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光學工程
激光蝕刻鉆孔工藝
      在孔徑大于0.008吋(200μm)的場合基本上都使用機械式鉆孔,而較小孔徑則主要應用激光鉆孔。激光鉆孔的孔徑最小為0.001吋(25μm),一般標準孔徑為0.004吋(100μm)至0.006吋(150μm)。
      直到1999年年底,激光鉆孔還僅在少數幾個產品中使用,那時全世界只有400臺設備,其中300臺在日本,均用于第一代激光鉆孔工藝:未覆銅材料的CO2鉆孔。預計到2002年激光鉆孔的數量將會有很大的增加,因為那時移動電話需求量估計會達到3.5億部。為生產出足夠的印刷線路板,將需要2000臺激光鉆孔設備,個數字還沒包括小型因特網接入設備、個電腦和其他設備的需求。
       激光蝕刻鉆孔工藝包括直接電介體鉆孔、共形掩膜鉆孔和完孔成形三種。直接電介體鉆孔用CO2激光束照射材料表面,每發出一次激光脈沖就有一部分材料被蝕刻掉,然后在下一步工序中對材料整個表面進行電鍍。該工藝的特點是鉆孔速度快,但由于CO2激光的分辨率太低,其孔徑不能低于0.004吋(100μm);另外未覆銅材料還存在共面和精確度等問題。
      共形掩膜鉆孔是用CO2激光在覆銅層已經經過腐蝕的電介材料上鉆孔。在光刻工藝中,覆銅層通過化學方法先作完腐蝕,這時它就如同一個掩膜,使CO2激光只作用于電介材料上。目前使用的是無需裝備外部激光 氣的最新式射頻激勵密封CO2激光,這種激光束具有質量好(TEM00)、重復率高(20kHz以上)及持久耐用等特點。
      將這些特點和快速掃描儀(每秒超過1000點)及快速操縱系統如帶線性馬達(最高2500ipm)的工作臺等結合起來,可以使鉆孔速度達到每分鐘60000孔(1mm間隔)。由于覆銅層已預先腐蝕掉,所以孔的直徑與激光波無關,在25μm至250μm之間。
      完孔成形使用兩種激光,即UV激光與CO2激光,目前最新的技術是固態UV激光,它利用二極管吸收方式激勵激光棒。一個典型的完孔成形系統可產生兩種激光:吸收二極管產生的355μm UV激光(脈沖重復率高達100kHz)以及CO2激光。UV激光用來除去銅層,CO2激光用來去除電介質,該工藝已在很多不同的工業中分別得到開發應用,其中主要是在美和歐洲的一些國家。
      UV激光以一種稱為環鉆的方式移動,激光束開始照在孔的中心,然后環繞中心作同心圓移動,同心圓直徑依次增大直至將整個區域的覆銅層都蝕刻掉。銅層去掉以后再用CO2激光去除電介質,這時剩余的覆銅層就作為CO2激光的掩膜。這種工藝的優點是孔徑可以小至0.002吋(50μm)而且很精確,同時每分鐘鉆孔數量可達5000個以上。該工藝也可用于多層線路板的鉆孔。
      傳統弧燈只有400~500小時壽命,而二極管的使用壽命一般都超過10000小時,所以二極管吸收式激光有助于提高產量和延長使用壽命。由于激光二極管的壽命可以預測得到,因此維修更換就可以事先計劃好,減少了維修時間和意外停機。另外二極管吸收式激光穩定性很高,波動小,所以孔的一致性很高。
      為了適應生產的需要,多數激光鉆孔系統都帶有自動化裝置。最新式設備配有為兩套激光系統供料的自動裝卸裝置,該裝置位于機器中間,裝有送料架和堆疊裝貨的小車,為兩臺激光鉆孔系統送料和卸料,并可在鉆孔的同時將線路板翻轉過來。每兩臺激光系統使用一臺自動裝卸裝置可以節省投資和場地。
      線路板裝到真空吸盤上后,要用對位標記使鉆孔光束與線路板相配,可利用通孔或線路板上的圖形作為標記。對位標記既可以用機械方法形成,也可以用激光對最上層銅箔蝕刻制成。圖形處理系統讀取到對位標記后,程序就可對線路板進行自動對位、偏位補償、旋轉、伸長以及縮小等處理。由于供應商不同,有時會使用兩個、三個、四個或更多對位標記。
      鉆孔工藝的加工時間取決于所用的硬件(如掃描儀、工作臺)以及使用的方法。可提高激光系統產量的步進技術能使激光源頻率更高、掃描儀每秒掃描區域更大及工作臺速度更快;縮短加工時間的方法則包括將激光束分到多個工作臺上、使掃描儀和工作臺移動同步以便在工作臺移動時鉆孔以及同時對兩個或多個區域進行并行處理等等。
      應用實例
      用戶A:中小規模PCB制造商,所需過孔的孔徑為0.006吋(0.15mm)或更大,產量相對較低。該用戶合適的選擇是機械鉆孔系統。
      用戶B:過孔要求為孔徑0.004~0.006吋(0.1~0.15mm),中等產量。加工這種孔不需要用激光,但采用激光鉆孔可提高產量,是否采用激光鉆孔取決于資金的多少。此例中機械鉆孔和激光鉆孔都可以滿足加工要求。
      用戶C:過孔要求為孔徑0.004吋(0.1mm)或更小。這時即使產量很低也要采用激光鉆孔,因為用機械鉆孔方法不能滿足技術要求。
      用戶D:該客戶加工的孔徑范圍大,而且產量高。此時可采用多種加工工藝,利用機械鉆孔和激光鉆孔相結合的辦法,使產量達到最高以及單位鉆孔費用最低。
      結論
      激光鉆孔還是一種新興技術,對于加工小于0.006吋(150μm)孔徑的微孔而言,它是一種最經濟的方法,現在總的趨勢是朝覆銅材料和雙激光加工方向發展。機械鉆孔則是一種成熟的技術,同時也有新的發展,如加工0.004吋(100um)或以上過孔時的深度控制。在加工通孔和盲孔時,機械鉆孔依然是最經濟的鉆孔方法。隨著平均失效時間(MTBF)以及產能的不斷改進,今后將會出現更為經濟的激光鉆孔系統。

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