Un laser est un puissant faisceau de lumière qui est excité lorsqu'un « rayon » est stimulé par un stimulus externe qui augmente son énergie. La lumière infrarouge et visible possède une énergie thermique, tandis que la lumière ultraviolette possède une énergie optique. Lorsque ce type de lumière frappe la surface d’une pièce, trois phénomènes se produisent : la réflexion, l’absorption et la pénétration.
La fonction principale du perçage laser est de pouvoir retirer rapidement le matériau de substrat à traiter, principalement par ablation photothermique et ablation photochimique ou ce qu'on appelle l'excision.
- Ablation photothermique : principe de formation de trous dans lequel le matériau à traiter absorbe la lumière laser à haute énergie, chauffe jusqu'à fondre en très peu de temps et s'évapore. Cette méthode de traitement dans le matériau du substrat est soumise à une énergie élevée, dans le trou formé par la paroi du résidu carbonisé noirci, le trou doit être nettoyé avant.
- Ablation photochimique : fait référence à la région ultraviolette qui possède une énergie photonique élevée (plus de 2 eV électron-volt), une longueur d'onde laser de plus de 400 nanomètres de photons à haute énergie joue un rôle dans les résultats. Ces photons à haute énergie peuvent détruire la longue chaîne moléculaire des matériaux organiques, devenir des particules plus petites, et leur énergie est supérieure à celle des molécules d'origine, la force extrême à laquelle s'échapper, dans le cas d'une aspiration externe par pincement, de sorte que le matériau du substrat est rapidement éliminé et la formation de microporeux. Ce type de procédé ne contient pas de combustion thermique et ne produit pas de carbonisation. Il est donc très facile de le nettoyer avant la poration. Ce sont les principes de base de la formation de trous laser. Actuellement, les deux types de perçage laser les plus couramment utilisés : le perçage de cartes de circuits imprimés avec des lasers sont principalement des lasers à gaz CO2 excités par RF et des lasers UV Nd : YAG à semi-conducteurs.
- Sur l'absorbance du substrat : le taux de réussite du laser a une relation directe avec l'absorbance du matériau du substrat. Les cartes de circuits imprimés sont constituées d'une combinaison de feuille de cuivre, de tissu de verre et de résine. L'absorbance de ces trois matériaux est également différente en raison de différentes longueurs d'onde, mais la feuille de cuivre et le tissu de verre dans l'ultraviolet 0,3 mμ en dessous de la région de le taux d'absorption est plus élevé, mais dans la lumière visible et IR après une baisse substantielle. Les résines organiques, en revanche, peuvent maintenir un taux d’absorption assez élevé dans les trois bandes spectrales. C’est la caractéristique des matériaux en résine et c’est la base de la popularité du processus de perçage au laser.
Quels types de perçage laser sont disponibles dans les usines de PCB ?
Un laser est un puissant faisceau de lumière qui est excité lorsque les « rayons » sont stimulés par un stimulus externe qui augmente son énergie, la lumière infrarouge et visible ayant une énergie thermique et la lumière ultraviolette ayant une énergie optique. Lorsque ce type de lumière frappe la surface d’une pièce, trois phénomènes se produisent : la réflexion, l’absorption et la pénétration. La fonction principale du perçage laser est de pouvoir retirer rapidement le matériau de substrat à traiter, principalement par ablation photothermique et ablation photochimique ou ce qu'on appelle l'excision.
Deux technologies laser sont utilisées pour le perçage laser dans la production commerciale de PCB : les lasers CO2 avec des longueurs d'onde dans la bande infrarouge lointain et les lasers UV avec des longueurs d'onde dans la bande ultraviolette. Les lasers CO2 sont largement utilisés dans la production de trous micropasses industriels dans les cartes de circuits imprimés. , qui doivent avoir un diamètre supérieur à 100 μm (Raman, 2001). Pour la fabrication de ces trous à grande ouverture, les lasers CO2 sont très productifs en raison du temps de poinçonnage très court requis pour la fabrication de grandes ouvertures avec les lasers CO2. La technologie laser UV est largement utilisée dans la fabrication de microvias de diamètre inférieur à 100 μm, voire inférieur à 50 μm avec l'utilisation de schémas de câblage microfabriqués. La technologie laser UV est très productive pour la réalisation de trous d'un diamètre inférieur à 80 μm. Par conséquent, pour répondre à la demande croissante de productivité des microvias, de nombreux fabricants de PCB ont commencé à introduire des systèmes de perçage laser à double tête.
Voici les trois principaux types de systèmes de perçage laser à double tête disponibles sur le marché aujourd'hui :
- Systèmes de perçage laser UV à double tête
- Systèmes de forage laser CO2 à double tête ; et
- Systèmes de perçage laser stick (CO2 et UV)
Tous ces types de systèmes de forage ont leurs propres avantages et inconvénients. Les systèmes de forage laser peuvent simplement être divisés en deux types : les systèmes à double foret à longueur d'onde unique et les systèmes à double foret à double longueur d'onde.
Quel que soit le type, deux composants principaux affectent la capacité de percer des trous :
- L'énergie laser/énergie pulsée
- Le système de positionnement du faisceau
L'énergie de l'impulsion laser et l'efficacité de l'émission du faisceau déterminent le temps de forage, le temps de forage est le temps nécessaire à la perceuse laser pour percer un trou micropass, et le système de positionnement du faisceau détermine la vitesse à laquelle il peut se déplacer entre deux des trous. Ensemble, ces facteurs déterminent la vitesse à laquelle la perceuse laser peut produire les microvias requis pour une exigence donnée. Les systèmes laser UV à double tête sont particulièrement adaptés au perçage de trous inférieurs à 90 μm dans des circuits intégrés présentant des rapports d'aspect élevés.
