Rodzaje laserów do depanelingu

Laser zielony DPSSL

Obecnie na rynku dostępne są kolejne urządzenia do depanelingu wyposażone w impulsowe źródła laserowe DPSSL (Diode-Pumped Solid-State Lasers) pracujące w zakresie zielonym. Nowa generacja lasera oparta na krysztale Nd: YVO4 (wandan itrowo-ortowy domieszkowany neodymem) z podwojoną przemianą częstotliwości SHG (Second-Harmonic Generation) zastąpiła do niedawna popularne lasery Nd: YAG (granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem). Jedną z najbardziej atrakcyjnych cech Nd: YVO4, w porównaniu z Nd: YAG, jest 5-krotnie większy współczynnik absorpcji dla długości fali pompowania 808 nm, która jest obecnie standardem dla diod laserowych dużej mocy. Umożliwia to zastosowanie mniejszych kryształów Nd: YVO4 a tym samym, na stworzenie bardziej kompaktowych systemów laserowych. 

Dla danej mocy wyjściowej oznacza to również niższy poziom energii pompowania, przy którym działa dioda laserowa, przedłużając w ten sposób żywotność drogiej diody laserowej. Cenne jest także szerokie pasmo absorpcji Nd: YVO4, które jest od 2,4 do 6,3 razy większe niż Nd: YAG. Oprócz bardziej wydajnego pompowania, kryształ Nd: YVO4 pozwala w ten sposób na szerszy zakres wyboru specyfikacji diod. Stwarza to możliwość producentom systemów laserowych szerszego wyboru diody przy projektowaniu systemów laserowych zgodnie z ich potrzebami. Większa przepustowość pompy umożliwia także stosowanie diod o niższych tolerancjach, co przekłada się na niższy koszt. 

Inną ważną cechą laserów Nd: YVO4 jest to, że laser utrzymuje silną emisję pojedynczej linii, a ponieważ kryształ wanadanu jest jednoosiowy, wytwarza jedynie spolaryzowaną moc lasera, unikając w ten sposób wpływu niepożądanych efektów dwójłomności na konwersję częstotliwości. Chociaż okres użytkowania Nd: YVO4 jest około 2,7 razy krótszy niż w przypadku Nd: YAG, to ze względu na wyższą wydajność kwantową pompy, efektywność nachylenia (slope efficiency) diody laserowej może być utrzymywana ciągle na wysoki poziomie. Urządzenie oparte na krysztale Nd: YVO4 generuje wiązkę o długości fali 532nm i gwarantuje tą samą jakość cięcia co źródła UV, przy większej szybkości i wydajności procesu. 

Na zdjęciach mikroskopowych pokazano wyniki cięcia płytek testowych typu Semi-Flex i Rigid przeprowadzone w laboratorium firmy ASYS z wykorzystaniem lasera zielonego o mocy 30 W i lasera UV o mocy 14 W. Testowano różne parametry obu źródeł w celu określenia najlepszej jakości i szybkości cięcia. Ostatecznie uzyskano porównywalną jakość cięcia ale tylko w przypadku cięcia materiałów o grubościach 0,2mm i 0,4mm. Proces ciecia z wykorzystaniem lasera zielonego okazał się natomiast znacznie szybszy. Zmierzona średnia prędkość cięcia dla płytki Semi-Flex wyniosła ~80 mm/s, przy prędkości ~30 mm/s dla lasera UV. Pomimo zastosowania większej ilości przejść wiązki UV oraz adaptacji ogniskowej, cięcie materiałów grubszych niż 0,4mm okazało się praktycznie niemożliwe. 

