2023 03月04日
作者: 小白哥
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激光钻孔介绍

1.高密度互连印刷电路板

高密度互连技术(High Density Interconnect Technology,HDI)是为了适应电子产品向更轻、更薄、速度快、频率高方向发展的要求,满足微型器件小型化和封装技术高密集化的需求而发展起来的一种综合性、新型的微电子封装载体制造技术。以传统的印制电路板为"芯板",在其表面层压上一层或多层绝缘层、导电层,并通过通孔、盲孔、埋孔等方式实现层间连接,这样的印制电路板被称为HDI板。该技术是在常规印制电路板中引入埋盲孔和精细线宽线距,制作出常规电路板无法实现的多层、薄型、稳定和高密度化的印制电路板。典型的HDI板如下图所示。

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在HDI板中微孔大多指的是埋盲孔,埋孔是指在基板外部无法观察到的内部导通孔,用于实现内层信号的连接,其制作方法简单、易控制、牢固性高、难损坏。相比而言,盲孔加工不易控制,容易出现钻穿、偏位、钻污等,导致层间信号连接不良,板件失效。综上所述,要保证成品PCB的质量,就要严格做好盲孔加工的把关工作。

根据盲孔制作的技术特点,在实际中使用的微盲孔制作方式大致可以分为机械钻孔、感光成孔、化学蚀刻成孔、等离子蚀孔和激光钻孔等五种类型。不同的钻孔方法都具有自己的优点与缺点,其应用情况应根据微孔的孔径、基板材料、以及加工成本等诸多因素决定。激光钻孔作为一种新兴的工艺正逐渐走向成熟,在小孔径的微孔制作中具有优势。采用激光技术制作微孔的印制电路板主要有三个特点:①使PCB的面积变小。激光钻孔孔径可以达到25-50um,钻孔面积不到原来的四分之一,给布局布线提供了多余的表面空间②使PCB的厚度变薄。激光钻孔仅用于实现外部相邻层间互连,而不与内层连接,大大节约了内层的布线空间。③使PCB具有更好的电源完整性(PI)和信号完整性(SI)。激光钻孔只是导通相邻的两层,所钻的孔不会破坏内在电源层的完整性,也不会破坏内层信号传输的完整性。

根据使用激光的种类,激光盲孔钻孔技术又可分为CO2激光钻孔和UV激光钻孔。

2.激光钻孔原理

激光是媒质在受击的条件下所产生的一种强力光束,依其光束波长的不同所携带的光能可以分为热能和化学能。热能指的是红外光(CO2激光)和可见光,化学能则是紫外光(UV激光)。

CO2激光钻孔的原理是光热烧蚀,即被加工的基板吸收高能量的激光,发生能量转换使有机物温度升高达到熔点融化并蒸发掉而形成的微孔。UV激光钻孔的原理是光化学裂蚀,是位于紫外线区的,激光波长低于400 纳米的高能量光子作用的结果,即被加工的基板吸收高能量的光子,将有机物的大分子链分散成为分子量较小的颗粒,被外力吸走而形成微孔。

3.激光钻孔过程

激光钻孔是一个激光与物质互相作用的热物理过程,包括反射、吸收、气化、再辐射和热扩散等不同的能量转换过程。其过程如下:

(1)表面加热。高能量的激光束入射到材料表面,被材料吸收的入射光穿透材料表面将能量传递到下面的电子,电子发生碰撞将能量转化为热量。

(2)表面融化。当激光强度和时间足够时,表面便开始融化。

(3)蒸发。蒸发有助于材料对激光的吸收,同时使固体表面变成液体被喷射出来,喷射出来的蒸汽达到一定温度时会产生等离子气体,在蒸发中光子碰撞自由电子,把它们的热量转化成为电离蒸发的热能。

(4)蒸发喷射。由于表面液体的蒸发,大量液体在此阶段从孔中喷射。

(5)流体喷射。伴随着蒸发喷射,在流体表面产生了一个很强的蒸汽作用压力,压力迫使流体从激光通道一侧排出,即形成了孔;只要光束持续作用,在热与流体动力学和激光材料的相互作用下,孔将按照一定的方式持续增加。

4.CO2激光钻孔简介

CO2激光是指红外光,CO2激光钻孔主要是利用高能量的红外光能被基材吸收,将基材融化并蒸发而形成的孔,所以CO2激光只能加工那些对红外光吸收量比较大的基材,而不吸收或者对红外光吸收不大的基材则不能用CO2激光进行加工,各种基材对红外光的吸收情况如下图所示。

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从上图可以明显看出基材对UV激光的吸收率远远大于红外光,这就是UV激光可以直接加工铜箔而CO2激光却不能的原因。在用CO2激光进行盲孔加工时,必须先将表层铜箔打穿才能加工介质层,可铜箔对CO2激光的总吸收率却不到10%,很难实现表层铜箔的钻穿。为了增加铜箔对CO2激光的吸收率,可以采用棕化或者黑化的方式使铜箔表面粗化,但一般要求表铜厚度不能超过12um。

5.CO2激光和UV激光钻孔的比较

(1)钻孔质量。CO2激光钻孔采用的是光热烧蚀的原理,盲孔孔壁有钻污残留,必须要进行孔清洗;UV激光采用的是光化学裂蚀的原理,钻出来的盲孔孔壁清洁度较高,无钻污,可以不用进行孔清洗。

(2)钻孔方式不同。UV激光可以直接对铜箔进行加工,CO2激光对铜箔进行加工时必须将其表面进行黑化或棕化,并且对加工铜箔的厚度有一定的限制。

(3)加工速度。CO2激光钻孔速度比UV激光快,生产效率高。

(4)加工孔径。UV激光加工盲孔最小孔径可达25um;而CO2加工孔径最小为50um。CO2激光适合加工孔径100um以上的盲孔;UV激光适合加工孔径小于75um的盲孔。

(5)加工精度。UV激光加工精度比CO2高,但是UV激光能量大,难控制,对加工平台要求高,在加工盲孔时应精确的控制其能量防止打穿底部铜箔。

(6)加工范围。CO2只能应用于盲孔加工,而UV激光还能应用于微小孔,外形切割等方法,应用范围比CO2广。

(7)多阶盲孔制作。CO2激光一次只能进行一阶盲孔的制作,对阶盲孔的制作必须要一阶一阶的层压来实现;UV激光可以一次性进行多阶盲孔的制作,减少了工序。

(8)加工成本。CO2激光加工费用比UV激光低,已经被普遍的应用到盲孔生产中。

CO2激光和UV激光在盲孔加工方面各有优缺点,利用其加工特点,可以采用用UV激光开窗口,CO2激光加工介质层的方式进行盲孔加工。


  

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