Mikrobohrung aus Verbundmaterial fuer Laserbearbeitung Platine
Wenn der Leiterplattenverbundwerkstoff zu Mikrolöchern mit einem Durchmesser von weniger als 0,2 mm verarbeitet wird, wird ein mechanisches Bohren verwendet, und der Werkzeugverschleiß wird beschleunigt, ist leicht zu brechen und die Kosten steigen. Der Laserstrahl kann den Spotdurchmesser auf Mikrometer reduzieren und ist somit ein ideales Werkzeug für die Bearbeitung von Mikrovias. Das Laserbohren ist eine berührungslose Bohrtechnik, bei der der Laserstrahl auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert wird. Die Energie des Flecks wird geschmolzen oder das vergaste Material bildet Mikroporen, die die Eigenschaften einer hohen Bohrgeschwindigkeit, einer hohen Effizienz, keinem Werkzeugverlust und einer hohen Qualität der bearbeiteten Oberfläche aufweisen. Besonders geeignet zum Mikrolochbohren von Verbundwerkstoffen. Insbesondere wird eine große Anzahl von Gruppenlochbearbeitungen mit hoher Dichte an verschiedenen Materialien wie z. B. hart, spröde und weich durchgeführt.
Der Einsatz der Laserbearbeitung von Verbundwerkstoffen unterliegt komplexen physikalischen und chemischen Veränderungen. Es gibt zwei Hauptmechanismen zum Entfernen von Material:
1, thermische Verarbeitungsmechanismen: Der Laser erwärmt das Material, um es zu schmelzen und zu verdampfen.
2. Photochemischer Mechanismus: Laserenergie wird direkt verwendet, um die chemischen Bindungen zwischen den Molekülen eines Materials zu überwinden und das Material in winzige gasförmige Moleküle oder Atome zu zerlegen.
Der Schlüssel zum Bohren von faserverstärkten Verbundwerkstoffen liegt in der Auswahl der richtigen Laserquelle, hauptsächlich basierend auf den Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials. B. die Absorption von Licht spezifischer Wellenlänge, Schmelz- und Vergasungstemperatur, Wärmeleitfähigkeit und dergleichen. Häufig verwendete Laserquellen sind CO2-Laser, KrF-Excimer-Laser und Nd: YA G-Laser.
I. CO2 Laserbearbeitung
Der CO2-Laser hat einen Wellenlängenbereich von 9,3 bis 10,6 μm und gehört zum Infrarotlaser. Das zu schneidende Material ist ein thermischer Bearbeitungsmechanismus. Wenn CO2-Laser faserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Harzbasis bohren, ist der Einfluss der Laserleistung und der Verarbeitungszeit auf die Verarbeitungsqualität relativ groß. Durch Einstellen der geeigneten Laserleistung und Bearbeitungszeit kann die Qualität des Prozesses erheblich verbessert werden. Aoyama und Mitarbeiter verwendeten einen CO2-Dauerlaser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm und einer maximalen Leistung von 25 OW, um Mikroporen mit einem Durchmesser von 0,3 mm auf einem Glasfaser / Epoxid-Verbundwerkstoff zu bohren. Es wurde gefunden, dass, wenn die Laserleistung 35 W betrug, die Verarbeitungszeit OAS betrug und das Hilfsgas Luft war, das Epoxidharz auf der Oberfläche der Lochwand fast keine Wärmeschäden aufwies; Wenn die Laserleistung 75 W beträgt, die Verarbeitungszeit 0,1 s beträgt und das Hilfsgas Stickstoff ist, erscheint eine schwarze Substanz auf der Oberfläche der Porenwand. Dies liegt daran, dass die Laserenergie das Harz kontinuierlich beleuchtet, so dass die Temperatur des Harzes nicht abgekühlt wird, und wenn es sich zu einem gewissen Grad ansammelt, wird das Harz thermisch beschädigt. Hirogaki und Mitarbeiter verwendeten einen gepulsten CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm und einer maximalen Leistung von 100 W, um Glas / Epoxid- und Aramidfaser / Epoxid-Verbundwerkstoffe zu bohren. Es wurde festgestellt, dass das Epoxidharz kaum thermische Schäden verursacht, wenn die Bestrahlungszeit weniger als 5 ms beträgt. Dies liegt daran, dass die Reduzierung der Bestrahlungszeit des Laserpulses die vom Material absorbierte Energie reduzieren kann. Darüber hinaus bewirkt das Zeitintervall zwischen den Impulsen eine gewisse Abkühlung des Materials, so dass die thermische Schädigung des Harzes weiter verringert wird.
