Rodzaje laserów do depanelingu

Jeszcze do niedawna najpowszechniej stosowanym narzędziem do formowania mikrootworów i laserowego depanelingu płytek drukowanych, gwarantującym wysoką precyzję i jakość procesu, był laser UV o długościach fal od 193 nm do 355 nm (Tabela 1). Ponieważ promieniowanie o krótszej długości fali, któremu zwykle towarzyszy krótsza szerokość impulsu, oferuje wyraźne zalety, dzięki wynalezieniu w połowie lat siedemdziesiątych laserów ekscymerowych UV i w ostatnich latach laserom półprzewodnikowym o zwielokrotnionej częstotliwości, pojawiły się nowe możliwości przetwarzania materiałów. W szczególności zdolność do usuwania materiałów organicznych, metali i szkieł ze znanej głębokości przy mniejszym uszkodzeniu termicznym sprawiła, że lasery UV są bardzo atrakcyjne w przemyśle elektronicznym do mikroobróbki ogólnego zastosowania i do specjalnych potrzeb jakim jest mikrowiercenie. 

© Semicon

Tabela 1 Porównanie parametrów laserów UV stosowanych w mikroobróbce

Lasery UV

Spośród wymienionych w Tabeli 1 typów lasera UV, laser półprzewodnikowy Nd: YAG jest obecnie najczęściej stosowanym laserem w przemyśle elektronicznym. Jego podstawowa długość fali bliskiej podczerwieni (1064 nm) pozwala obrabiać materiały jedynie przez ich stapianie lub spalanie, co sprawia, że nie nadaje się do większości zastosowań w procesach mikroobróbki. Możliwe jest jednak trzykrotne lub czterokrotne podzielenie tej częstotliwości poprzez dodanie nieliniowych kryształów do standardowych konfiguracji rezonatora, co powoduje przesunięcie częstotliwości do widma ultrafioletowego odpowiednio do 355 lub 266 nm, które są znacznie bardziej odpowiednie do tych zastosowań. 

Długość fali wiązki laserowej z zakresu UV w połączeniu z odpowiednio dobraną energią i czasem trwania impulsu laserowego pozwalają na uzyskanie warunków zimnej ablacji, co ogranicza proces karbonizacji spowodowany wzrostem temperatury na skutek skończonej przewodności cieplnej obrabianych materiałów. Podstawowym ograniczeniem zastosowań współczesnych laserów z zakresu UV jest mocno ograniczona głębokość obróbki, która ze względu na silną absorpcję i wydajność procesów technologicznych nie przekracza zazwyczaj 200 µm. Mała głębokość penetracji optycznej (277 nm dla promieniowania o długości fali 355 nm) zmniejsza objętość materiału, w którym energia jest pochłaniana. Głębokość penetracji termicznej długości fali jest również niewielka (178 nm) ze względu na zastosowane krótkie impulsy laserowe. Na Rysunku 1 przedstawiono zależność absorpcji poliimidu w zależności od długości fali promieniowania elektromagnetycznego. Najlepsza absorpcja osiągana jest dla źródła UV, dla lasera zielonego 532 nm i CO2 1064nm jest na porównywalnym poziomie.

Nawet zastosowanie silnie skupionej wiązki laserowej i relatywnie długich czasów impulsu, charakterystycznych dla większości źródeł UV stosowanych w mikroobróbce, powoduje że konieczne jest uzyskanie wysokich wartości energii przy pracy impulsowej, aby ciąć podłoża o większej grubości. Z tego względu lasery UV wykorzystywane są zazwyczaj do cięcia obwodów elastycznych wykonanych z poliimidu, których grubość nie przekracza zwykle 100 µm oraz drążenia mikrootworów przelotowych i nieprzelotowych. Wysokoenergetyczne promieniowanie laserowe UV stawia wysokie wymagania wewnętrznym elementom lasera i jego optyce. Z tego powodu stosowanie źródła z zakresu UV nie zawsze jest uzasadnione ekonomicznie dla laminatów o grubości powyżej 200 µm i wymaga kosztownego planu konserwacji i częstej wymiany źródła laserowego. Średnia żywotność takiego źródła jest szacowana na 10 000 godzin pracy a koszt wymiany przekracza typowo 10 000 USD.