激光光束通常為機械印制電路板加工提供低壓替代方法,如銑削或自動電路板切割。但是紫外激光器具有其它激光器所不具備的好處,即能夠限制熱應力。這是因為大多數紫外激光系統在低功率狀態下運行。通過使用有時被稱為“冷消融”的工藝,紫外激光器的光束會產生一個縮小的熱影響區,可以將沖緣加工、碳化以及其它熱應力的影響降至最低,而使用更高功率的激光器通常都會存在這些負面影響。 

紫外激光器的波長比可見光波長更短,因此肉眼是不可見的。雖然你無法看到這些激光束,但就是這些短波讓紫外激光器能夠更精確地聚焦,從而在產生極其精細的電路特性的同時,還能保持優良的定位精度。 

除了波長短,工件溫度較低外,紫外線中存在的高能光子讓紫外激光得以應用于大型PCB電路板組合,從FR4等標準材料到高頻陶瓷復合材料以及包括聚酰亞胺在內的柔性PCB材料等各種材料都適用。 

圖1中的圖表顯示了三種常見的PCB材料在六種不同激光器作用下的吸收率。這六種激光器中包括準分子激光器(波長為248 nm),紅外激光器(波長為1064 nm),和兩種CO2激光器(波長分別為9.4μm和10.6μm)。紫外激光器(Nd:YAG,波長為355nm)是一種罕見的在三種材料中吸收率一致的激光器。 

紫外激光器應用于樹脂和銅時顯示了極高的吸收率,在加工玻璃時也有著適當的吸收率。只有價格昂貴的準分子激光器(波長248nm)在加工這些主要材料時才會得到更好的全面吸收率。這一材料的差異性使得紫外激光器成為了很多工業領域中各種PCB材料應用的最佳選擇,從生產最基本的電路板,電路布線,到生產袖珍型嵌入式芯片等高級工藝都通用。 

紫外激光系統直接從計算機輔助設計數據到加工電路板,意味著在電路板生產過程中不需要任何中間人。再加上紫外線的精確聚焦能力,使得紫外激光系統可以實施極具特性的方案,并重復定位。 

應用1:表面蝕刻/電路生產 

紫外激光器在生產電路時工作迅速,數分鐘就能將表面圖樣蝕刻在電路板上。這使得紫外激光器成為生產PCB樣品的最快方法。研發部門注意到,越來越多的樣品實驗室正在配備內部紫外激光系統。 

依賴于光學儀器檢定,紫外激光光束的大小可以達到10-20μm, 從而生產柔性電路跡線。圖2中的應用表明紫外線在生產電路跡線方面的最大優勢,電路跡線極其微小,需要在顯微鏡下才能看見。這一電路板尺寸為0.75英寸x0.5 英寸,由一塊燒結陶瓷基片和鎢/鎳/銅/表面組成。激光器能夠產生2mils的電路跡線,間距為1 mil,從而使得整個間距僅為3 mils。 

雖然使用激光光束生產電路是PCB 樣品最快的方法,但大規模進行表面蝕刻應用最好留給化學工藝。 

應用2:PCB的拆卸 

紫外激光器切割對于大型或小型生產來說都是一個最佳的選擇,同時對于PCB的拆卸,尤其是需要應用于柔性或剛柔結合的電路板上時也是一個不錯的選擇。拆卸就是將單個電路板從嵌板上移除,考慮到材料柔性的不斷增加,這種拆卸就會面臨很大的挑戰。V槽切割和自動電路板切割等機械拆卸方法容易損傷靈敏而纖薄的基板,給電子專業制造服務(EMS)企業在拆卸柔性和剛柔結合的電路板時帶來麻煩。紫外激光器切割不僅可以消除在沖緣加工、變形和損傷電路元件等拆卸過程中產生的機械應力的影響,同時比應用如CO2激光器切割等其它激光器拆卸時產生熱應力影響要少一些。 

圖3展示了使用CO2激光器(圖左) 和紫外激光器(圖右)對同樣的柔性基質(聚酰亞胺)進行切割。使用高溫的CO2激光器比使用紫外激光器的炭化和沖緣加工效應大很多,如前所述,紫外激光器在冷消融工藝上占有優勢。 

“切割緩沖墊”的減少能夠節省空間,這意味著元件能夠放置在更靠近線路邊緣的位置,每一塊電路板上可以安裝更多線路,將效率提升到最高,從而達到柔性線路應用的最大極限。 

應用3:鉆孔 

另外一種利用紫外激光器小型光束尺寸和低應力屬性的應用是鉆孔,包括貫穿孔、微孔和盲埋孔。紫外激光器系統通過聚焦垂直波束徑直切割穿透基板來鉆孔。依據所使用的材料,可以鉆出小至10μm的孔。 

紫外激光器在進行多層鉆孔時尤為有用。多層PCB使用復合材料經熱壓鑄入在一起。這些所謂的“半固化”會發生分離,特別是在使用溫度更高的激光器加工后。但是,紫外激光器相對來說無應力的屬性就解決了這一問題,如圖4所示。在圖示橫切面,一塊14 mil的多層板上鉆直徑為4mil的孔。這一在柔性聚酰亞胺鍍銅基板上的應用,顯示了各層之間沒有出現分離。關于紫外激光器低應力屬性,還有重要一點:提高了成品率數據。成品率是從一塊嵌板上移除的可用電路板的百分率。 

在制造過程中,很多情況都會造成電路板的損壞,包括斷裂的焊點、破裂的元件或分層。任一種因素都會導致電路板在生產線上被丟進廢物箱而非進入運輸箱。 

應用4:深度雕刻 

另外一種展示紫外激光器通用性的應用是深度雕刻,這包含多種形式。利用激光器系統的軟件控制,激光光束設定進行受控消融,即能夠按照所需深度在某一材料上進行切割,在轉向另外一種深度和開始另外一個任務之前可以停止、繼續和完成所需的加工。各種深度應用包括:嵌入芯片時用到的小型生產以及將有機材料從金屬表面移除的表面研磨。 

紫外激光器還可以在基板上進行多步驟操作。在聚乙烯材料上,第一步是用激光產生一個深度為2 mils的凹槽,第二步是在上一步的基礎上產生8 mils的凹槽,第三步是10mils的凹槽。這說明紫外激光系統所提供的整體用戶控制功能。 

結論:一種萬能的方法 

紫外激光器最為引人矚目的是能夠用單一的步驟來完成上述所有應用。這對于制造電路板意味著什么?人們不再需要在不同的設備上使用同時產生影響的工藝和方法來完成某一應用,而只需一次加工就可以獲得完整的零件。 

這一流線型的生產方案有助于消除電路板在不同流程間轉換時產生的質量控制問題。紫外線無碎屑消融特性也意味著不需要進行后加工清洗。