II. KrF Excimer Laserbearbeitung
Der KrF-Excimerlaser hat eine Wellenlänge von 248 nm und gehört zum Ultraviolettlaser.Das Material ist ein photochemischer Mechanismus. Hochenergetische ultraviolette Photonen können das Material direkt in Atome aufspalten, um das Material abzuschneiden. KrF-Excimer-Laser können thermische Schäden bei der Laserbearbeitung erheblich reduzieren. Zheng und Mitarbeiter verwendeten einen KrF-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm, einer Impulsbreite von 20 ns und einer Energiedichte von 400 nd / cm 2 zum Bohren eines Glasfaser / Epoxid-Verbundwerkstoffs. Es erscheint nicht nur das schwarze Material an der Wand des Lochs, sondern die Tiefe des Lochs kann genau gesteuert werden, und die Bohrtiefe pro Impuls beträgt 0,12 μm.
Der KrF-Excimerlaser kann jedoch beim Bohren von Löchern eine Verjüngung aufweisen, was auf den Beugungseffekt zurückzuführen ist, der durch den Beugungseffekt des Strahls am Rand der bearbeiteten Form verursacht wird, wodurch die Energiedichte und die Ätzrate verringert werden. Ein weiterer Grund kann die sphärische Abweichung des nicht korrigierten Prismas sein. Mit zunehmender Energiedichte nimmt die Verjüngung allmählich ab und es tritt sogar eine negative Verjüngung auf. Dies kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass die Strahlenergiedichte größer ist als die kritische Energie, bei der die Beugung an der Grenze auftritt und die Defokussierung bewirkt, dass der Strahldurchmesser größer wird.
III. Nd: YAG-Laserbearbeitung
Nd: YAG-Laser werden üblicherweise bei Wellenlängen von 1,06 & mgr; m und 355 nm verwendet. Sie gehören zum Infrarotlaser bzw. zum Ultraviolettlaser, und die beiden Wellenlängen entsprechen dem thermischen Verarbeitungsmechanismus bzw. dem photochemischen Mechanismus. Laserleistung und Pulsfrequenz haben einen großen Einfluss auf die thermische Schädigung beim Nd: AG-Laserbohren. Yang und Mitarbeiter verwendeten einen Nd: YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer durchschnittlichen Leistung von 12 W, um einen 1,6 mm dicken Glas / Epoxid-Verbundwerkstoff zu bohren. Es wurde festgestellt, dass bei einer gegebenen Pulsfrequenz die Verarbeitungstemperatur umso höher ist, je höher die Leistung ist. Das Verkoken des Epoxidharzes und das Schmelzen der Glasfaser werden beschleunigt, und die äquivalente Breite der thermischen Schädigung nimmt mit zunehmender durchschnittlicher Laserleistung zu. Bei einer gegebenen Laserleistung ist die äquivalente Breite der thermischen Schädigung bei einer Pulsfrequenz von 7 kHz am größten. Wenn es weniger als 7 kHz beträgt, nimmt es mit zunehmender Frequenz zu. Oberhalb von 7 kHz nimmt die Breite des thermischen Schadens ab. Dies liegt daran, dass je höher die Frequenz, desto kürzer das Zeitintervall zwischen den Laserimpulsen und desto kürzer die Abkühlzeit der bearbeiteten Oberfläche ist. Wenn die Frequenz 7 kHz überschreitet, ist die Spitzenleistung des Laserpulses umso geringer, je höher die Pulsfrequenz ist, je länger die Pulsdauer ist, desto niedriger ist die Temperatur der bearbeiteten Oberfläche und desto geringer ist die äquivalente Breite des thermischen Schadens. Beim Nd: YAG-Laserbohren mit einer Wellenlänge von 355 nm, einer Leistung von 0,3 W und einer Pulsfrequenz von 1 kHz trat an der Oberfläche der Lochwand nahezu keine thermische Schädigung auf.
