Wykorzystanie lasera zielonego 532 nm w obróbce obwodów drukowanych

W przypadku obwodów sztywnych i elastycznych przewiduje się wprowadzenie wymiarów krytycznych, które będą bardzo trudne do osiągnięcia przy użyciu aktualnie stosowanych technologii z zachowaniem akceptowalnych kosztów [1]. Branża nieustannie poszukuje innowacyjnych źródeł laserowych stosowanych w urządzeniach do produkcji zaawansowanej elektroniki, które będą kompaktowe, lekkie i atrakcyjne cenowo.

Podstawowym czynnikiem napędzającym wykorzystanie technologii laserowej jest nieustanny postęp w zakresie miniaturyzacji - lasery oferują wysoce dokładną, precyzyjną i bezdotykową alternatywę dla konwencjonalnych procesów obróbki mechanicznej. Lasery wykorzystywane są obecnie w różnych procesach produkcji płytek drukowanych, w tym do drążenia mikrootworów, depanelingu, profilowania (cięcia), procesach naświetlania masek przeciwlutownych - LDI (Laser Direct Imaging), naprawie, przycinaniu, znakowaniu i skrawaniu [4].

Wybór rodzaju lasera do obróbki obwodów drukowanych uzależniony jest przede wszystkim od właściwości i grubości obrabianego materiału, wymaganego czasu trwania impulsu, długości fali, mocy, średnicy wiązki oraz wydajności procesu, która będzie wpływać na koszty wdrażanej technologii. Pomijając parametr grubości, niektóre materiały ze względu na strukturę są trudne do przetwarzania z różnych powodów, do których z pewnością zaliczyć należy: zbyt niską szybkość procesu technologicznego, czy niedostateczną jakość cięcia, która wpływa na możliwość późniejszego zastosowania [5].

Ze względu na konstrukcję podłoży płytek drukowanych konieczne jest wykorzystanie lasera pozwalającego na precyzyjną obróbkę materiałów takich jak: mata szklana impregnowana żywicą epoksydową, poliimidy, czy folia miedziana o grubościach od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów [6].

Jeszcze do niedawna najpowszechniej stosowanym narzędziem w obróbce płytek drukowanych, gwarantującym wysoką precyzję i jakość procesu, był laser UV o długości fali od 193 nm do 355 nm [7]. Promieniowanie o krótszej długości fali, któremu zwykle towarzyszy mniejsza szerokość impulsu i gorsza jakość wiązki (M2), posiada jednak wyraźne zalety, dzięki mocno skupionemu punktowi roboczemu oraz minimalizacji strefy wpływu ciepła HAZ (Heat Affected Zone) [8]. Dzięki wynalezionym w połowie lat siedemdziesiątych laserom ekscymerowym 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 do określonej, dobrze kontrolowanej głębokości przy mniejszym narażeniu termicznym sprawiła, że lasery UV są popularne w przemyśle elektronicznym w mikroobróbce ogólnego zastosowania i do specjalnych potrzeb jakim jest mikrowiercenie [9]. Podstawowym ograniczeniem współczesnych laserów z zakresu UV jest niewielka głębia ostrości, która wpływa na głębokość obróbki. Ze względu na wydajność procesów technologicznych nie przekracza ona zazwyczaj 400 - 800 µm. Osiągnięcie większych głębokości wymaga zmiany ogniskowania wiązki, co znacznie zmniejsza wydajność procesu. Z tego względu lasery UV wykorzystywane są zazwyczaj do cięcia obwodów elastycznych wykonanych z poliimidu, cienkich laminatów typu FR4 oraz drążenia mikrootworów. Wysokoenergetyczne promieniowanie laserowe UV stawia również 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 800 µm, ponieważ 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.

Obecnie na rynku dostępne są lasery wyposażone w impulsowe źródła laserowe DPSSL (Diode-Pumped Solid-State Lasers) pracujące w zakresie zielonym – 532 nm. Nowa generacja urządzeń oparta jest na krysztale Nd: YVO4 (wandan itrowo-ortowy domieszkowany neodymem) z podwojoną przemianą częstotliwości SHG (Second-Harmonic Generation) i zastępuje powszechne lasery Nd: YAG (granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem). Jedną z najbardziej atrakcyjnych cech kryształu 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 miniaturyzację kryształów Nd: YVO4 a tym samym, tworzenie bardziej kompaktowych systemów laserowych. Dla określonej, założonej mocy wyjściowej oznacza to także niższy poziom energii pompowania, przy którym wzbudzana jest akcja laserowa, przedłużając w ten sposób żywotność diody laserowej. Cenne jest także szerokie pasmo absorpcji kryształu Nd: YVO4, które jest od 2,4 do 6,3 razy większe niż w przypadku Nd: YAG. Oprócz bardziej wydajnego pompowania, kryształ Nd: YVO4 pozwala na szerszy zakres wyboru specyfikacji diod [10]. Stwarza to nowe możliwości producentom systemów laserowych w zakresie wyboru diody zgodnej ze specyfikacją docelowego systemu. Szersze pasmo pompy umożliwia także stosowanie diod o niższych tolerancjach, co przekłada się na ograniczenie kosztów [11]. Inną ważną cechą laserów Nd: YVO4 jest stała, silna emisja pojedynczej linii, a ponieważ kryształ jest jednoosiowy, wytwarza jedynie wiązkę spolaryzowaną, dzięki czemu można uniknąć wpływu niepożądanych efektów dwójłomności na konwersję częstotliwości. Chociaż okres użytkowania kryształu Nd: YVO4 jest około 2,7 razy krótszy niż w przypadku Nd: YAG, to ze względu na wyższą wydajność kwantową pompy, efektywność (slope efficiency) diody laserowej może być utrzymywana ciągle na wysoki poziomie [12]. Urządzenia oparte na krysztale Nd: YVO4 generują wiązkę o długości fali 532nm i gwarantują tą samą jakość cięcia co źródła UV, przy większej szybkości i wydajności procesu.