© Semicon

Rysunek 2. Zdjęcia mikroskopowe płytek testowych typu SEMI-FLEX (grubość cięcia ~0,2mm, po lewej: laser zielony, po prawej: laser UV 

© Semicon

Rysunek 3. Zdjęcia mikroskopowe płytek testowych typu RIGID po V-cut (grubość cięcia ~0,4mm), po lewej: laser zielony, po prawej: laser UV

© Semicon 

Rysunek 4. Zdjęcia mikroskopowe płytek testowych typu RIGID (grubość cięcia ~1,6mm) po cięciu laserem zielonym, po lewej: widok po cięciu nawierconych mostków, po prawej: pełny materiał

Jeszcze niedawno lasery pracujące w paśmie zielonym nie zapewniały wystarczającej mocy szczytowej impulsu do cięcia włókien szklanych, tak jak lasery UV. Firma InnoLas Photonics jako jedna z pierwszych wypełniła tę lukę prezentując system cięcia laserowego BLIZZ 532–30-V. System generuje średnią moc (Pa) 30 W, przy częstotliwości impulsu 40 kHz i czasie trwania (Tp) <20ns oraz energii impulsu na poziomie (E) 750 μJ, zapewniając rekordową w tych zastosowaniach moc szczytową (Pp) 37,5 kW (Rys. 8). 

© Semicon 

Rysunek 5. Ilustracja szczytowej i średniej mocy impulsu wiązki laserowej

Laser zawiera aktywny Q-switch, który umożliwia akumulację energii w nieliniowym krysztale bez emisji promieniowania przez większość okresu powtarzania impulsu oraz szybkie uwolnienie zgromadzonej energii w bardzo krótkim impulsie. Możliwa do uzyskania częstotliwość powtarzania impulsów: od pojedynczego impulsu do 400 kHz. Uzyskiwane w tym systemie parametry techniczne pozwalają na osiągnięcie znacznie wyższych współczynników szybkości cięcia do całkowitych kosztów procesu. 

W najbardziej nowoczesnych rozwiązaniach możliwe jest uzyskanie mocy szczytowych na poziomie 66 kW przy czasach impulsów krótszych od 15 ns, co pozwala na osiągnięcie prędkości cięcia rzędu 20 mm/s dla płytek FR4 o grubości poniżej 0,6 mm i Rigid-Flex o grubościach 0,1÷0,8 mm, 50 mm/s dla płytek FR4 o grubości poniżej 0,3 mm i aż 100 mm/s dla płytek FLEX o grubości poniżej 0,2 mm. 

Żywotność źródła zielonego jest trzykrotnie większa w porównaniu do źródeł UV i wynosi średnio 30 000 godzin pracy. Dzięki temu możliwa jest redukcja kosztów związanych z eksploatacją, w tym konserwacji i wymiany kosztownych źródeł laserowych. Obecnie koszt konserwacji i wymiany źródła zielonego wynosi około 3 000 USD, co jest typowo 4-krotnie niższą kwotą niż przy wymianie źródła UV. 

Technologia cięcia laserem zielonym jest szczególnie atrakcyjna, bo umożliwia wycinanie skomplikowanych kształtów nie tylko w obwodach elastycznych wykonanych z poliimidu, ale również w laminatach sztywnych, przy użyciu skolimowanej wiązki laserowej o średnicy około 20μm. Powszechnie używany w konstrukcji podłoży elastycznych poliimid jest wyjątkowo odporny termicznie i chemicznie. Poliimid nie topi się w trakcie cięcia laserowego, ale jest bezpośrednio odparowywany w interakcji z wiązką laserową. Dzięki stosunkowo niskiej temperaturze parowania wynoszącej 750°C wymagana moc lasera jest relatywnie niska dla osiągnięcia wysokich prędkości cięcia. 

Mała głębokość penetracji optycznej zmniejsza objętość materiału, w którym energia jest pochłaniana. Głębokość penetracji termicznej jest również niewielka ze względu na zastosowanie krótkich impulsów laserowych o odpowiednio dobranej częstotliwości repetycji. W efekcie uzyskuje się dobrze zdefiniowany obszar usuwania materiału i doskonałą jakość cięcia przy minimalnej karbonizacji.