de cobre recubiertas). El láser UV también puede eliminar materiales dieléctricos por sí solo, pero a un ritmo más lento. Además, para materiales no uniformes, por ejemplo, vidrio reforzado FR-4, los resultados suelen ser deficientes. Esto se debe a que el vidrio sólo se puede quitar si se aumenta la densidad de energía hasta un cierto nivel, lo que también destruye las almohadillas internas. Dado que el sistema de láser de varilla consta de un láser UV y un láser de CO 2, es óptimo en ambas áreas, con el láser UV se pueden realizar todas las láminas de cobre y pequeños agujeros, y con el láser de CO 2 se pueden perforar rápidamente los dieléctricos. La figura muestra una ilustración de la estructura de un sistema de perforación láser de doble cabezal con espaciado de perforación programable. El espacio entre las dos brocas se puede ajustar automáticamente según la disposición de los componentes, lo que garantiza la máxima capacidad de perforación con láser.
Hoy en día, el espacio entre las dos brocas está fijo en la mayoría de los sistemas de perforación láser de doble cabezal con tecnología de posicionamiento del haz de paso y repetición. La ventaja del propio controlador remoto láser de paso y repetición es el gran rango de ajuste del dominio (hasta (50 X 50) μm). La desventaja es que el teleconvertidor láser debe pasar sobre un campo fijo y la distancia entre las dos brocas es fija. La distancia entre los dos taladros de un regulador remoto láser de doble cabezal típico es fija (aproximadamente 150 μm). Para diferentes tamaños de paneles, los taladros de distancia fija no se pueden configurar de manera óptima para completar la operación, así como los taladros de espaciado programables.
Los sistemas de perforación láser de doble cabezal actuales están disponibles en una amplia gama de tamaños y rendimientos tanto para fabricantes de PCB a pequeña escala como para fabricantes de PCB de gran volumen.
El óxido de aluminio cerámico se utiliza en la fabricación de placas de circuito impreso debido a su alta constante dieléctrica. Sin embargo, debido a su fragilidad, el proceso de perforación necesario para el cableado y el montaje es difícil con herramientas estándar, ya que se debe minimizar la tensión mecánica, lo cual es bueno para la perforación con láser. Rangel et al. (1997) demostraron que para sustratos de alúmina, así como para sustratos de alúmina recubiertos con oro y anclajes, es posible perforar utilizando un láser QNd:YAG sintonizado. El uso de un láser de pulso corto, baja energía y alta potencia ayudó a evitar daños a la muestra por estrés mecánico y produjo orificios pasantes de alta calidad con diámetros de menos de 100 μm. Esta tecnología se utiliza con éxito en amplificadores de microondas de bajo ruido en el rango de frecuencia de 8 - 18 GHz.
La tecnología láser Nd:YAG se ha utilizado para procesar agujeros ciegos y pasantes en una amplia gama de materiales. Entre ellas se encuentra la perforación de orificios piloto en laminados revestidos de poliimida con cobre con un diámetro mínimo de orificio de 25 micras. Analizando el coste de producción, el diámetro más económico utilizado es de 25-125 micras. La velocidad de perforación es de 10,000 agujeros/min. Se puede utilizar un proceso de punzonado láser directo, con un diámetro de orificio de hasta 50 micras. La superficie interior de los orificios moldeados está limpia y libre de carbonización y puede recubrirse fácilmente. Lo mismo también puede ocurrir en el laminado revestido de cobre de PTFE, perforando orificios pasantes, el diámetro de orificio más pequeño es de 25 micrones, el diámetro más económico utilizado es de 25-125 micrones. La velocidad de perforación es de 4500 agujeros/min. No se requiere grabado previo de las ventanas. Los agujeros resultantes están limpios y no requieren requisitos de procesamiento especiales adicionales.