Aufgrund der Art der Verbundverstärkungsfasern und der Faserrichtung jeder Lage. Während des Nd: YAG-Laserbohrprozesses nimmt die Genauigkeit des Lochs ab, die Diskontinuität des Lochs an der Grenzfläche zwischen den Schichten und die Faserausdehnung treten auf. Rodden et al., Verwendeten einen Nd: YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Impulsbreite von 0,1 ms, um ein 2 mm dickes Kohlefaser / Epoxy-Verbundlaminat zu bohren; Es wurde festgestellt, dass sich die Form des Lochs von einem Kreis in eine Ellipse änderte und die Form des Lochs an der Grenzfläche zwischen den Schichten diskontinuierlich war. Ersteres liegt daran, dass der Wärmeübertragungskoeffizient der Kohlenstofffaser viel größer ist als der Wärmeübertragungskoeffizient des Epoxidharzes, und die Wärme zuerst entlang der Richtung der Kohlenstofffaser geleitet wird, wodurch das Loch entlang der Richtung der Kohlenstofffaser gedehnt wird; Letzteres liegt daran, dass die Kohlenstofffaserrichtungen jeder Schicht unterschiedlich sind, was zu Diskontinuitäten in der Porenform zwischen den Schichten führt. Cheng et al. Verwendeten einen gepulsten Nd: YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 & mgr; m und einer maximalen mittleren Ausgangsenergie von 135 W und einer Pulsdauer von 0,5 bis 5 ms zum Bohren eines etwa 1 mm dicken Kohlefaser / PEEK-Verbundmaterials; Es wurde festgestellt, dass die Kohlenstofffasern um die Löcher an den Enden eine radiale Ausdehnung von bis zu 50% aufwiesen. Die irreversible Änderung der teilweise gefüllten Struktur aufgrund der starken Wärmeausdehnung der Faser und der schnellen Druckbeaufschlagung der Mikroporen in der Faserstruktur verstärkt diesen Effekt.
Der Einsatz der Laserbearbeitung von Verbundwerkstoffen unterliegt komplexen physikalischen und chemischen Veränderungen. Es gibt zwei Hauptmechanismen zum Entfernen von Material:
1, thermische Verarbeitungsmechanismen: Der Laser erwärmt das Material, um es zu schmelzen und zu verdampfen.
2. Photochemischer Mechanismus: Laserenergie wird direkt verwendet, um die chemischen Bindungen zwischen den Molekülen eines Materials zu überwinden und das Material in winzige gasförmige Moleküle oder Atome zu zerlegen.
Der Schlüssel zum Bohren von faserverstärkten Verbundwerkstoffen liegt in der Auswahl der richtigen Laserquelle, hauptsächlich basierend auf den Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials. B. die Absorption von Licht spezifischer Wellenlänge, Schmelz- und Vergasungstemperatur, Wärmeleitfähigkeit und dergleichen. Häufig verwendete Laserquellen sind CO2-Laser, KrF-Excimer-Laser und Nd: YA G-Laser.