Le système laser CO2 à double tête utilise un laser CO2 excité par RF modulé Q. Les principaux avantages de ce système sont la répétabilité élevée (jusqu'à 100 kHz), les temps de perçage courts et la large surface de travail, qui permet de percer un trou borgne en quelques passes seulement, mais la qualité des trous forés peut être faible.
Le système de perçage laser à double tête le plus courant est le système de perçage laser hybride, qui se compose d'une tête laser UV et d'une tête laser CO2. Cette méthode combinée de perçage laser hybride permet le perçage simultané du cuivre et des diélectriques. Le cuivre est percé avec le laser UV pour créer la taille et la forme de trou souhaitées, et le laser CO2 est utilisé pour percer le diélectrique découvert immédiatement après. Le processus de forage est accompli en forant un bloc de 2 pouces X 2 pouces appelé champ.
Le laser CO2 élimine efficacement les diélectriques, même les diélectriques renforcés de verre non uniformes. Cependant, un seul laser CO2 ne peut pas percer de petits trous (moins de 75 μm) et éliminer le cuivre, à quelques exceptions près, il peut éliminer de fines feuilles de cuivre prétraitées de moins de 5 μm (lustino, 2002). Le laser UV est capable de percer de très petits trous et d'éliminer toutes les rues de cuivre courantes (3 - 36 μm, 1 oz, même les feuilles de cuivre plaquées). Le laser UV peut également éliminer seul les matériaux diélectriques, mais à un rythme plus lent. De plus, pour des matériaux non uniformes, par exemple le verre renforcé FR-4, les résultats sont généralement médiocres. En effet, le verre ne peut être retiré que si la densité énergétique est augmentée jusqu'à un certain niveau, ce qui détruit également les coussinets internes. Étant donné que le système laser bâton se compose d'un laser UV et d'un laser CO 2 , il est optimal dans les deux domaines, avec le laser UV toutes les feuilles de cuivre et les petits trous peuvent être réalisés, et avec le laser CO 2 les diélectriques peuvent être percés rapidement. La figure donne une illustration de la structure d'un système de perçage laser à double tête avec espacement de perçage programmable. L'espacement entre les deux forets peut être ajusté automatiquement en fonction de la disposition des composants, ce qui garantit une capacité de perçage laser maximale.
De nos jours, l'espacement entre les deux forets est fixe dans la plupart des systèmes de forage laser à double tête dotés d'une technologie de positionnement de faisceau pas à pas. L'avantage de la télécommande laser pas à pas elle-même est la large plage de réglage du domaine (jusqu'à (50 X 50) μm). L'inconvénient est que le téléconvertisseur laser doit franchir un champ fixe et que l'espacement entre les deux forets est fixe. La distance entre les deux forets d'un télérégulateur laser à double tête typique est fixe (environ 150 μm). Pour différentes tailles de panneaux, les forets à distance fixe ne peuvent pas être configurés de manière optimale pour terminer l'opération ainsi que les forets à espacement programmables.
Les systèmes de perçage laser à double tête d'aujourd'hui sont disponibles dans une large gamme de tailles et de performances pour les fabricants de PCB à petite échelle ainsi que pour les fabricants de PCB à grand volume.
L'oxyde d'aluminium céramique est utilisé dans la fabrication de circuits imprimés en raison de sa constante diélectrique élevée. Cependant, en raison de sa fragilité, le processus de perçage requis pour le câblage et l'assemblage est difficile avec des outils standards, car les contraintes mécaniques doivent être minimisées, ce qui est une bonne chose pour le perçage laser. Rangel et al. (1997) ont démontré que pour les substrats en alumine, ainsi que pour les substrats en alumine recouverts d'or et d'ancrages, il est possible de forer à l'aide d'un laser QNd:YAG accordé. L’utilisation d’un laser à impulsion courte, à faible énergie et à puissance de crête élevée a permis d’éviter d’endommager l’échantillon par des contraintes mécaniques et a produit des trous traversants de haute qualité d’un diamètre inférieur à 100 μm. Cette technologie est utilisée avec succès dans les amplificateurs micro-ondes à faible bruit dans la gamme de fréquences de 8 - 18 GHz.
La technologie laser Nd:YAG a été utilisée pour traiter des trous borgnes et débouchants dans une large gamme de matériaux. Parmi ceux-ci figure le perçage de trous pilotes dans des stratifiés en polyimide recouverts de cuivre avec un diamètre de trou minimum de 25 microns. En analysant le coût de production, le diamètre le plus économique utilisé est de 25-125 microns. La vitesse de perçage est de 10,000 trous/min. Un processus de poinçonnage laser direct peut être utilisé, diamètre de trou allant jusqu'à 50 microns. La surface intérieure des trous moulés est propre et exempte de carbonisation et peut être facilement plaquée. Il en va de même pour le forage de trous traversants en stratifié recouvert de cuivre PTFE, le plus petit diamètre de trou de 25 microns, le diamètre le plus économique utilisé pour 25-125 microns. La vitesse de perçage est de 4 500 trous/min. Aucune pré-gravure des fenêtres n’est requise. Les trous résultants sont propres et ne nécessitent pas de traitement particulier supplémentaire.
