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印刷线 路板微过孔成形工艺选用原则
作者:admin    发布日期:2016-12-24     关注次数:     二维码分享
线路板 上的微过孔可用几种工艺形成,最常用 的两种方法是激光蚀刻和机械钻孔,使用哪 一种应由产品的具体要求来决定。本文对 激光蚀刻和机械钻孔工艺进行简要介绍,以帮助 工艺技术人员在实际操作过程中根据需要选出最佳应用方法。
 
    线路板 上的微过孔通常直径为0.002吋(0.05mm)至0.008吋(0.20mm),这些过 孔一般分为三类,即盲孔、埋孔和通孔。盲孔位 于印刷线路板的顶层和底层表面,具有一定深度,用于表 层线路和下面的内层线路的连接,孔的深 度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是 指位于印刷线路板内层的连接孔,它不会 延伸到线路板的表面。上述两 类孔都位于线路板的内层,层压前 利用通孔成型工艺完成,在过孔 形成过程中可能还会重叠做好几个内层。第三种称为通孔,这种孔 穿过整个线路板,可用于 实现内部互连或作为元件的安装定位孔。
 
    计算微 过孔工艺成本应对各方法涉及的问题全面加以衡量,它们比 设备的价格要重要得多。
 
    在选择 微过孔制作方法时,单位过 孔制作成本是应考虑的一个重要因素。近年来很多应用表明,用机械 式方法制作盲孔和通孔已取得一定的进展而且成本较低。
 
    机械钻孔工艺
 
    过去五年里,先进的 单轴及多轴钻孔系统已取得很大进步。由于采 用有限元分析设计,机器的 稳定性有了很大改进,能够以 很快的速度开发出钻孔设备,使机器 性能更快稳定下来,从而提 高每分钟钻孔数量。
 
    最近研 制出一种带空气轴承的钻头,转速可达170krpm以上。钻孔时 为得到最大的产量需要有较高转速,板上测 量工具则可以监测钻头状态和钻孔尺寸。

     目前正 在研制一种用于进行盲孔深度控制的新型高精度深度控制传感技术,它是压 力感应探头的重要组成部分,采用了 最新研究的电场传感技术。每一个 传感器信号都通过专用的微处理器进行处理,这样可 以并行地处理每个传感器的信号,使钻头 状态分析更加迅速准确。其原理 是检测钻头和线路板表面的实际接触情况,它能使 操作员将钻孔深度控制在±0.0002吋(0.005mm)精度范围内。由于传 感器探测的是钻头和线路板的接触情况,所以精 度不会受线路板上碎屑、板面变 化及周围毛刺的影响,传感器 还可以监测钻头在0.002吋(0.05mm)至0.250吋(6.35mm)范围内的磨损情况。深度控 制微过孔钻孔系统目前采用的就是这种技术。
 
    另外,钻头也在变化。现正在 开发一种用于盲孔加工的特殊钻头,工程技 术人员也尝试用凹槽式设计及硬质合金钻头,希望藉 此能够提高精度延长钻头的寿命,降低每 个孔的制作成本。图2所示的 是一种特殊设计的钻头,可用于 改良盲孔的成型。
 
    激光蚀刻
 
    在孔径大于0.008吋(200um)的场合 基本上都使用机械式钻孔,而较小 孔径则主要应用激光钻孔。激光钻 孔的孔径最小为0.001吋(25um),一般标准孔径为0.004吋(100um)至0.006吋(150um)。
 
    直到1999年年底,激光钻 孔还仅在少数几个产品中使用,那时全世界只有400台设备,其中300台在日本,均用于 第一代激光钻孔工艺:未覆铜材料的CO2钻孔。预计到2002年激光 钻孔的数量将会有很大的增加,因为那 时移动电话需求量估计会达到3.5亿部。为生产 出足够的印刷线路板,将需要2,000台激光钻孔设备,这个数 字还没包括小型因特网接入设备、个人电 脑和其他设备的需求。
 