I. CO2 Laserbearbeitung
Der CO2-Laser hat einen Wellenlängenbereich von 9,3 bis 10,6 μm und gehört zum Infrarotlaser. Das zu schneidende Material ist ein thermischer Bearbeitungsmechanismus. Wenn CO2-Laser faserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Harzbasis bohren, ist der Einfluss der Laserleistung und der Verarbeitungszeit auf die Verarbeitungsqualität relativ groß. Durch Einstellen der geeigneten Laserleistung und Bearbeitungszeit kann die Qualität des Prozesses erheblich verbessert werden. Aoyama und Mitarbeiter verwendeten einen CO2-Dauerlaser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm und einer maximalen Leistung von 25 OW, um Mikroporen mit einem Durchmesser von 0,3 mm auf einem Glasfaser / Epoxid-Verbundwerkstoff zu bohren. Es wurde gefunden, dass, wenn die Laserleistung 35 W betrug, die Verarbeitungszeit OAS betrug und das Hilfsgas Luft war, das Epoxidharz auf der Oberfläche der Lochwand fast keine Wärmeschäden aufwies; Wenn die Laserleistung 75 W beträgt, die Verarbeitungszeit 0,1 s beträgt und das Hilfsgas Stickstoff ist, erscheint eine schwarze Substanz auf der Oberfläche der Porenwand. Dies liegt daran, dass die Laserenergie das Harz kontinuierlich beleuchtet, so dass die Temperatur des Harzes nicht abgekühlt wird, und wenn es sich zu einem gewissen Grad ansammelt, wird das Harz thermisch beschädigt. Hirogaki und Mitarbeiter verwendeten einen gepulsten CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm und einer maximalen Leistung von 100 W, um Glas / Epoxid- und Aramidfaser / Epoxid-Verbundwerkstoffe zu bohren. Es wurde festgestellt, dass das Epoxidharz kaum thermische Schäden verursacht, wenn die Bestrahlungszeit weniger als 5 ms beträgt. Dies liegt daran, dass die Reduzierung der Bestrahlungszeit des Laserpulses die vom Material absorbierte Energie reduzieren kann. Darüber hinaus bewirkt das Zeitintervall zwischen den Impulsen eine gewisse Abkühlung des Materials, so dass die thermische Schädigung des Harzes weiter verringert wird.
II. KrF Excimer Laserbearbeitung
Der KrF-Excimerlaser hat eine Wellenlänge von 248 nm und gehört zum Ultraviolettlaser.Das Material ist ein photochemischer Mechanismus. Hochenergetische ultraviolette Photonen können das Material direkt in Atome aufspalten, um das Material abzuschneiden. KrF-Excimer-Laser können thermische Schäden bei der Laserbearbeitung erheblich reduzieren. Zheng und Mitarbeiter verwendeten einen KrF-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm, einer Impulsbreite von 20 ns und einer Energiedichte von 400 nd / cm 2 zum Bohren eines Glasfaser / Epoxid-Verbundwerkstoffs. Es erscheint nicht nur das schwarze Material an der Wand des Lochs, sondern die Tiefe des Lochs kann genau gesteuert werden, und die Bohrtiefe pro Impuls beträgt 0,12 μm.
Der KrF-Excimerlaser kann jedoch beim Bohren von Löchern eine Verjüngung aufweisen, was auf den Beugungseffekt zurückzuführen ist, der durch den Beugungseffekt des Strahls am Rand der bearbeiteten Form verursacht wird, wodurch die Energiedichte und die Ätzrate verringert werden. Ein weiterer Grund kann die sphärische Abweichung des nicht korrigierten Prismas sein. Mit zunehmender Energiedichte nimmt die Verjüngung allmählich ab und es tritt sogar eine negative Verjüngung auf. Dies kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass die Strahlenergiedichte größer ist als die kritische Energie, bei der die Beugung an der Grenze auftritt und die Defokussierung bewirkt, dass der Strahldurchmesser größer wird.
