14 Мар 2011, admin

Несмотря на относительную простоту и высокие технические параметры комбинированной лазерно-механической системы, идеальное решение все равно состояло бы в разработке сравнительно недорогого полностью лазерного устройства, позволяющего с помощью единственного лазерного источника как обрабатывать проводящее покрытие на поверхности, так и сверлить отверстия в материале платы. В процессе исследований взаимодействия лазерного излучения с различными материалами, используемыми в электронной промышленности, стало понятно, что изготовить одно универсальное устройство на все случаи жизни не представляется возможным. Поэтому дальнейшие разработки разделились на несколько отдельных направлений.
Сверлильно-фрезерный станок для обработки печатных плат

Первое и самое очевидное направление состояло в простой замене механического сверлильно-фрезерного станка на полный его лазерный аналог. Такой станок должен осуществлять сверление переходных или сквозных отверстий в широком классе полимерных материалов, используемых при изготовлении печатных плат, а также фрезеровку изолирующих дорожек в металлической фольге.

Не секрет, что процесс лазерного разрушения материала уже стал ведущим методом изготовления прецизионных отверстий в печатных платах. Но в большинстве таких систем используется мощный CO2 лазер, работающий в инфракрасном спектральном диапазоне. Излучение инфракрасного лазера хорошо поглощается органическим материалом подложки и позволяет осуществить сверление и обрезку плат. Но оно неспособно проникнуть через медное покрытие платы и практически не поглощается в нем. Поэтому перед сверлением отверстий требуется вскрытие медного покрытия платы химическим или механическим методом.

Оптимальное решение состоит в использовании для обработки платы ультрафиолетового лазера с длиной волны 250…350 нм. На такой длине волны большинство металлов, используемых для формирования проводящего покрытия печатных плат, обладают коэффициентом поглощения более 50% и легко испаряются при достаточной мощности излучения. Тем же лазером обрабатывается и полимерный материал самой платы. Причем большая энергия фотонов, составляющая я в этой области спектра 3.5…7 эВ, вызывает разрушение химических связей, и удаление полимерного материала осуществляется не только за счет его испарения, но и за счет процесса фотохимического разрушения.

При использовании ультрафиолетового лазера полный цикл обработки печатной платы может быть выполнен с использованием одного и того же источника излучения. Необходимо только жестко контролировать его выходную мощность. Ведь для формирования проводящих дорожек в металлическом покрытии платы требуется плотность мощности более 4 Дж/см2, в то время как процесс разрушения полимерных материалов подложки осуществляется при плотности мощности около 100 мДж/ см2.

Второе преимущество использования ультрафиолетового лазера состоит в малом диаметре сфокусированного луча. Например, лазерный луч с длиной волны 355 нм обычно без проблем фокусируется в пятно диаметром около 20 мкм. Это позволяет напрямую формировать таким лучом переходные отверстия диаметром менее 50 мкм. В то время как для CO2 лазера диаметр пятна фокусировки составляет обычно около 70 мкм, что требует обязательного использования специальных масок для формирования луча необходимого диаметра.
LPKF MicroLine Drill

Приведенная выше концепция была реализована компанией LPKF в приборе, получившем название MicroLine Drill. В качестве источника излучения в станке MicroLine Drill используется Nd:YAG лазер, работающий на 3-й гармонике. Излучение лазера с длиной волны 355 нм хорошо поглощается как полимерными материалами подложек печатных плат, так и медью или другими металлами, используемыми для формирования проводящего покрытия. Благодаря высокой энергии фотонов на этой длине волны, разрушение полимерного материала подложки осуществляется не только за счет его испарения, но и за счет фотохимического разрушения. В результате стенки обрабатываемого отверстия остаются практически холодными и не требуется дальнейших операций по удалению продуктов плавления материала. «Холодная» обработка позволяет избежать также возникновения внутренних тепловых напряжений в обрабатываемом материале и его остаточной деформации.

Оптическая конструкция станка состоит из источника лазерного излучения, зеркальной отклоняющей системы, работающей под управлением компьютера, и специальной фокусирующей системы. Отклоняющая система обеспечивает векторное управление сканированием луча по участку рабочей поверхности площадью 55 х 55 мм2. Затем обрабатываемый материал перемещается под лазерной головкой при помощи координатного стола и осуществляется обработка других участков платы. Фокусирующая система всегда обеспечивает необходимое направление лазерного луча под прямым углом к поверхности обрабатываемого материала. Внешний вид станка LPKF MicroLine Drill приведен на фотографии.

Механическая часть станка покоится на массивной гранитной плите, прецизионно отполированной до достижения поверхностной точности не хуже 3 мкм. Рабочий стол установлен воздушной подвеске и приводится в движение при помощи линейных электродвигателей. Точность позиционирования контролируется специальными датчиками, что гарантирует повторяемость перемещения с точностью не хуже 1 мкм. Вмонтированный с поверхность стола оптический датчик позволяет скорректировать оптические искажения по всей области сканирования. Соответствующий массив корректирующих коэффициентов заносится в память компьютера и используется в дальнейшем для коррекции положения лазерного луча в процессе сканирования. Весь процесс калибровки выполняется автоматически и занимает порядка 1 минуты.

Обрабатываемый материал закрепляется на вакуумном столе с сотовой структурой ячеек. Отклонения в положении обрабатываемого материала регистрируются по специальным реперным точкам при помощи ПЗС камеры высокого разрешения и в дальнейшем компенсируются программно. Любая неплоскостность обрабатываемого материала регистрируется специальным датчиком поверхности с разрешением 1 мкм и эти данные используются для программного управления фокусировкой лазерного луча.