    激光蚀 刻钻孔工艺包括直接电介体钻孔、共形掩 膜钻孔和完孔成形三种。直接电介体钻孔是用CO2激光束照射材料表面,每发出 一次激光脉冲就有一部分材料被蚀刻掉,然后在 下一步工序中对材料整个表面进行电镀。该工艺 的特点是钻孔速度快,但由于CO2激光的分辨率太低,其孔径不能低于0.004吋(100um);另外未 覆铜材料还存在共面和精确度等问题。
     共形掩膜钻孔是用CO2激光在 覆铜层已经经过腐蚀的电介材料上钻孔。在光刻工艺中,覆铜层 通过化学方法先作完腐蚀,这时它 就如同一个掩膜,使CO2激光只 作用于电介材料上。目前使 用的是无需装备外部激光气的最新式射频激励密封CO2激光,这种激 光束具有质量好(TEM00)、重复率高(20kHz以上)及持久耐用等特点。
     将这些 特点和快速扫描仪(每秒超过1,000点)及快速 操纵系统如带线性马达(最高2,500IPM)的工作台等结合起来,可以使 钻孔速度达到每分钟60,000孔(1mm间隔)。由于覆 铜层已预先腐蚀掉,所以孔 的直径与激光波长无关,在25um至250um之间。
     完孔成 形使用两种激光,即UV激光与CO2激光,目前最 新的技术是固态UV激光,它利用 二极管吸收方式激励激光棒。一个典 型的完孔成形系统可产生两种激光:吸收二极管产生的355um UV激光(脉冲重复率高达100kHz)以及CO2激光。UV激光用来除去铜层,CO2激光用来去除电介质,该工艺 已在很多不同的工业中分别得到开发应用,其中主 要是在美国和欧洲的一些国家。
     UV激光以 一种称为环钻的方式移动,激光束 开始照在孔的中心,然后环 绕中心作同心圆移动,同心圆 直径依次增大直至将整个区域的覆铜层都蚀刻掉。铜层去掉以后再用CO2激光去除电介质,这时剩 余的覆铜层就作为CO2激光的掩膜。这种工 艺的优点是孔径可以小至0.002吋(50um)而且很精确,同时每 分钟钻孔数量可达5,000个以上。该工艺 也可用于多层线路板的钻孔。
     传统弧灯只有400~500小时寿命,而二极 管的使用寿命一般都超过10,000小时,所以二 极管吸收式激光有助于提高产量和延长使用寿命。由于激 光二极管的寿命可以预测得到,因此维 修更换就可以事先计划好,减少了 维修时间和意外停机。另外二 极管吸收式激光稳定性很高,波动小,所以孔的一致性很高。
     为了适应生产的需要,多数激 光钻孔系统都带有自动化装置。最新式 设备配有为两套激光系统供料的自动装卸装置,该装置位于机器中间,装有送 料架和堆叠装货的小车,为两台 激光钻孔系统送料和卸料,并可在 钻孔的同时将线路板翻转过来。每两台 激光系统使用一台自动装卸装置可以节省投资和场地。
    线路板 装到真空吸盘上后,要用对 位标记使钻孔光束与线路板相配,可利用 通孔或线路板上的图形作为标记。对位标 记既可以用机械方法形成,也可以 用激光对最上层铜箔蚀刻制成。图形处 理系统读取到对位标记后,程序就 可对线路板进行自动对位、偏位补偿、旋转、伸长以及缩小等处理。由于供应商不同,有时会使用两个、三个、四个或更多对位标记。
   钻孔工 艺的加工时间取决于所用的硬件(如扫描仪、工作台)以及使用的方法。可提高 激光系统产量的步进技术能使激光源频率更高、扫描仪 每秒扫描区域更大及工作台速度更快;缩短加 工时间的方法则包括将激光束分到多个工作台上、使扫描 仪和工作台移动同步以便在工作台移动时钻孔以及同时对两个或多个区域进行并行处理等等。
 本文结论
 

    激光钻 孔还是一种新兴技术,对于加工小于0.006吋(150um)孔径的 微孔而言它是一种最经济的方法,现在总 的趋势是朝覆铜材料和双激光加工方向发展。机械钻 孔则是一种成熟的技术,同时也有新的发展,如加工0.004吋(100um)或以上 过孔时的深度控制。在加工通孔和盲孔时,机械钻 孔依然是最经济的钻孔方法。随着平均失效时间(MTBF)以及产能的不断改进,今后将 会出现更为经济的激光钻孔系统。

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