III. Nd: YAG-Laserbearbeitung
Nd: YAG-Laser werden üblicherweise bei Wellenlängen von 1,06 & mgr; m und 355 nm verwendet. Sie gehören zum Infrarotlaser bzw. zum Ultraviolettlaser, und die beiden Wellenlängen entsprechen dem thermischen Verarbeitungsmechanismus bzw. dem photochemischen Mechanismus. Laserleistung und Pulsfrequenz haben einen großen Einfluss auf die thermische Schädigung beim Nd: AG-Laserbohren. Yang und Mitarbeiter verwendeten einen Nd: YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer durchschnittlichen Leistung von 12 W, um einen 1,6 mm dicken Glas / Epoxid-Verbundwerkstoff zu bohren. Es wurde festgestellt, dass bei einer gegebenen Pulsfrequenz die Verarbeitungstemperatur umso höher ist, je höher die Leistung ist. Das Verkoken des Epoxidharzes und das Schmelzen der Glasfaser werden beschleunigt, und die äquivalente Breite der thermischen Schädigung nimmt mit zunehmender durchschnittlicher Laserleistung zu. Bei einer gegebenen Laserleistung ist die äquivalente Breite der thermischen Schädigung bei einer Pulsfrequenz von 7 kHz am größten. Wenn es weniger als 7 kHz beträgt, nimmt es mit zunehmender Frequenz zu. Oberhalb von 7 kHz nimmt die Breite des thermischen Schadens ab. Dies liegt daran, dass je höher die Frequenz, desto kürzer das Zeitintervall zwischen den Laserimpulsen und desto kürzer die Abkühlzeit der bearbeiteten Oberfläche ist. Wenn die Frequenz 7 kHz überschreitet, ist die Spitzenleistung des Laserpulses umso geringer, je höher die Pulsfrequenz ist, je länger die Pulsdauer ist, desto niedriger ist die Temperatur der bearbeiteten Oberfläche und desto geringer ist die äquivalente Breite des thermischen Schadens. Beim Nd: YAG-Laserbohren mit einer Wellenlänge von 355 nm, einer Leistung von 0,3 W und einer Pulsfrequenz von 1 kHz trat an der Oberfläche der Lochwand nahezu keine thermische Schädigung auf.
Aufgrund der Art der Verbundverstärkungsfasern und der Faserrichtung jeder Lage. Während des Nd: YAG-Laserbohrprozesses nimmt die Genauigkeit des Lochs ab, die Diskontinuität des Lochs an der Grenzfläche zwischen den Schichten und die Faserausdehnung treten auf. Rodden et al., Verwendeten einen Nd: YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Impulsbreite von 0,1 ms, um ein 2 mm dickes Kohlefaser / Epoxy-Verbundlaminat zu bohren; Es wurde festgestellt, dass sich die Form des Lochs von einem Kreis in eine Ellipse änderte und die Form des Lochs an der Grenzfläche zwischen den Schichten diskontinuierlich war. Ersteres liegt daran, dass der Wärmeübertragungskoeffizient der Kohlenstofffaser viel größer ist als der Wärmeübertragungskoeffizient des Epoxidharzes, und die Wärme zuerst entlang der Richtung der Kohlenstofffaser geleitet wird, wodurch das Loch entlang der Richtung der Kohlenstofffaser gedehnt wird; Letzteres liegt daran, dass die Kohlenstofffaserrichtungen jeder Schicht unterschiedlich sind, was zu Diskontinuitäten in der Porenform zwischen den Schichten führt. Cheng et al. Verwendeten einen gepulsten Nd: YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 & mgr; m und einer maximalen mittleren Ausgangsenergie von 135 W und einer Pulsdauer von 0,5 bis 5 ms zum Bohren eines etwa 1 mm dicken Kohlefaser / PEEK-Verbundmaterials; Es wurde festgestellt, dass die Kohlenstofffasern um die Löcher an den Enden eine radiale Ausdehnung von bis zu 50% aufwiesen. Die irreversible Änderung der teilweise gefüllten Struktur aufgrund der starken Wärmeausdehnung der Faser und der schnellen Druckbeaufschlagung der Mikroporen in der Faserstruktur verstärkt diesen Effekt.
