Essendo un componente chiave dei dispositivi elettronici, la precisione e l'efficienza dei processi di produzione dei circuiti stampati influiscono direttamente sulle prestazioni e sulla qualità dei prodotti elettronici. Con il continuo sviluppo dei prodotti elettronici verso la miniaturizzazione e le prestazioni elevate, sono stati imposti requisiti più elevati per la progettazione e la produzione di circuiti stampati. Tra loro,tecnologia di perforazioneè una parte importante della produzione di circuiti stampati e la perforazione meccanica tradizionale non è gradualmente in grado di soddisfare i requisiti sempre più rigorosi. La tecnologia di perforazione laser, con i suoi vantaggi unici, è diventata sempre più importante nella produzione di circuiti stampati.
1, Principi della tecnologia di perforazione laser
La perforazione laser, nota anche come perforazione laser, si basa sul principio di utilizzo dell'elevata energia e delle elevate proprietà di focalizzazione dei laser. Il laser genera un raggio laser ad alta-energia, che viene focalizzato su una posizione designata sulla scheda PCB attraverso un sistema di lenti. Quando un raggio laser ad alta-energia viene irradiato su una scheda PCB, il materiale nella posizione irradiata assorbe istantaneamente l'energia laser, provocando un forte aumento della temperatura e una rapida fusione o addirittura gassificazione del materiale, con conseguente formazione di fori. Questo metodo di lavorazione senza-contatto evita lo stress meccanico e i problemi di usura causati dal contatto tra la punta e il materiale nella foratura meccanica.
Esistono due meccanismi principali per l’interazione tra laser e materiali: ablazione fototermica e ablazione fotochimica. L'ablazione fototermica si riferisce all'assorbimento continuo di laser ad alta-energia da parte del materiale lavorato, che viene riscaldato fino allo stato fuso in un periodo di tempo molto breve. La temperatura continua a salire, provocando la vaporizzazione del materiale e infine l'evaporazione per formare micropori. E l’ablazione fotochimica è dovuta all’elevata energia (oltre 2eV) dei fotoni provenienti dai laser a corta lunghezza d’onda, che possono distruggere le lunghe catene molecolari dei materiali organici, trasformandoli in particelle e staccandoli dal materiale in lavorazione. Sotto la continua azione laser esterna, il materiale del substrato fuoriesce continuamente per formare micropori. Nella perforazione laser dei circuiti stampati, questi due meccanismi spesso coesistono e il meccanismo specifico dipende da fattori quali la lunghezza d'onda, l'energia e le proprietà del materiale del laser.
2, i vantaggi della tecnologia di perforazione laser
(1) Alta precisione
La perforazione laser può raggiungere un'apertura estremamente piccola e un'elevata precisione della posizione del foro, con un'apertura generalmente piccola fino a decine di micrometri e una deviazione della posizione del foro controllata entro un intervallo molto piccolo. Rispetto alla perforazione meccanica tradizionale, la perforazione laser presenta vantaggi significativi in termini di precisione, che possono soddisfare i requisiti dei moderni cablaggi PCB ad alta-densità, garantire la precisione e la stabilità delle connessioni dei circuiti e migliorare notevolmente le prestazioni e l'affidabilità dei PCB.
(2) Piccola apertura lavorabile
Con la tendenza alla miniaturizzazione dei prodotti elettronici, vi è una crescente domanda di aperture più piccole sui circuiti stampati. La tecnologia di perforazione laser può facilmente praticare fori minuscoli con un diametro minimo di 2 mil (0,002 pollici), mentre la perforazione meccanica raggiunge un diametro minimo di circa 6 mil (0,006 pollici). La capacità di elaborare piccole aperture offre la possibilità di progettare la miniaturizzazione dei circuiti stampati, consentendo ai prodotti elettronici di integrare più funzioni in uno spazio più piccolo.
(3) Elaborazione senza contatto
Grazie al metodo senza-contatto utilizzato nella foratura laser, si evitano l'attrito fisico e la pressione di contatto tra la punta del trapano e il materiale della scheda PCB, il che non causerà danni meccanici alla scheda e ridurrà efficacemente il verificarsi di problemi quali deformazione e crepe della scheda. Ciò è particolarmente importante per i materiali PCB che sono relativamente morbidi o richiedono una precisione di lavorazione estremamente elevata, che può migliorare significativamente il tasso di resa dei prodotti.
(4) Velocità di elaborazione elevata
Anche se la perforazione laser potrebbe non offrire un vantaggio assoluto in termini di tempo di lavorazione per un singolo foro rispetto alla perforazione meccanica, le sue caratteristiche, come l'assenza di necessità di sostituire la punta del trapano e il posizionamento rapido, migliorano notevolmente l'efficienza complessiva della lavorazione nella lavorazione in lotti. E con il continuo sviluppo della tecnologia laser, anche la velocità della perforazione laser è in costante aumento, il che può soddisfare le esigenze della produzione su larga-scala.
(5) Elevata flessibilità
La perforazione laser può essere utilizzata per lavorare PCB di varie forme e materiali complessi, siano essi laminati rigidi rivestiti in rame-o pellicole flessibili di poliimmide, può gestirli facilmente. Nel frattempo, regolando i parametri del laser, come potenza, larghezza dell'impulso, frequenza, ecc., la profondità e il diametro del foro possono essere controllati in modo flessibile per soddisfare diversi requisiti di progettazione.
3, Tipi di attrezzature per la perforazione laser
Nell'industria manifatturiera dei circuiti stampati, le apparecchiature di perforazione laser comunemente utilizzate sono principalmente divise in due categorie in base alle diverse sorgenti luminose: perforatrici laser UV a nanosecondi con una lunghezza d'onda di 355 nm e macchine di perforazione CO₂ con una lunghezza d'onda di 9400 nm.
(1) Trapano laser UV a nanosecondi
Il meccanismo di perforazione della perforatrice laser UV a nanosecondi è principalmente l'ablazione fotochimica. I fotoni ad alta-energia del suo laser a lunghezza d'onda corta possono distruggere efficacemente le catene molecolari dei materiali organici. Durante il processo di perforazione, la reazione di ablazione termica è minima e vengono prodotti pochissimi carburi, rendendo il processo di pre-trattamento del rame poroso molto semplice. Inoltre, il dispositivo può rimuovere direttamente la lamina di rame senza la necessità di ulteriori pre-trattamenti prima della perforazione. Questo dispositivo è adatto a situazioni in cui la qualità della parete del foro è estremamente elevata e non è richiesto che vi siano residui di carbonizzazione all'interno del foro, come nella produzione di circuiti stampati di alcuni prodotti elettronici di fascia alta-, come la scheda madre di smartphone e tablet.
(2) Perforatrice a CO₂
Il meccanismo di perforazione della perforatrice a CO₂ è principalmente l'ablazione fototermica. Il materiale lavorato si scioglie e vaporizza rapidamente per formare micropori dopo l'assorbimento continuo del laser ad alta-energia. A causa del processo di ablazione fototermica, saranno presenti residui di carburo sulla parete del foro, pertanto è necessario un pre-trattamento prima e dopo la perforazione. La perforatrice a CO₂ utilizza solitamente un foglio di rame ultra-sottile per l'ablazione diretta (come rame di base da 12 um che generalmente deve essere ridotto a 9 um) e la sua velocità di perforazione è migliore rispetto alla perforazione laser UV. È adatto per forare circuiti stampati contenenti materiali in fibra di vetro nello strato dielettrico ed è ampiamente utilizzato nella produzione di alcuni comuni prodotti elettronici e circuiti stampati di controllo industriale.
4, flusso del processo di perforazione laser
(1) Preparazione preliminare
Preparazione della scheda PCB: assicurarsi che il materiale, lo spessore, lo spessore della lamina di rame e altri parametri della scheda PCB soddisfino i requisiti di progettazione ed eseguire un trattamento di pulizia superficiale sulla scheda PCB per rimuovere impurità come olio e polvere, al fine di garantire l'interazione efficace tra laser e materiali.
Debug dell'attrezzatura: in base ai parametri della scheda PCB e ai requisiti di perforazione, eseguire il debug dell'attrezzatura di perforazione laser e impostare parametri appropriati come potenza del laser, larghezza dell'impulso, frequenza, velocità di perforazione, lunghezza focale, ecc. Allo stesso tempo, controllare se il sistema di percorso ottico, il sistema di raffreddamento, il sistema di controllo, ecc. dell'attrezzatura funzionano normalmente.
(2) Processo di perforazione
Posizionamento: utilizzando il sistema di posizionamento del dispositivo, posizionare con precisione la scheda PCB sul banco di lavoro e determinare la posizione di foratura in base ai requisiti di progettazione. Le moderne apparecchiature di perforazione laser sono generalmente dotate di sistemi di posizionamento visivo ad alta-precisione, in grado di identificare in modo rapido e accurato i punti contrassegnati sulla scheda PCB, ottenere il posizionamento automatico e migliorare la precisione della perforazione.
Perforazione: avviare il laser e il raggio laser praticherà dei fori sulla scheda PCB in base ai parametri e al percorso preimpostati. Durante il processo di perforazione, è possibile utilizzare metodi di perforazione singoli o multipli in base ai diversi requisiti di processo. Per alcuni fori più profondi o situazioni in cui è richiesta un'elevata qualità della parete, potrebbero essere necessarie perforazioni multiple, approfondendo gradualmente ogni volta per garantire la qualità del foro.
(3) Elaborazione successiva
Pulizia: dopo la perforazione, sulla superficie e all'interno dei fori della scheda PCB rimarranno residui di materiale fuso e detriti, che dovranno essere puliti. Di solito, per immergere la scheda PCB nella soluzione detergente vengono utilizzati la pulizia a ultrasuoni, la pulizia chimica e altri metodi. Attraverso la vibrazione delle onde ultrasoniche o l'azione di reagenti chimici, residui e detriti vengono rimossi per garantire la pulizia dei fori.
Test: condurre un'ispezione completa della scheda PCB dopo la perforazione, comprese le dimensioni dell'apertura, la precisione della posizione del foro, la qualità della parete del foro e altri aspetti. I metodi di rilevamento comunemente utilizzati includono il rilevamento al microscopio, il rilevamento al microscopio a scansione elettronica, il rilevamento ottico automatico, ecc. Attraverso i test, i problemi che si verificano durante il processo di perforazione, come deviazione dell'apertura, deviazione della posizione del foro, parete ruvida del foro, residui, ecc., possono essere rilevati in modo tempestivo e regolati e migliorati di conseguenza.
Trattamento di perforazione: per i fori che richiedono un collegamento elettrico, uno strato di metallo, ad esempio rame, viene depositato sulla parete del foro per rendere il foro conduttivo. Il trattamento di perforazione adotta solitamente il metodo della ramatura chimica o della galvanica del rame. Innanzitutto, viene eseguita la ramatura chimica sulla parete del foro per formare un sottile strato conduttivo, quindi lo strato di rame viene ulteriormente ispessito mediante galvanica del rame per soddisfare i requisiti di prestazioni elettriche.
La tecnologia di perforazione laser dei circuiti stampati, come tecnologia chiave nella moderna produzione elettronica, fa affidamento sulla sua elevata precisione